So sánh khả năng ổn định tổng thể của cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo ec3 và ec4

SO SÁNH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4 Học viên: Bùi Minh Đạo Chuyên ngành: Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 110160030 Khóa: K32

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI MINH ĐẠO

SO SÁNH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

THEO EC3 VÀ EC4

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI MINH ĐẠO

SO SÁNH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

THEO EC3 VÀ EC4

Chuyên ngành : Xây dựng Công trình DD&CN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: GS TS PHẠM VĂN HỘI

Đà Nẵng - Năm 2018

Tôi xin cam đoan đề tài: “So sánh khả năng ổn định tổng thể của cột thép và cột

liên hợp thép bê tông theo EC3 và EC4” là của riêng tôi, do tôi trực tiếp làm dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo GS.TS Phạm Văn Hội

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không sao chép, trùng lặp với các luận văn đã được bảo vệ

Tác giả

Bùi Minh Đạo

SO SÁNH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA CỘT THÉP VÀ

CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4

Học viên: Bùi Minh Đạo

Chuyên ngành: Xây dựng Công trình DD&CN

Mã số: 110160030 Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông đang là xu hướng phát triển

trong xây dựng hiện nay vì có nhiều ưu điểm hơn các loại kết cấu khác, trong điều kiện Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thiết kế riêng về kết cấu liên hợp thép bê tông thì việc tính toán đều dựa trên tiêu chuẩn nước ngoài, trong luận văn tác giả tính toán dựa trên tiêu chuẩn EURO CODE 3 và EURO CODE 4 là hai tiêu chuẩn thiết kế về kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông Tuy nhiên kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông là hai loại kết cấu khác nhau về vật liệu, để so sánh hai kết cấu này thì ta phải đưa về cùng một loại vật liệu dựa trên Mô đun dàn hồi của chúng Từ đó tính toán so sánh nhằm lựa chọn phương án toán ưu về phương diện kinh tế và khả năng chịu lực dựa trên khả năng ổn định tổng thể Tác giả đã trình bày cơ sở lý thuyết, trình tự tính toán và kết quả đạt được sau đó đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa – So sánh cột thép và cột liên hợp theo tiêu chuẩn Châu Âu; Khả năng ổn

định tổng thể của cột thép theo EC3;

COMPATIBILITY OF TOTAL STABILITY OF STEEL AND

CONCENTRATE STEEL JOINTS BY EC3 AND EC4

Abstract – Steel structure and reinfoced concrete structure is a trend in construction

today because if has move advantages than other types of construction in the condition that Vietnam has not issued the standard design of composite steel composite structure the calculation is based on foreign standards in the author's treatise calculated based on EC3 and EC4 are two criteria standard design of steel structure and composite stell structure However the stell structure and composite concrete structure are two different types of materials, to compare these two structures form that caculation to compare the choise of mathe matical advantage in ferms of economic and bearing capacity

The author presents the theoretical foundations, compatation sequences and the results obtained an then present the following development directions

Key words – Comparing steel columns and steel standard columns according to European standard - The

overall stability of steel cotinous according to EC3 standard EC4

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Tóm tắt luận văn

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP, KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG VÀ ỔN ĐỊNH KẾT CẤU 3

1.1 Tổng quan về kết cấu thép 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Ưu nhược điểm 3

1.1.2.1 Ưu điểm 3

1.1.2.2 Nhược điểm 4

1.1.3 Phạm vi ứng dụng 4

1.1.4 Vật liệu và phôi chế tạo 6

1.1.4.1 Phân loại thép xây dựng 6

1.1.4.2 Cấu trúc và thành phần hóa học của thép 8

1.2 Tổng quan về kết cấu liên hợp thép bê tông 9

1.2.1 Khái niệm 9

1.2.2 Ưu nhược điểm 11

1.2.2.1 Ưu điểm 11

1.2.2.2 Nhược điểm 13

1.2.3 So sánh kết cấu liên hợp thép bê tông với các loai kết cấu khác 13

1.3 Khái niệm về ổn định kết cấu 15

1.3.1 Khái niệm chung 15

1.3.2 Các dạng mất ổn định 15

1.3.2.1 Hiện tượng mất ổn định vị trí 16

1.3.2.2 Hiện tượng mất ổn định về dạng cân bằng trong trạng thái biến dạng 16

1.3.3.2 Tiêu chí dưới dạng năng lượng 17

1.3.3.3 Tiêu chí dưới dạng động lực học 17

1.3.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định 17

1.3.4.1 Các phương pháp tĩnh học 17

1.3.4.2 Các phương pháp năng lượng 18

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 18

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4 19

2.1 Khái quát về tiêu chuẩn eurocodes 19

2.2 Tính toán cột thép chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo EC3 24

2.2.1 Phân lớp tiết diện 24

2.2.2 Tính toán độ bền 27

2.2.2.1 Những quy định chung 27

2.2.2.2 Đặc trưng của tiết diện 27

2.2.2.3 Cấu kiện chịu nén 28

2.2.2.4 Cấu kiện chịu mômen 28

2.2.2.5 Cấu kiện chịu cắt 29

2.2.2.6 Cấu kiện nén uốn 29

2.2.3 Tính toán ổn định của cấu kiện theo EN 1993-1-1:2005 30

2.2.3.1 Cấu kiện tiết diện không đổi chịu nén 30

2.2.3.2 Cấu kiện tiết diện không đổi chịu uốn 33

2.2.3.3 Cấu kiện tiết diện không đổi chịu nén uốn 39

2.3 Tính toán cột liên hợp thép bê tông chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo EC4 41

2.3.1 Tính toán cột LHTBT chịu nén đúng tâm 41

2.3.1.1 Sức kháng của cột LHTBT chịu nén đúng tâm 41

2.3.1.2 Tính toán cột LHTBT theo điều kiện ổn định 43

2.3.2 Tính toán cột LHTBT chịu nén lệch tâm (nén - uốn) 46

2.3.2.1 Sức kháng của cột LHTBT chịu nén và chịu uốn theo một phương 46

2.3.2.2 Vị trí trục trung hòa của một số dạng tiết diện 47

2.3.2.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng bậc hai 50

2.3.2.4 Ảnh hưởng của lực cắt 51

2.3.2.5 Tính toán cột LHTBT chịu nén và chịu uốn theo một phương 52

2.3.2.6 Sức kháng của cột LHTBT chịu nén và chịu uốn theo hai phương 53

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 55

3.1 Chọn kích thươc hình học cho tiết diện cột thép và cột liên hợp thép bê tông 56

3.1.1 Chọn tiết diện cột thép 56

3.1.2 Chọn tiết diện cột liên hợp thép bê tông 56

3.1.3 Quy đổi tiết diện 58

3.2 Ví dụ 1 so sánh khả năng chịu nén đúng tâm của cột thép và cột liên hợp thép bê tông 58

3.2.1 Cột thép 58

3.2.2 Cột liên hợp 60

3.2.3 Lập biểu đồ so sánh 64

3.3 Ví dụ 2 so sánh khả năng chịu nén lệch tâm của cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo phương trục chính 65

