Tính liên kết nửa cứng nối dầm liên tục liên hợp thép bê tông

Tính cấp thiết của đề tài ­ Kết cấu liên hợp thép bê tông có nhiều ưu điểm về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật nên được áp dụng nhiều trong xây dựng nhất là trong lĩnh vực nhà cao tầng..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN MINH VINH

TÍNH LIÊN KẾT NỬA CỨNG NỐI DẦM LIÊN TỤC LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Kĩ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2016

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: GS TS PHẠM VĂN HỘI

Phản biện 01: PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG

Phản biện 02: TS TRẦN QUANG HƯNG

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng 01 năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Thông tin Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

­ Kết cấu liên hợp thép bê tông có nhiều ưu điểm về các chỉ

tiêu kinh tế kỹ thuật nên được áp dụng nhiều trong xây dựng nhất là trong lĩnh vực nhà cao tầng Trong dầm sàn nhà cao tầng, các dầm đều có dạng dầm liên tục

­ Khi tính toán hệ dầm sàn liên tục theo Eurocode 4, các chỗ

nối dầm phải đảm bảo các yêu cầu cấu tạo và có đủ khả năng xoay để phân phối lại nội lực trong dầm

­ Hiện nay ở Việt Nam kết cấu liên hợp bắt đầu được sử dụng

trong lĩnh vực nhà cao tầng, vì vậy đây là vấn đề cần thiết cần nghiên cứu để ứng dụng trong thiết kế

2 Mục tiêu nghiên cứu

­ Trong dầm liên hợp liên tục để đảm bảo phân phối lại mô

men nội lực do tải trong gây ra thì các nút tại gối phải đảm bảo có khả năng xoay cần thiết

­ Khả năng xoay phụ thuộc vào độ cứng của nút, tức là phụ

thuộc độ cứng của từng bộ phận tại liên kết dầm

­ Mục đích của luận văn là học cách tính nút liên kết này và

xác định cấu tạo của nút sao cho đảm bảo đủ xoay

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

­ Đối tượng nghiên cứu: hệ dầm sàn liên hợp Thép - Bê tông

trong nhà cao tầng

­ Phạm vi nghiên cứu: cấu tạo và tính toán nút nối cột - dầm

trong dầm sàn liên hợp Thép-Bê tông trong nhà cao tầng

4 Phương pháp nghiên cứu

­ Phương pháp lí thuyết: thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính

toán công trình để đảm bảo phân phối lại mô men nội lực do tải trong gây ra thì các nút tại gối phải đảm bảo có khả năng xoay cần thiết

­ Phương pháp số: giả lập mô hình dầm liên hợp liên tục, tính

Hình 1.1 Mặt cắt một số tiết diện dầm liên hợp (composite beam)

- Dưới đây là một số công trình ứng dụng kết cấu liên hợp thép –

bê tông được nhắc đến nhiều trên thế giới, thể hiện lợi thế khi áp dụng loại kết cấu này:

Hình 1.4 Taipei Tower 101 tầng cao 508m ( Đài Loan)

Hình 1.5 Millenium Tower (Viennna-Áo, 55 tầng diện tích sàn khoảng 1000m 2 được xây dựng trong thời gian khoảng 8 tháng)

Tại Việt Nam cũng có một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp như:

Hình 1.8 Bệnh viện Chợ Rẫy 12 tầng xây dựng năm 1971

1.2 MỘT SỐ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG

1.2.1 Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường 1.2.2 Khả năng chịu lửa tốt

1.2.3 Tăng độ cứng của kết cấu

1.2.4 Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép, đó

là ưu điểm lớn trong việc chịu tải trọng động đất

1.2.5 Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng

hiệu quả sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ

1.2.6 Có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại

(phương pháp thi công ván khuôn trượt, thi công lắp ghép) làm tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng

1.2.7 Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao So với kết cấu bê tông

cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu hỗn hợp lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn

1.2.8 So sánh kết cấu bê tông thông thường, kích thước của

kết cấu liên hợp bé hơn, do đó tăng dược không gian sử dụng, nhất là đối với cột các tầng dưới nhà cao tầng