3.3.1 Cột thép 65

3.3.2 Cột liên hợp 66

3.3.3 Lập biểu đồ so sánh 70

3.4 So sánh về kinh tế 71

3.4.1 Dự toán chi phí thi công cột thép 72

3.4.2 Dự toán chi phí thi công cột liên hợp 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

Các ký hiệu chính

A - Diện tích tiết diện nguyên C -

Hệ số - với giá trị cố định E - Môđun

MRd - Giá trị tính toán của momen bền của tiết diện khi uốn

M sd - Giá trị tính toán của momen ngoại lực

N - Lực dọc

Q - Hoạt tải

VRd - Sức bền chịu cắt tính toán của tiết diện

Sd - Nội lực tính toán do tải trọng gây ra

V - Lực cắt

W - Mômen kháng uốn

e - Độ lệch tâm

f - Cường độ của vật liệu

f ck - Cường độ đặc trưng khi nén của bê tông

fsk - Giới hạn đàn hồi đặc trưng khi kéo của thép thanh

fy - Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi khi kéo của thép kết cấu

h - Chiều cao

i - Bán kính quán tính

t - Chiều dày

y - Trục khỏe của tiết diện ngang

z - Trục yếu của tiết diện ngang

Chữ viết tắt

LHTBT: - Liên hợp thép bê tông

EC3: - Eurocode 3

EC4: - Eurocode 4

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả

năng chịu lực như nhau (EUROCODE) 14

Bảng 1.2 So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau (EUROCODE) 14

Bảng 1.3 So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng một nhịp 15

Bảng 1.4 So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng ba nhịp 15

Bảng 1.5 So sánh trọng lượng thép dầm sàn 15

Bảng 2.1 Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén 25

Bảng 2.2 Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén 26

Bảng 2.3 Hệ số không hoàn chỉnh đối với các dạng đường cong 31

Bảng 2.4 Chọn đường cong oằn cho tiết diện 32

Bảng 2.5 Hệ số không hoàn chỉnh đối với các dạng đường cong oằn bên kèm xoắn 35

Bảng 2.6a Giới thiệu về các loại đường cong oằn 35

Bảng 2.6 Giá trị các hệ số C1, C2 và C3 37

Bảng 2.7 Gới thiệu về các loại đường cong oằn 38

Bảng 2.8 Hệ số điều chỉnh kc 39

Bảng 2.9 Giá trị NRk = fy Ai, Mi,Rk = fi Wi và ΔWi,Ed 40

Bảng 2.10 Hệ số tương tác kij cho cấu kiện không chịu biến dạng xoắn 40

Bảng 2.11 Hệ số tương tác kij cho cấu kiện chịu biến dạng xoắn 40

Bảng 2.12 Hệ số khuyết tậc đối với các đường cong uốn dọc 44

Bảng 2.13 Các loại tiết diện cột và đường cong uốn dọc tương ứng 45

Bảng 3.1 Bảng dự toán chi phí thi công cột thép 71

Bảng 3.2 Bảng dự toán chi phí thi công cột thép 72

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Dự án tái định cư Phường 11 - Quận 6 - Thành phố HCM 6

Hình 1.2 Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tông 9

Hình 1.3 Tòa nhà Diamond Plaza, TP HCM 10

Hình 1.4 Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ 11

Hình 2.1 Bản bụng tính toán loại 2 27

Hình 2.2 Giá trị hệ số giảm đối với hệ số độ mảnh tương đương  32

Hình 2.3 Hiện tượng kiềm chế bê tông 42

Hình 2.4 Đường cong tương tác M-N 46

Hình 2.5 Sự phân bố ứng suất tương ứng đường cong tương tác 46

Hình 2.6 Sự phân bố mô men dọc theo trục cột 51

Hình 2.7 Phương pháp tính toán cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phương 52

Hình 2.8 Cách xác định χn 53

Hình 3.1 Tiết diện cột thép 56

Hình 3.2 Tiết diện cột liên hợp thép bê tông 57

Hình 3.3 Biểu đồ so sánh khả năng chịu nén đúng tâm theo phương yy 64

Hình 3.4 Biểu đồ so sánh khả năng chịu nén đúng tâm theo phương zz 64

Hình 3.5 Đường cong tương tác M-N theo phương trục chính yy 69

Hình 3.6 Biểu đồ so sánh khả năng chịu nén lệch tâm 70

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nhu cầu xây dựng nhà cao tầng, nhà siêu cao tầng cũng như nhà có khung nhịp lớn đã và đang phát triển mạnh để phần nào đáp ứng được nhu cầu phát triển cơ

sở vật chất của đất nước, đặc biệt ở các khu đô thị lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng thì vấn đề này càng thể hiện rõ hơn

Khi công trình sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì

có thể đòi hỏi kích thước các cấu kiện rất lớn, nặng, dẫn đến tốn kém, khó khăn trong thi công, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu thép và kết cấu thép liên hợp thép bê tông đã được đưa vào vận dụng rộng rãi ở nước ta cung như trên toàn thế giới

Mục đích của giải pháp này là tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu thép và kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực và

độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy

Qui chuẩn Việt Nam cho phép áp dụng 7 Tiêu chuẩn thiết kế của nước ngoài để thiết kế các công trình xây dựng tại Việt Nam, trong đó có Tiêu chuẩn Eurocode Ngoài

ra rất nhiều công ty nước ngoài sử dụng Tiêu Chuẩn Mỹ, Úc, Nhật, Eurocode để thiết

kế các công trình của họ tại Việt Nam Trước tình hình trên việc tìm hiểu các Tiêu chuẩn trong đó có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép và kết cấu thép liên hợp theo tiêu chuẩn Eurocode là điều cần thiết

Trong điều kiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế riêng về kết cấu liên hợp thép bê tông thì đề tài: “So sánh khả năng ổn định tổng thể của cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo EC3 và EC4” là cần thiết và có ý nghĩa khoa học thực tiển nhằm tính toán chọn ra phương án tối ưu

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Luận văn nghiên cứu tìm hiểu sự làm việc, cơ sở khoa học tính toán và kiểm tra

ổn định tổng thể của cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bê tông, dưới tác dụng của lực nén đúng tâm và lực nén lệch tâm, áp dụng cụ thể trên cấu kiện cột với các thông

số hình học và vật liệu khác nhau;

- Kết quả nghiên cứu s nhằm so sánh khả năng ổn định tổng thể của cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bê tông, làm rõ sự làm việc khi chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm của cột, làm rõ và áp dụng phương pháp tính toán kiểm tra cột theo EC3 và EC4;

- So sánh khả năng ổn định tổng thể của của cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bêtông khi chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm theo tiêu chí trọng lượng vật liệu nhỏ

nhất, chi phí gia công thấp nhất mà vẫn đảm bảo hiệu quả về mặt kết cấu Từ đó, đề xuất phương án lựa chọn cấu kiện cột cho từng trường hợp cụ thể

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Cấu kiện cột thép

- Cấu kiện cột liên hợp thép bêtông;

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bêtông có gối tựa trung gian

- Cấu kiện cột thép có tiết diện chữ I và cột liên hợp thép bêtông có tiết diện chữ nhật

4 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa trên cơ sở lý thuyết về kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông, áp dụng cho việc so sánh hai cấu kiện cột thép và cột thép liên hợp dưới tác dụng của lực nén đúng tâm và lệch tâm theo tiêu chuẩn EC3 và EC4;

- Áp dụng tính toán minh họa bằng các ví dụ số từ đó tổng hợp so sánh phân tích

và đánh giá kết quả

5 Bố cục luận văn

A MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Bố cục luận văn

Gồm mở đầu, nội dung chính và kết luận.Nội dung chính 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về kết cấu thép, kết cấu liên hợp thép bê tông và ổn định kết cấu

Chương 2: Cơ sở tính toán cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn EC3 và EC4

Chương 3: Ví dụ tính toán

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP, KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP

BÊ TÔNG VÀ ỔN ĐỊNH KẾT CẤU

Khác với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống sử dụng cốt thép chịu kéo kết hợp với bê tông chịu nén cấu tạo lên các cấu kiện chịu lực chính của công trình Kết cấu thép sử dụng hoàn toàn thép làm kết cấu chịu lực (cột thép, dầm thép hình) Tùy vào từng dạng công trình, yêu cầu không gian, tải trọng mà sử dụng những hệ kết cấu phù hợp

1.1.2 Ưu nhược điểm

- Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp Do trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn nên việc vận chuyển và lắp ráp kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng Kết cấu thép dễ sửa chữa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển Điều kiện này đặc biệt quan trọng khi cần cải tạo các cơ sở sản xuất cho phù hợp với dây chuyền công nghệ mới, các công trình di chuyển khi cần thiết, hoặc dễ khôi phục, sửa chữa như: cầu, nhà máy… đã bị hư hỏng, xuống cấp

- Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn do vật liệu thép có cường độ lớn, lớn nhất trong các loại vật liệu xây dựng, có độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép

gần sát với giả thiết tính toán

- Trọng lượng nhẹ Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chịu lực như: Bê tông cốt thép, gạch, đá, gỗ

- Tính kín Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín không thấm nước, không thấm khí

- Bị ăn mòn Trong môi trường không khí ẩm, nhất là môi trường xâm thực, thép

bị gỉ, từ gỉ bề mặt cho đến phá hoại hoàn toàn có thể chỉ sau vài năm Bởi vậy cần phải bảo vệ, chống ăn mòn cho thép nhất là ở những nơi ẩm ướt, có hàm lượng các chất ăn mòn cao Tùy mức độ ăn mòn mà sử dụng các lớp bảo vệ khác nhau cho thép: Sơn thông thường, sơn tĩnh điện, mạ k m, mạ crôm… Chi phí bảo dưỡng kết cấu thép là khá cao

1.1.3 Phạm vi ứng dụng

Do có các đặc điểm trên, kết cấu thép thích hợp với những công trình lớn (Nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trọng nặng), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nước hoặc khí Phạm vi ứng dụng của kết cấu thép rất rộng, có thể chia làm các loại công trình sau:

- Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt các kiểu nhà dạng tháp ở các thành phố khi nhà trên 20 – 30 tầng nội lực trong cột s rất lớn, yêu cầu độ cứng cao, dùng khung thép s

có lợi hơn khung bê tông cốt thép Với các nhà siêu cao tầng thì kết cấu thép chịu lực chính là duy nhất Hiện nay đối với nhà cao tầng thường dùng kết cấu liên hợp thép bê tông (cột thép hình bọc hoặc nhồi bê tông cùng chịu lực, sàn liên hợp dầm thép cùng làm việc với bản sàn bê tông), loại kết cấu này có nhiều ưu điểm khi chịu lực và có khả năng chống cháy tốt

- Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp được làm toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cầu trục nặng, hoặc có thể là hỗn hợp bê tông cốt thép, dàn và dầm thép

- Các loại kết cấu di động như cần trục, cửa van, gương ăngten parabol… cần trọng lượng nhẹ để có thể di chuyển nâng cất thật dễ dàng

Ngày nay kết cấu thép còn được ứng dụng trong công trình của một số ngành công nghiệp hiện đại như dàn khaon dầu trên biển, kết cấu lò phản ứng hạt nhân…

- Nhà nhịp lớn, là những loại nhà do yêu cầu sử dụng cần phải có nhịp khá lớn trên 30 – 40 mét, như nhà biểu diễn ca nhạc, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay, cung hội nghị… dùng kết cấu thép là hợp lý nhất Có những trường hợp nhịp đặc biệt lớn, ví dụ trên 100 mét thì kết cấu thép là duy nhất áp dụng được Có thể giảm trọng lượng kết cấu chịu lực nhà nhịp lớn nhờ dùng thép cường độ cao hoặc sử dụng ứng suất trước

- Cầu đường bộ, cầu đường sắt, làm bằng thép khi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh Cầu treo bằng thép có thể vượt được nhịp rất lớn, trên 100 mét

- Kết cấu tháp cao, như các loại cột điện, cột ăngten tháp trắc đạc, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt như tháp khoan dầu Sử dụng dụng ở đây có lợi vì kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp dựng

- Kết cấu bản, như các loại bể chứa dầu, bể chứa khí, các thiết bị của lò cao, của nhà máy hóa chất, các nhà máy lọc dầu Đây là phạm vi ứng dụng đặc biệt có lợi, nhiều khi là duy nhất của kết cấu thép, vì tính kín, chống thấm của kết cấu thép, vì khả năng làm việc trong những điều kiện bất lợi về nhiệt độ và áp suất

Nói chung, đối với nhiều nước trên thế giới, thép là vật liệu quý và hiếm, vì thép cần dùng cho mọi ngành của nền kinh tế quốc dân Do đó trong những trường hợp có thể, người ta vẫn tìm cách thay thế bằng những vật liệu khác như bê tông cốt thép, gỗ dán

Ở nước ta, phần lớn thép xây dựng là phải nhập ngoại nên việc sử dụng kết cấu thép hay bằng vật liệu khác lại càng phải cân nhắc, so sánh trong từng trường hợp cụ thể

Xét riêng về mặt giá vật liệu thì kết cấu thép đắt hơn kết cấu bê tông cốt thép khoảng ba lần: Một đơn vị thể tích thép đắt hơn một đơn vị bê tông khoảng 70 lần, trong khi cường độ thép cao hơn bê tông khoảng hơn 20 lần Tuy nhiên, nếu xét toàn diện giá thành xây dựng, kể cả hiệu quả kinh tế của việc thi công nhanh thì nhiều trường hợp dùng kết cấu thép có lợi hơn ngay cả những công trình nhỏ Các tiêu chuẩn thiết kế của nước ta chưa có quy định cụ thể về việc sử dụng thép trong kết cấu xây dựng; việc chọn dùng vật liệu nào là do người thiết kế và thi công quyết định trong từng trường hợp trên cơ sở so sánh toàn diện các phương án thiết kế

Một số hình ảnh công trình sử dụng kết cấu thép tại Việt Nam

Hình 1.1 Dự án tái định cư Phường 11 - Quận 6 - Thành phố HCM

1.1.4 Vật liệu và phôi chế tạo

1.1.4.1 Phân loại thép xây dựng

Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe) và cacbon (C), ngoài ra còn một số các chất khác có tỷ lệ không đáng kể, như oxy (O), phôtpho (P), silic (Si), Từ quặng sắt, thành phần chính là sắt oxyt (Fe2O3, Fe3O4) người ta luyện trong lò cao được gang là hợp kim Fe và C, trong đó lượng C chiếm trên 1,7% Qua lò luyện thép để khử bớt C trong gang, người ta thu được thép Có rất nhiều loại thép khác nhau do thành phần hóa học, do phương pháp luyện, phương pháp rót Dưới đây ta chỉ nêu một số phương pháp chính đối với thép dùng trong xây dựng

a Theo thành phần hóa học của thép

Thép được chia ra các loại sau:

- Thép cacbon, với lượng cacbon dưới 1,7%, không có các thành phần hợp kim khác Tùy theo hàm lượng cacbon, lại chia ra: thép cacbon cao, thép cacbon vừa, thép

cacbon thấp Thép xây dựng là loại thép cacbon thấp, với hàm lượng cacbon dưới 0,22%, đó là loại thép mềm, dẻo, dễ hàn Thép cacbon vừa và cao là loại thép sử dụng trong các ngành công nghiệp khác

- Thép hợp kim, có thêm thành phần kim loại khác như crôm (Cr), kền (Ni), mangan (Mn), … nhằm nâng cao chất lượng thép như tăng độ bền, tăng độ chống gỉ Thép hợp kim thấp là thép có tỷ lệ của tổng các nguyên tố phụ thêm dưới 2,5%, đây là loại thép được dùng trong xây dựng Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không dùng làm kết cấu xây dựng

b Theo phương pháp luyện thép

Luyện thép từ gang là nhằm khử bớt cacbon và các chất phụ khác trong gang để đưa về hàm lượng yêu cầu đối với thép Có hai phương pháp luyện chính: bằng lò quay và bằng lò bằng

- Luyện bằng lò quay Lò quay là một cái bầu, quay xung quanh một trục nằm

ngang Không khí được thổi qua đáy vào nước gang lỏng để oxy hóa các hợp chất cần khử của gang (C, Si, Mn, P) Tùy theo thành phần của quặng làm gang mà có ít hay nhiều phôtpho, mà cấu tạo lò quay khác nhau: lò Bessmer – Lớp lót lò gạch silic, có tính axit; lò Thomas – lớp lót lò đôlômit có tính kiềm, nên có thể dùng vôi để khử phôtpho của gang