1.2.9 So sánh với kết cấu thép thông thường, khả năng chịu

lực của liên két liên hợp được tăng cường do có kể đến sự làm việc chịu kéo của bản sàn và sự tăng cường khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu thép khi có thêm sự có mặt của bê tông bọc

1.3 LIÊN KẾT KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 1.3.1 Liên Kết Chốt

- Đối với liên kết chốt trong kết cấu liên hợp, việc tính toán chủ yếu nhầm đảm bảo khả năng liên kết phần bê tông với phần thép

để tạo ra kết cấu làm việc liên hợp đảm bảo khả năng liên kết phần

bê tông với phần thép để tạo ra kết cấu làm việc liên hợp đảm bảo chịu được lực trượt sinh ra giữa phần bê tông và phần tấm tôn cũng như bản sàn với dầm thép trong quá trình làm việc của bản sàn liên hợp

Hình 1.16 Các dạng tạo liên kết điển hình trong sàn liên hợp

1.3.2 Liên Kết Thép Góc Hàn

Sức bền của kiểu liên kết này được tính theo công thức sau:

2 3 3 4 ck Rd

10 * l * h * f

P =

γ

Để chống lại sự nâng tách của tấm đan, đặt một sợi thép xuyên qua cánh của thép góc, đường kính nhỏ nhất Ф của sợi thép được tính toán theo điều kiện

2 sk

Rd sk

* f

πφ

≥γ

Eurocode đã giới thiệu một số mô hình hóa hệ lò xo dùng cho việc áp dụng tính toán liên kết liên hợp theo hình vẽ dưới đây:

Hình 1.20 Mô hình hóa liên kết cột - dầm

Hình 1.21 Mô hình hóa liên kết dầm – dầm

Hình 1.22 Mô hình hóa liên kết cột - dầm

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN LIÊN KẾT LIÊN HỢP DÙNG CHO NHÀ CAO

TẦNG THEO EUROCODE 4 2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ LIÊN KẾT CỦA KHUNG LIÊN HỢP

- Liên kết liên hợp (mối nối liên hợp) là mối nối giữa một cấu

kiện liên hợp với các cấu kiện khác mà trong đó cốt thép trong bê tông tham gia vào khả năng chịu lực của mối nối

- Mối nối liên hợp trong công trình nhà chủ yếu là mối nối giữa

dầm – dầm hoặc dầm – cột

- Liên kết có thể được xem như là khớp, là nửa cứng hoặc là mối

nối cứng, với khả năng chịu lực không hoàn toàn hoặc khả năng chịu lực hoàn toàn, dựa theo nguyên tắc phân loại sẽ được nói đến sau

Hình 2.1 Liên kết liên hợp dầm – cột và dầm – dầm

2.2 PHÂN LOẠI LIÊN KẾT

2.2.1 Theo Độ Cứng Của Liên Kết

- Liên kết liên hợp cứng là mối nối mà biến dạng của nó không

ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố nội lực trong kết cấu và đến biến

dạng tổng thể của kết cấu

- Tính toán mối nối nửa cứng không thể tách rời khỏi tính toán

kết cấu vì sự phân bố nội lực trong kết cấu phụ thuộc vào độ cứng của mối nối

- Đơn giản hóa vấn đề, Eurocode 3 cho phép phân loại mối nối là

cứng hay nửa cứng trên cơ sở so sánh giữa mối quan hệ mômen – góc xoay của mối nối và mối quan hệ mômen – góc xoay của dầm có mối nối đó

Các giới hạn này được đưa ra dưới dạng không đơn vị đo: tỉ số

φ khả năng xoay của mối nối so với một

góc xoay đối chiếu bằng góc xoay giới hạn đàn hồi và hai tiết diện ở hai đầu của dầm có nhịp L b, chịu mômen phân bố đều có giá trị là .

pl Rd

M

Hình 2.2 Các giới hạn phân loại liên kết (kết cấu có

giằng)