Luyện bằng lò quay có năng suất cao, thời gian luyện mỗi mẻ chỉ chừng 30 phút, nhưng chất lượng thép không tốt vì nitơ của không khí hòa tan trong thép thành những bọt khí làm thép giòn Ngoài ra không thể khử hết hoàn toàn phôtpho là thành phần có hại làm cho thép bị già

Phương pháp luyện bằng lò quay tiên tiến mới được áp dụng trong mấy chục năm gần đây là lò thổi oxy Oxy nguyên chất được thổi với áp lực cao từ trên xuống Ngoài ra có thể trộn thêm bột vôi để khử phôtpho trong gang Thép được sản xuất theo phương pháp này có chất lượng tốt tương đương như thép lò bằng, nhưng rẻ hơn nhiều

vì năng suất cao, thời gian luyện nhanh (40 đến 50 phút) nên ngày càng được sử dụng nhiều Thực tế hiện nay, các lò Bessmer và lò Thomas hầu như không được dùng nữa

- Luyện bằng lò bằng (lò Martin) Trong lò bằng, nước gang lỏng được trộn lẫn

với thép vụn và được đốt nóng bằng khí đốt (hoặc bằng điện trong lò điện) Các chất của gang được oxy hóa bằng các sắt oxyt trong thép vụn Thời gian luyện một mẻ từ 8 đến 12 giờ, do luyện lâu nên năng suất thấp, giá thành thép cao Nhưng thép có chất lượng tốt cấu trúc thuần nhất và thành phần thép có thể điều chỉnh được trong quá trình luyện

Với các phương pháp sản xuất hiện nay, không cần phân biệt thép lò bằng hay thép lò quay thổi oxy, hai loại thép này coi như có chất lượng tương đương

c Theo mức độ khử oxy

Thép lỏng từ lò luyện được rót vào các khuôn và để nguội cho kết tinh lại Tùy theo phương pháp để lắng nguội, chia ra các loại sau:

- Thép sôi: Thép khi nguội, bốc ra nhiều bọt khí oxy, cacbon oxyt (nên trông như

sôi); các bọt khí tạo thành những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép, khiến thép sôi có chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại giòn và bị lão hóa

- Thép tĩnh (thép lặng): Thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc ra cuồn

cuộn như thép sôi, do đã được thêm những chất khử oxy như silic, nhôm, măngan Những chất này khử hết oxy có hại và những tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt Phần xỉ này được loại bỏ đi, thép còn lại trở nên đồng nhất, chịu lực động tốt, khó bị phá hoại giòn Thép tĩnh đắt hơn thép sôi, được dùng trong những công trình quan trọng hoặc chịu tải trọng động

- Thép nửa tĩnh (nửa lặng): Là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi, trong đó oxy

không được khử hoàn toàn Về chất lượng thép cũng như về giá thành thì thép nửa tĩnh

là trung gian giữa hai loại thép trên

1.1.4.2 Cấu trúc và thành phần hóa học của thép

(2) Xenmentit là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), rất cứng và giòn

Ở thép cacbon thấp, xenmentit hỗn hợp với ferit thành peclit, là lớp mỏng màu thẫm nằm giữa các hạt ferit Cường độ peclit là trung gian giữa xenmentit và ferit Các lớp peclit bao quanh các hạt ferit mềm dèo như một màng đàn hồi, quyết định sự làm việc dưới tải trọng và các tính chất dẻo của thép Thép càng nhiều cacbon thì màng peclit càng dày và thép càng cứng, kém dẻo

- Silic (Si) là chất khử oxy nên cũng được cho thêm vào đối với thép tĩnh Silic làm tăng cường độ của thép nhưng làm giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn, cho nên hàm lượng cũng cần hạn chế

Những hợp chất sau đây có hại, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng thép:

- Phôtpho (P), làm giảm tính dẻo và độ dai va chạm của thép, đồng thời làm thép trở nên giòn nguội (giòn ở nhiệt độ thấp)

- Lưu huỳnh (S), làm cho thép giòn nóng (giòn ở nhiệt độ cao), nên dễ bị nứt khi hàn và rèn

- Các khí nitơ (N), oxy (O2), trong không khí hòa tan vào kim loại lỏng và không được khử hết, làm cho thép bị giòn, làm giảm cường độ thép Do đó cần phải khử hết các khí này, và ngăn không cho kim loại lỏng tiếp xúc với không khí

1.2 Tổng quan về kết cấu liên hợp thép bê tông

1.2.1 Khái niệm

Kết cấu liên hợp thép và bê tông (composite steel and concrete structures) là bộ phận kết cấu được chế tạo từ 2 thành phần bê tông và thép kết cấu, được liên kết với nhau bằng các liên kết chống cắt nhằm hạn chế sự trượt dọc giữa 2 vật liệu cũng như hạn chế sự phân tách giữa 2 thành phần

Hình 1.2 Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tông

a, b) Kết cấu thép nhồi bê tông;

c, d, g) Kết cấu thép vừa bọc vừa nhồi bê tông;

h, i, k) Kết cấu thép bọc bê tông;

e, f, l, m) Thép bản và bê tông liên kết với nhau

Trên thế giới, các công trình xây dựng đã áp dụng rộng rãi dạng kết cấu liên hợp thép-bê tông Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã đưa và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp, ví dụ

- Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings

- AS 2327.1-2003: Composite structures - Part 1: Simply supported beams

- AS 5100.6-2004 - Bridge design - Steel and composite construction

- AISC (2000) Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges American Institute of Steel Construction, Inc Chicago, IL

- American National standards institute/ steel deck institute - C - 2011 Standard for Composite Steel Floor Deck – Slabs

- …

Tại Việt Nam, kết cấu liên hợp cũng được sử dụng từ lâu trong các công trình dân dụng Trước 1975, khu chung cư Nguyễn Kim được thiết kế và xây dựng bằng hình thức kết cấu này Vài năm trước đây, cao ốc Diamond Plaza là công trình cao tầng rất nổi tiếng tại Tp Hồ Chí Minh cũng được xây dựng hoàn chỉnh bằng kết cấu liên hợp thép bê tông Gần đây, công trình Bitexco Financial Tower cũng áp dụng dạng kết cấu khung, cột, sàn liên hợp thép - bê tông cho khối đế (podium) Bitexco Financial Tower hiện đang giữ kỉ lục là tòa nhà cao nhất Thành phố Hồ Chí Minh Một số hình ảnh công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông:

Hình 1.3 Tòa nhà Diamond Plaza, TP HCM

Hình 1.4 Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ

1.2.2 Ưu nhược điểm

lớn có khả năng vượt nhịp lớn, giảm độ võng, giảm chiều cao tiết diện) và lắp đặt nhanh trong thi công

Lợi ích tỷ số nhịp và chiều cao (l/h=35) thể hiện:

- Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao toàn bộ công trình và tiết kiệm được diện tích bao che

- Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao dẫn đến tạo ra những không gian rộng lớn, giảm số lượng cột trong mặt bằng

- Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao Kết cấu liên hợp được lắp đặt dễ dàng và nhanh hơn nên:

- Tiết kiệm chi phí thi công, thời gian hoàn thành công trình sớm

- Đưa công tình vào sử dụng dần đến thu hồi vốn nhanh hơn

c Về khả năng chịu nhiệt

Các công trình kết cấu thép cổ điển tốn rất nhiều chi phí để bảo vệ thép kết cấu dưới tác dụng nhiệt của lửa Các kết cấu hiện đại và kết cấu liên hợp có thể chịu lửa bằng cách kết hợp với bê tông cốt thép, bê tông s bảo vệ thép do bê tông có khối lượng lớn và dẫn nhiệt kém

Các dầm và cột thép s được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong thép mà còn tăng khả năng chịu lực, tăng độ ổn định của cấu kiện

- Tốc độ thi công nhanh, đơn giản: Thép tấm có trọng lượng nhẹ thuận lợi vận chuyển và cât giữ ở công trường Một xe có thể vận chuyển 1500m2 thép tấm làm sàn, một đội có thể lắp đặt 400m2 thép tấm trong ngày

- Chất lượng cấu kiện: các cấu kiện bằng thép được chế tạo tại nhà máy dưởi sự quản lí nghiêm ngặt, giảm thiểu được các yếu tố phát sinh, tăng độ chính xác cao Thi công, xây lắp một công trình kết cấu liên hợp thép – bê tông rất nhanh và kinh tế chia ra thành các quá trình sau:

- Đầu kiên khung thép có giằng hoặc không giằng s được lắp dựng, nếu các ống thép được lắp vào trong kết cấu thì các lồng cốt thép đã được lắp đặt cố định ở xường sản xuất

- Các chi tiết truyền lực giữa bê tông và cốt thép như bracket, tấm thép đệm, neo chống trượt đã được chuẩn bị tại công xưởng để tăng tốc độ xây lắp và phải được lên

kế hoạch chi tiết.Sau khi lắp đặt các cột xong, các dầm thép s được lắp vào giữa các cột (có thể chỉ gác lên các cột)

- Sàn bê tông đúc sẵn hoặc tấm thép tôn để làm sàn được gác lên phục vụ như sàn công tác, tấm coppha

- Cuối cùng đúc bê tông sàn và cột cùng một lúc Sau khi bê tông đông cứng, độ cứng và khả năng chịu lực của cột và dầm s tăng lên, liên kết s tự động chuyển sang liên kết nửa cứng

1.2.2.2 Nhược điểm

Ngoài những ưu điểm kể trên thì kết cấu liên hợp thép bê tông còn có một số nhược điểm sau:

- Kết cấu liên hợp thép bê tông đòi hỏi sự làm việc gắn kết giữa hai loại vật liệu

bê tông và cốt thép Chính vì thế việc tính toán và thi công phức tạp hơn, đòi hỏi thời gian nhiều hơn

- Chi phí gia công và chế tạo các liên kết cũng tăng lên

1.2.3 So sánh kết cấu liên hợp thép bê tông với các loai kết cấu khác

Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn nhiều so với kết cấu không liên hợp Điều này thể hiện rõ qua kết quả so sánh thể hiện ở bảng

1.1 và bảng 1.2 Bảng tổng hợp này là tham khảo từ giáo trình thuộc chương trình châu Âu về chuyển giao kỹ thuật ở Việt Nam

Kết cấu liên hợp thép bê tông 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 liên hợp lớn hơn , nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì rất

có thể công trình s rẻ hơn

Để có thể so sánh định lượng, tác giả P R Knowles đã lập bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà 5 tầng một nhịp thiết kế ở hai giai

đoạn đàn hồi và dẻo cho hai loại khung : Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép bê tông (bảng 1.3)

Bảng 1.4 là bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành toàn bộ cho khung sáu tầng ba nhịp được thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và đàn dẻo cho hai loại khung : Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép bê tông

Bảng 1.5 là bảng so sánh chi phí thép cho dầm khung của nhà khi thiết kế bằng thép, bằng liên hợp thép – bê tông và bằng liên hợp thép bê tông có dùng biện pháp thi công tạo ứng lực trước trong dầm thép

Bảng 1.1 So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả năng

chịu lực như nhau (EUROCODE)

Dầm liên hợp Dầm thép không có liên kết cắt

Bảng 1.2 So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép

thường khi khả năng chịu lực như nhau (EUROCODE)

Cột

Dầm

Bảng 1.3 So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng

Bảng 1.4 So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng ba

Dầm liên hợp, có chống tạm khi thi công 73

Dầm liên hợp tạo ứng lực trước trong thép 55

1.3 Khái niệm về ổn định kết cấu

1.3.1 Khái niệm chung

Hiện nay có hai quan niệm về ổn định: ổn định về chuyển động của Liapunov và quan niệm ổn định tĩnh của Euler Trong tài liệu này trình bày ổn định theo quan niệm của Euler

- Theo giáo trình sức bền vật liệu – PGS.TS Lê Ngọc Hồng: độ ổn định của kết cấu là khả năng duy trì, bảo toàn được dạng cân bằng ban đầu trước các nhiễu động

- Ở vị trí cân bằng ổn định, thế năng của vật thể nghiên cứu là cực tiểu

- Ở vị trí cân bằng không ổn định, thế năng của vật thể nghiên cứu là cực đại

- Ở vị trí cân bằng phiếm định, thể năng của vật thể nghiên cứu là không đổi

1.3.2.2 Hiện tượng mất ổn định về dạng cân bằng trong trạng thái biến dạng

Xảy ra khi biến dạng ban đầu của vật thể tương ứng với tải trọng nhỏ ban đầu bắt buộc phải chuyển sang dạng biến dạng mới khác trước về tính chất

Nguyên nhân: Sự cân bằng giữa các ngoại lực và nội lực không thể thực hiện được tương ứng với dạng cân bằng ban đầu của công trình

Các dạng mất ổn định: mất ổn định loại một và loại hai:

a Mất ổn định loại một:

Đặc trưng:

- Dạng cân bằng có khả năng phân nhánh (tức là dạng cân bằng phiếm định có khả năng phân nhánh thành hai dạng: dạng cân bằng ban đầu và dạng cân bằng lân cận)

- Phát sinh dạng cân bằng mới khác dạng cân bằng ban đầu về tính chất

- Trước trạng thái tới hạn, dạng cân bằng ban đầu là duy nhất và ổn định Sau trạng thái tới hạn, dạng cân bằng ban đầu là không ổn định

b Mất ổn định loại hai:

Đặc trưng:

- Dạng cân bằng không phân nhánh

- Biến dạng và dạng cân bằng của hệ không thay đổi về tính chất

ở trạng thái lệch để đối chiếu với giá trị P của lực đã cho ở trạng thái ban đầu

Nếu P*>P: cân bằng ổn định

Nếu P*<P: cân bằng không ổn định

Nếu P*=P: cân bằng phiếm định

1.3.3.2 Tiêu chí dưới dạng năng lượng

Áp dụng theo nguyên lý Lejeune – Dirichlet: nếu ở trạng thái cân bằng ổn định thì thế năng toàn phần đạt giá trị cực tiểu so với tất cả các vị trí của hệ mới ở lân cận

vị trí ban đầu với những chuyển vị vô cùng bé Nếu hệ ở trạng thái cân bằng không

ổn định thì thế năng toàn phần đạt giá trị cực đại Nếu hệ ở trạng thái cân bằng phiếm định thì thế năng toàn phần không đổi

Xét U *là độ biến thiên của thế năng toàn phần của hệ khi chuyển từ trạng

thái đang xét sang trạng thái lân cận s là:

U độ biến thiên của thế năng biến dạng;

T độ biến thiên của công ngoại lực

- Nếu U T hệ ở trạng thái cân bằng ổn định

- Nếu U T hệ ở trạng thái cân bằng không ổn định

- Nếu U T hệ ở trạng thái cân bằng phiếm định

1.3.3.3 Tiêu chí dưới dạng động lực học

Đây là dạng biểu diễn tổng quát nhất Biểu diễn này được xác định trên cơ sở thực nghiên cứu tính chất chuyển động của hệ ở lân cận trạng thái cân bằng, gây ra bởi một nhiễu loạn nào đó Sau đó nhiễu loạn mất đi

- Nếu chuyển động tắt dần hoặc điều hòa (khi không kể đến lực cản) thì cân bằng là ổn định

- Nếu chuyển động không tuần hoàn (xa dần trạng thái ban đầu), mang đặc trưng dẫn đến sự tăng dần của biên độ chuyển động thì cân bằng là không ổn định

1.3.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định

1.3.4.1 Các phương pháp tĩnh học

Nội dung: tạo cho hệ nghiên cứu một dạng cân bằng lệch khỏi dạng cân bằng ban đầu; xác định giá trị của lực (lực tới hạn) có khả năng giữ cho hệ ở trạng thái cân bằng mới lệch khỏi dạng cân bằng ban đầu