2.2.2 Theo Phần Tử Liên Kết

a Liên Kết Dầm – Dầm

- Dầm liên hợp liên tục là dầm liên hợp có ba gối tựa hoặc hơn

nữa, trong đó phần tiết diện thép hoặc là liên tục qua gối trung gian,

hoặc liên kết bằng liên kết bằng liên kết cứng và có khả năng chịu lực hoàn toàn, và điều kiện gối tựa phải đảm bảo để ta giả thiết rằng các gối tựa không truyền mômen uốn đáng kể vào dầm Tại vị trí các gối tựa trung gian, trong sàn bê tông có đặt cốt thép được tính toán

cụ thể hoặc chỉ là cốt thép cấu tạo

Hình 2.3 Liên kết liên hợp dầm – dầm

b Liên Kết Dầm – Cột

Hình 2.4 Liên kết dầm – cột

c Theo độ cứng chống xoay ban đầu của liên kết

Hình thức phân loại liên kết này được thể hiện chi tiết trong hình

vẽ sau:

Hình 2.5 Phân loại liên kết dầm – cột theo dộ cứng chống xoay ban đầu

- Vùng 1: liên kết cứng, nếu , ≥8 b

j ini b

EI L

Tiến hành tính toán theo các bước sau:

- Trong quá trình thi công: chọn tiết diện thép, thiết kế liên kết

chịu lực cắt gây ra do các tác động công trường và các tác động xác định khác

- Trong quá trình sử dụng: thiết kế dầm liên hợp, thiết kế liên kết

chịu uốn mômen âm (hiếm khi gặp mômen dương) Nếu liên kết là gối đơn giản, thì không cần thiết kế liên kết trong quá trình sử dụng nữa

2.3.2 Các Chú Ý Quan Trọng

- Khi tính toán khả năng chịu lực liên kết coi liên kết giữa phần

bê tông sàn và thép là liên kết hoàn toàn

- Cánh tay đòn giữa cốt thép trong sàn và trọng tâm vùng nén của

lên kết đóng vai trò quan trọng vào việc tăng mômen bền của liên kết

- Khả năng chịu lực của liên kết không phải là yếu tố duy nhất

cần xem xét khi thiết kế liên kết còn cần phải đánh giá độ cúng và khả năng xoay của liên kết

2.3.3 Khả Năng Xoay của Liên Kết

- Không vượt quá khả năng xoay của liên kết cảu riêng phần tiết

diện thép;

- Không xảy ra phá hoại trước liên kết trong sàn (trong thực tế

điều này xảy ra nếu liên kết trong sàn là hoàn toàn và nếu neo đảm bảo làm việc dẻo: Su ≥ 6mm, Su – biến dạng trượt của chốt, neo…);

- Không xảy ra phá hoại trước do mất ổn định cục bộ trong vùng

nén (dầm và cột) liên kết (để tránh hiện tượng này ta có thể bố trí sườn gia cường ở bụng cột, nếu cột không được bao bọc hay bao bọc không hoàn toàn bằng bê tông)

2.3.4 Nguyên Lý Tính Toán Liên Kết Liên Hợp

a Phương Pháp Mô Hình Hóa Liên Kết

Hình 2.9 Một số ví dụ mô hình háo liên kết

b Trình Tự Tính Toán

- Tính toán mômen bền của liên kết M j Rd, =F Rd×z

- Tính toán độ cứng xoay của liên kết

i i

E z S

k µ

- Tính Toán Khả Năng Xoay Của Liên Kết =∆ + ∆s sc

u

s h φ

- Độ giãn dài của cốt thép: ∆ =s ε rs.l s, trong đó ε là độ giãn dài rs

lúc phá hoại của cốt thép (ít nhất là 5% với cốt thép dẻo);

2.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LIÊN KẾT CỘT – DẦM SỬ DỤNG BẢN SƯỜN ĐẦU DẦM

2.4.1 Đặc Trưng Cơ Học

Loại phần tử Cường độ

tính toán

Môđun đàn hồi

Hệ số an toàn thành phần

Cốt thép:

1,15

=

s γ

Bê tông:

1,5

=

c γ

Đường hàn:

1, 25

=

Mw γ

Bu lông:

1, 25

=

Mb γ

Với thép hình cán móng: f ywb = f yfc và f ywb = f yfb

2.4.1 Cấu tạo hình học

Hình 2.10 Liên kết liên

hợp dầm – cột

Hình 2.11 Cốt thép

sàn tham gia làm việc

với liên kết liên hợp

Tiết diện không bọc (chèn) bê tông

Hình 2.13 Kích thước cột không bọc bê tông

Tiết diện bọc (chèn) bê tông

- Hai nhịp của dầm liên tục, nhịp dài không vượt quá 50% nhịp

ngắn; chiều dài nhịp biên không vượt quá 15% nhịp cạnh bên

Hình 2.15 điều kiện chiều dài các nhịp (phân tích cứng – dẻo)