Các phương pháp tĩnh học gồm có:

- Phương pháp trực tiếp thiết lập và giải phương trình vi phân

- Phương pháp thông số ban đầu

- Phương pháp lực

- Phương pháp chuyển vị

- Phương pháp hỗn hợp

- Phương pháp phần tử hữu hạn

- Phương pháp thiết lập và giải hệ phương trình đại số

- Phương pháp sai phân hữu hạn

- Phương pháp dây xích

- Phương pháp nghiệm đúng tại từng điểm

- Phương pháp Bupnov-Galerkin

- Phương pháp gần đúng

1.3.4.2 Các phương pháp năng lượng

Nội dung: giả thiết cho trước dạng biến dạng của hệ ở trạng thái lệch khỏi dạng cân bằng ban đầu; căn cứ vào dạng biến dạng đã giả thiết, lập các biểu thức thế năng biến dạng và công của ngoại lực để viết điều kiện tới hạn của hệ dưới dạng năng lượng

Các phương pháp năng lượng gồm có:

- Phương pháp trực tiếp áp dụng nguyên lý Lejeune – Đirichlet

- Phương pháp áp dụng nguyên lý Rayleigh – Ritz

2

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CỘT THÉP VÀ CỘT

LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4

2.1 Khái quát về tiêu chuẩn eurocodes

Tiêu chuẩn châu Âu Eurocodes là bộ tiêu chuẩn về kết cấu công trình (Structural Eurocodes) do tiểu ban kỹ thuật CEN/TC250 soạn thảo và được Uỷ ban châu Âu về tiêu chuẩn hoá (Comité Européen de Normalisation – CEN) ban hành để áp dụng chung cho các nước thuộc liên minh Châu âu ( EU) Từ năm 1975, Uỷ ban cộng đồng châu Âu (The European Community) đã quyết định một chương trình hành động trong lĩnh vực xây dựng, trong đó đối tượng của chương trình là loại trừ những rào cản kỹ thuật trong thương mại và tiến tới hài hoà các quy định kỹ thuật Trong khuôn khổ của chương trình, một loại các quy tắc kỹ thuật trong thiết kế xây dựng đã được hình thành

để thay thế cho các quy tắc tiêu chuẩn quốc gia các nước thành viên

Năm 1988 trong khuôn khổ của văn bản định hướng DI 89/106 ngày 01/12/1988 của Ban Tiêu chuẩn hoá Châu Âu đưa ra ý tưởng phải xây dựng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng dùng chung cho châu Âu

Tiêu chuẩn châu Âu mang tên EUROCODES là tiêu chuẩn mà các nước châu Âu thống nhất về quan niệm, về định hình kích thước kết cấu nhà cửa và công trình xây dựng liên quan đến vật liệu sử dụng, biện pháp thi công và công tác kiểm tra chất lượng Việc xây dựng và áp dụng EUROCODES được sự bảo trợ của hội đồng châu

Âu (CEE), phù hợp với thị trường xây dựng ở châu lục này

Vào năm 1990, hội đồng châu Âu giao cho ban tiêu chuẩn hoá châu Âu (CEN) soạn thảo EUROCODES và ban hành qui phạm Ban thư ký soạn thảo nằm tại Anh quốc và có chín tiểu ban soạn thảo chi tiết

Toàn bộ EUROCOES được chia thành nhiều phần, công việc được tiến hành trên

57 lĩnh vực Năm 1993 Ban tiêu chuẩn hoá châu Âu đã tuyển chọn xong các lĩnh vực chủ yếu Năm 1994 thành lập các ban xây dựng Hồ sơ thuộc các quốc gia (DAN) để tiến hành chuyển dịch những tài liệu theo ngôn ngữ của các nước thành viên

Thời kỳ đầu, Ban tiêu chuẩn hoá châu Âu thoả thuận với hội đồng châu Âu gọi EUROCODES là tiêu chuẩn sơ bộ của châu Âu (ENV) Điều này có nghĩa tiêu chuẩn này mới là tiêu chuẩn thực nghiệm Những tiêu chuẩn này có giá trị (về lý thuyết) trong ba năm (và thường là kéo dài thêm một thời hạn hai năm nữa) Thời hạn này tạo

cơ hội cho Tiêu chuẩn châu Âu xâm nhập trong các dự án xây dựng Trong thời kỳ này, đồng thời với việc áp dụng tiêu chuẩn châu Âu, các tiêu chuẩn riêng của quốc gia

thành viên vẫn có giá trị sử dụng Hết thời kỳ sơ bộ thì mọi tiêu chuẩn riêng biệt của quốc gia thành viên nào trái với các điều khoản của EUROCODES s không được tuân thủ trong các thành viên của cộng đồng

Tại nước Pháp, khi tiêu chuẩn châu Âu được coi là tiêu chuẩn thực nghiệm thì kèm với từng tiêu chuẩn châu Âu, có một tài liệu chỉ dẫn sử dụng trong quốc gia (DAN) Tài liệu này chỉ rõ điều gì tiêu chuẩn của quốc gia khác với tiêu chuẩn châu

Âu trong thời kỳ tiêu chuẩn châu Âu mới là tiêu chuẩn sơ bộ Những điều sai khác được trình bày dưới ba dạng: Cần có giải thích, cần bổ sung thêm nữa và không có hiệu lực Tiêu chuẩn mà Pháp công bố là Tiêu chuẩn châu Âu cùng nhất trí và kèm theo tài liệu chỉ dẫn sử dụng trong quốc gia Thường tài liệu chỉ dẫn sử dụng trong quốc gia được trình bày tách riêng nhưng đính liền với tài liệu EUROCODES

Hệ thống tiêu chuẩn châu Âu về kết cấu công trình xây dựng bao gồm các tiêu chuẩn chính và các tiêu chuẩn khác tham chiếu theo các tiêu chuẩn chính Các tiêu chuẩn chính bao gồm:

- Eurocode 0: Cơ sở thiết kế

- Eurocode 1: Các tác động lên kết cấu

- Eurocode 2: Thiết kế kết cấu bê tông

- Eurocode 3: Thiết kế kết cấu thép

- Eurocode 4: Thiết kế kết cấu hỗn hợp thép – bê tông

- Eurocode 5: Thiết kế kết cấu gỗ

- Eurocode 6: Thiết kế kết cấu khốI xây gạch đá

- Eurocode 7: Thiết kế địa kỹ thuật

- Eurocode 8: Quan niệm và cách xác định kích thước các kết cấu để chống lại động đất

- Eurocode 9: Thiết kế kết cấu hợp kim nhôm

Đặc điểm chung của hệ thống các tiêu chuẩn nói trên là: (1) Mỗi tiêu chuẩn chia thành một số phần, trong đó phần chung nói về các quy định chung, các phần riêng nói

về các chuyên đề cụ thể (tổng cộng 58 phần trong bộ tiêu chuẩn Eurocodes); (2) nguyên tắc biên soạn tiêu chuẩn là chỉ nêu những yêu cầu, không quy định cứng nhắc

và quá chi tiết (như các tiêu chuẩn của Việt Nam hiện nay), tạo điều kiện cho người sử dụng có thể tiếp cận theo nhiều phương diện khác nhau; (3) Phụ lục quốc gia bao gồm các thông số theo yêu cầu của tiêu chuẩn s do mỗi quốc gia nghiên cứu và lựa chọn Tiêu chuẩn EN 1990 (những cơ sở thiết kế kết cấu) đưa ra nguyên tắc độ tin cậy, các trường hợp tổ hợp tải trọng và hệ số tổ hợp đối với kết cấu nhà và công trình

Tiêu chuẩn EN 1991 (tác động lên kết cấu) bao gồm :

- EN 1991-1-1: Tải trọng bản thân, hoạt tải

- EN 1991-1-2: Tác động lên kết cấu tiếp xúc với lửa

- EN 1991-2: Tải trọng lưu thông trên cầu)

- EN 1991-3: Tác động của cầu trục và máy móc và

- EN 1991-4: Tác động lên silô và bồn bể

Tiêu chuẩn EN 1992: Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép bao gồm:

- EN 1992-1-1: Nguyên tắc chung

- EN 1992-1-2: Thiết kế kết cấu chịu lửa

- EN 1992 – Cầu bê tông cốt thép

- EN 1992-3: Kết cấu tường cứng và bể chứa chất lỏng

Tiêu chuẩn EN 1993: Thiết kế kết cấu thép bao gồm:

- EN 1993-1-1: Nguyên tắc chung

- EN 1993-1-2: kết cấu chịu lửa

- EN 1993-1-3: Cấu kiện thép tạo hình nguội

- EN 1993-1-4: Thép không gỉ

- EN 1993-1-5: Cấu kiện tấm

- EN 1993-1-6: Độ bền và ổn định của kết cấu vỏ

- EN 1993-1-7: Độ bền và ổn định của kết cấu từ thép tấm chịu tải trọng ngang

- EN 1993-1-8: Thiết kế mối nối

- EN 1993-1-9 : Độ bền mỏi của kết cấu thép

- EN 1993-1-10: Lựa chọn vật liệu có tính bền dai

- EN 1993-1-11: Thiết kế kết cấu với bộ phận chịu kéo bằng thép

- EN 1993-1-12: Các nguyên tắc bổ sung cho phép cường độ cao

Tiêu chuẩn EN 1995: Thiết kế kết cấu gỗ bao gồm:

- EN 1995-1-1: Nguyên tắc chung

- EN 1995-1-2: Kết cấu chịu lửa

- EN 1995-2: Một số nội dung bổ sung cho EN 1995-1-1

Tiêu chuẩn EN 1996: Thiết kế kết cấu gạch đá bao gồm:

- EN 1996-1-1: Nguyên tắc chung

- EN 1996-1-2: Kết cấu chịu lửa

- EN 1996-2: Những vấn đề thiết kế, lựa chọn vật liệu và thi công khối xây

- EN 1996-3: Phương pháp tính toán đơn giản cho khối xây không cốt thép

Tiêu chuẩn EN 1997: Thiết kế địa kỹ thuật bao gồm:

- EN 1997-1: Thiết kế địa kỹ thuật

- EN 1997-2: Khảo sát và thí nghiệm đất nền

- EN 1997-3: Thiết kế dựa vào thí niệm hiện trường

Tiêu chuẩn EN 1998:Thiết kế kết cấu chịu động đất bao gồm:

- EN1998-1: Nguyên tắc chung

- EN 1999-1-2: Kết cấu chịu lửa

- EN 1999-2 : Mỏi của kết cấu

Theo lộ trình đã được quyết định, đến năm 2010 toàn bộ các nước trong Liên minh châu Âu s áp dụng thống nhất tiêu chuẩn Eurocode trong lĩnh vực thiết kế xây dựng( Anh Quốc áp dụng từ 2007, thay thế toàn bộ tiêu chuẩn mang mã hiệu BS bằng tiêu chuẩn eurocode mang mã hiệu BS EN; Pháp thay thế tiêu chuẩn NF bằng NF EN) Cho đến nay tất cả các nước trong Liên minh châu Âu(EU) đã thống nhất áp dụng hệ thống tiêu chuẩn Eurocode Đó là các nước Anh, Áo, Ba Lan, Bỉ, Bồ Đào Nha, Cộng Hoà Séc, Đan Mạch, Đức, Estonia, Litva, Luxembua, Na Uy, Malta, Hà Lan, Hungary,

Hy Lạp, Italia, Pháp, Phần Lan, Síp, Slovakia, Tây ban Nha, Thụy Điển, Thụy Sĩ Quá trình chuyển dịch và áp dụng ở các nước được thống nhất vào năm 2010, tuy nhiên cho đến nay chưa có nước nào hoàn thành chuyển dịch bộ hệ thống tiêu chuẩn Eurocode, thậm chí cả Anh Quốc và Pháp Tại Anh Quốc, theo “Chiến lược quốc gia áp dụng Eurocodes” của văn phòng Phó Thủ Tướng Anh, việc nghiên cứu các phục lục quốc

gia và chuẩn bị cho việc áp dụng tiêu chuẩn Eurocodes cũng mất hơn 15 năm với kinh phí ước tính lên tới hơn 10 trệu bảng Anh (khoảng 300 tỷ đồng Việt Nam ) Nhiều nước khác trên thế giới cũng đặt biệt quan tâm đến các tiêu chuẩn châu Âu Eurocodes như Nga, Ucraina, Bungari, Nhật Bản, Trung Quốc, Malaysia, Singapore, Việt Nam, các nước trong vùng Caribe, Vào tháng 11/2006, tại Singapore dã diễn ra Hội nghị quốc tế về việc áp dụng Eurocodes, trong đó có thảo luận nhiều về Eurocode 7 (Thiết

kế địa kỹ thuật)

Khi áp dụng hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes, ngoài nội dung tiêu chuẩn đã được thống nhất, phần phụ lục Quốc gia (National Annex) kèm theo tiêu chuẩn có vai trò hết sức quan trọng đối với mỗi nước Trong phụ lục này, các thông số tính toán và thiết kế phải được nghiên cứu và lựa chọn phù hợp với điều kiện tự nhiên, vật liệu và trình độ công nghệ của mỗi nước Do đó, dây không đơn thuần chỉ là việc dịch thuật

mà còn là nhiệm vụ nghiên cứu hết sức phức tạp, khối lượng công việc rất lớn, đòi hỏi

sự dầu tư trí tuệ và nguồn lực để hoàn thành các công việc nghiên cứu, chuyển dịch, phổ biến và áp dụng Eurocodes ở mỗi nước

Ngoài những tiêu chuẩn chủ yếu về kết cấu xây dựng nói trên, có hơn 100 tiêu chuẩn châu Âu khác về vật thí liệu, thí nghiệm, thi công, quản lý chất lượng cũng được tham chiếu theo các tiêu chuẩn Eurocodes Có thể nêu ra đây một số tiêu chuẩn : EN

197 (Xi măng; gồm 4 phần cho việc đánh giá phù hợp chất lượng); EN 196 ( Các phương pháp thí nghiệm xi măng; gồm 21 phần); EN 10080 (Thép làm cốt cho bê tông); EN 206-1( Bê tông Điều kiện kỹ thuật, tính năng, sản xuất và sự phù hợp ); EN

12620 (Cốt liệu cho bê tông); EN 933 (Thí nghiệm các tính chất chung của cốt liệu ); EN 12350 (Thí nghiệm bê tông tươi; gồm 7 phần); EN 10025 ( Sản phẩm thép cấu cán nóng, gồm 6 phần); EN 1090 (Thi công kết cấu thép); EN 1536 (Thi công địa

kỹ thuật đặc biệt Cọc khoan nhồi ); EN 1538 ( Thi công địa kỹ thuật đặc biệt Tường trong đất ( Diaphragm); ENISO 22476 ( Khảo sát và thí nghiệm địa kỹ thuật); EN 473 ( Thí nghiệm không phá hoại Phân loại và cấp chứng chỉ cho người thí nghiệm NDT Nguyên tắc chung); …

Theo kế hoạch, ở nước ta một số tiêu chuẩn Eurocodes đang được Bộ xây dựng cho nghiên cứu và chuyển dịch thành tiêu chuẩn Việt Nam Phương pháp chung để chuyển dịch là: chấp nhận và chuyển dịch nguyên văn toàn bộ nội dung của tiêu chuẩn ( theo nguyên tắc chung đã được các nước châu Âu chấp thuận); nghiên cứu và đưa ra các thông số để thành lập các Phụ lục Quốc gia, trong đó có việc soát xét lại các TCVN hoặc TCXDVN đã ban hành (một số tiêu chuẩn Việt Nam đã chuyển dịch từ tiêu chuẩn ISO, tương thích với các tiêu chuẩn được trích dẫn trong Eurocodes)