Ta khảo sát một ví dụ đối với nhịp biên của một dầm liên tục, chịu tác dụng của tải trọng phân bố điều với giá trị tính toán Pd, biểu

đồ moment uốn khi phá hoại dẻo như trên

Hình 2.16 Khớp dẻo và phân phối lại moment ở nhịp biên

2.5.2 Phân tích đàn hồi

Một trong các ưu điểm của phân tích đàn hồi là có thể sử dụng

cho tất cả các dầm liên tục, không phụ thuộc vào các loại tiết diện

Hình 2.17 Phương pháp phân tích đàn hồi

- Tên thành phần cơ bản đưa và tính toán

- Tính toán độ cứng quy đổi của thành phần tương ứng

- Tính toán độ bền của thành phần đó

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN LIÊN KẾT CỘT – DẦM

3.1 KHI SỬ DỤNG TIẾT DIỆN DẦM IPE200

Khi giả sử hàm lượng cốt thép âm chiếm 0.2% diện tích bê tông bản sàn

2

A =0.2%A =0.002 * 675=1.35cmTính moment bền khi tính đến biến dạng dẻo

Diện tích thực của bulong : As,b= 153.86mm2= 1.54cm2

Khả năng bền đứt của bulong : fub= 8000daN/cm2

Moment của mối nối

Moment bền khi tính đến biến dạng dẻo

Sức bền của cốt thép

s sk s

Rd

*1.6

200 * 29 *104

Hình 3.4 Biểu đồ moment và lực cắt của dầm

Bước chốt trong đoạn BC là BC BC

N

s 23.898 5.648 6

1 s

112387.4175

s s.t sc

k

2.1*1 0.044 0.548112387.417

0 *

E * k

11

E z 2.1*10 * 28.12S

MS

φ ≥

c b

Bảng tổng hợp kết quả dầm IPE200

μ% As

cm 2

B t,Rd daN

3.2 KHI SỬ DỤNG TIẾT DIỆN DẦM IPE220

3.3 KHI SỬ DỤNG TIẾT DIỆN DẦM IPE270

3.4 KHI SỬ DỤNG TIẾT DIỆN DẦM IPE300

0.01267 0.01460 0.01772 0.02038

0.01969 0.01974 0.02724 0.03193

0.02627 0.02924 0.03451 0.04620

0.03296 0.03564 0.04352 0.05735

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN

Qua sự nghiên cứu tính toán của liên kết liên hợp có thể thấy rõ vai trò của cốt thép trong bản sàn liên hợp đối với liên kết liên hợp Cốt thép làm tăng khả năng làm việc của liên kết về chịu uốn cũng như khả năng chống xoay của liên kết

Do khuôn khổ giới hạn của luận văn nên học viên chỉ có thể giới thiêu những nội dung cơ bản nhất trong việc tính toán liên kết liên hợp với các dạng liên kết hay sử dụng nhất, trong những trường hợp khác có thể xây dựng các bước tính toán tương tự với sự thõa mãn một số yêu cầu sau:

- Bản sườn đầu dầm bằng mặt, chỉ xét bulông trên cùng chịu kéo

- Bulông thuộc grade Mác 8.8 hoặc 10.9

- Chỉ xét bản sàn có một lớp cốt thép

- Tiết diện cột không bọc bê tông

KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA ĐỀ TÀI

- Phần thiết lập cho bài toán liên kết có sử dụng bản sườn đầu

dầm với bulông tham gia chịu kéo, mới chỉ ở mức độ sơ bộ, chưa tính toán được nhiều cho bài toán khác, chưa áp dụng được cho nhiều trường hợp làm việc khác nhau Tuy nhiên nội dung chưa tính toán chưa mang tính chất mở, có thể áp dụng cho nhiều số liệu, nhiều trường hợp liên kết khác nhau để người thiết kế có thể tham gia và sử dụng