2.2 Tính toán cột thép chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo EC3

2.2.1 Phân lớp tiết diện

a) Tiêu chuẩn EN 1993-1-1:2005 tại mục 5.5 (5.5 classification of cross section)

chia các tiết diện ra làm 4 lớp, được định nghĩa như sau:

- Lớp tiết diện thứ nhất (dẻo) - loại 1: là những tiết diện mà tại đó có sự hình thành khớp dẻo, có thể xoay được, khi tính toán cần phải dùng phương pháp tính dẻo

- Lớp tiết diện thứ hai (đặc) - loại 2: là những tiết diện có thể phát triển khả năng chống mô men dẻo mà tại đó vẫn có thể xoay được một góc nhất định

- Lớp tiết diện thứ ba (nửa đặc) - loại 3: là những tiết diện mà tại đó khi ứng suất tính toán ở cánh chịu nén của cấu kiện đạt tới giá trị tới hạn, s dần xuất hiện hiện tượng mất ổn định cục bộ để ngăn cản sự xuất hiện của mô men chống uốn dẻo

Lớp tiết diện thứ bốn (mảnh) - loại 4: là những tiết diện mà tại đó cần thiết phải tính đến sự ảnh hưởng của mất ổn định cục bộ khi xác định mô men kháng uốn và sức kháng nén

b) Trong lớp tiết diện thứ 4 khi xét đến ảnh hưởng cục bộ bề rộng tính toán s

được sử dụng

c) Việc phân loại tiết diện phụ thuộc vào tỷ số bề rộng trên bề dày của phần chịu nén d) Những phần chịu nén bao gồm nhiều phần của tiết diện mà hoặc là tổng thể

hoặc là từng phần chịu nén s được xem xét dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng

e) Các phần chịu nén khác nhau trong cùng một tiết diện (như là bụng hoặc cánh)

thường có thể ở các loại tiết diện khác nhau

f) Một tiết diện được phân loại tuỳ thuộc vào chiều cao lớn nhất của bộ phận chịu

nén (ngoại trừ một số mục riêng được xác định ở mục 6.2.1(10) and 6.2.2.4(1) của EN 1993-1-1:2005)

g) Có thể sự phân loại của tiết diện xác định bởi sự phân loại của cả cánh và

bụng

h) Yêu cầu giới hạn của phần chịu nén của loại 1, loại 2 và 3 thể hiện ở Bảng

III.14 (trích dẫn từ bảng 5.2.A của EN 1993-1-1:2005) Những phần vượt quá giới hạn của loại 3 thì thuộc loại 4

i) Tiết diện loại 4 có thể xem như tiết diện loại 3 nếu tỷ số bề rộng trên bề dày

nhỏ hơn giới hạn loại 3 cho trong Bảng III.14 khi Ɛ gia tăng bởi

Ed com

MO y

chuyển từ trạng thái phân tích thứ nhất sang phân tích thứ 2

k) Tuy nhiên, đối với cấu kiện thiết kế khác nhau chịu ổn định, giới hạn thể hiện

trong Bảng 2.1 luôn đƣợc áp dụng

l) Khi bản bụng xem nhƣ chỉ chịu lực cắt và xem nhƣ không chịu mô men và các

lực khác, tiết diện đƣợc thiết kế nhƣ là tiết diện loại 2, 3 và 4 chỉ phụ thuộc vào bản cánh

Bảng 2.1 Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén

Bảng 2.2 Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén

Với việc phân tiết diện ra làm 4 lớp thì Eurocode 3 cho phép người thiết kế tuỳ ý dùng tiết diện dẻo, đặc, nửa đặc hay mảnh Để có thể sử dụng tiết diện mảnh, Eurocode 3 chấp nhận việc cho tiết diện biến hình, tức là một bộ phận của bản bụng có thể mất ổn định

- Giá trị cường độ thiết kế phụ thuộc vào sự phân loại của tiết diện

- Kiểm tra đàn hồi cường độ đàn hồi thực hiện cho tất cả các lớp tiết diện , đối với lớp tiết diện thứ 4 (mảnh) sử dụng đặc trưng của tiết diện tính toán

- Đối với việc kiểm tra đàn hồi theo cường độ chảy thì điểm tới hạn của tiết diện

có thể sử dụng

2.2.2.2 Đặc trưng của tiết diện

- Đặc trưng của tiết diện ngang được xác định theo kích thước thông thường Lỗ

có chốt không cần giảm đi, nhưng cho phép đối với các lỗ mở lớn Vật liệu nối không được kể đến

- Đặc trưng tính toán của bản bụng tiết diện loại 3 và bản cánh tiết diện loại 1 và

2 được phân loại như là tiết diện tính toán loại 2, kích thước của bản bụng chịu nén có

thể thay bằng một phần kích thước 20Ɛt w kề cánh chịu nén, với một phần khác 20Ɛt w

kề trục trung hoà dẻo của tiết diện hiệu quả như hình 2.1

Hình 2.1 Bản bụng tính toán loại 2

- Đặc trưng tính toán của tiết diện loại 4:

+ Đặc trưng tiết diện tính toán của tiết diện loại 4 dựa trên bề rộng tính toán của phần chịu nén

+ Đối với tiết diện loại 4 chịu nén dọc trục, phương pháp thể hiện trong EN 1993-1-5 sử dụng để xác định độ chuyển dịch eN của tâm diện tích tính toán Aeff với trọng tâm của mặt cắt ngang và tạo ra mô men tăng thêm:

ΔMEd = N Ed e N (2.1) 2.2.2.3 Cấu kiện chịu nén

- Giá trị thiết kế của lực nén N Ed ở mỗi tiết diện phải thoả mãn:

0,1

,



Rd c

Ed

N

N

(2.3)

- Cường độ thiết kế của tiết diện liên tục chịu nén N c,Rd được xác định:

+ Đối với tiết diện loại 1, 2 và 3:

MO

y Rd

c

Af N





, (2.4)+ Đối với tiết diện loại 4

MO

y eff Rd

c

f A N





, (2.5)

2.2.2.4 Cấu kiện chịu mômen

- Giá trị thiết kế của mô men uốn MEd ở mỗi tiết diện phải thoả mãn:

0,1

,



Rd c

Ed

M

M

(2.6)

- Mô men thiết kế của tiết diện về mỗi trục chính được xác định:

+ Đối với tiết diện loại 1, 2:

MO

y pl Rd

pl Rd

c

f W M

M





 ,, (2.7)

+ Đối với tiết diện loại 3:

MO

y el Rd

el Rd

c

f W M

M



min , ,

c

f W M



min , , 

(2.9)Trong đó:

 Wpl là mô đun chống uốn dẻo

 Wel,min và Weff,min mô đun chống uốn đàn hồi nhỏ nhất và mô đun chống uốn đàn hồi hữu hiệu nhỏ nhất

2.2.2.5 Cấu kiện chịu cắt

- Giá trị thiết kế của lực cắt VEd ở mỗi tiết diện phải thoả mãn:

0,1

,



Rd c

Ed

V

V

(2.10)Trong đó Vc,Rd là cường độ thiết kế cắt, khi thiết kế dẻo Vc,Rd là Vpl,Rd

- Khi không có lực xoắn, cường độ thiết kế cắt dẻo Vpl,Rd:

MO

y v Rd pl

f A V



3

, 

(2.11)Trong đó Av là diện tích cắt

Trong đó: η lấy theo EN 1993-1-5 (Ghi chú η có thể được lấy bằng 1)

2.2.2.6 Cấu kiện nén uốn

a Tiết diện loại 1 và loại 2

- Khi có lực dọc, phải kể thêm ảnh hưởng của nó đến mô men dẻo thiết kế

- Đối với tiết diện loại 1 và 2, trạng thái giới hạn đảm bảo:

M Ed = M N,Rd (2.12)

Trong đó MN,Rd là mô men thiết kế dẻo giảm khi có lực dọc NEd

- Với tiết diện I và H đối xứng hai phương, không cần kể đến ảnh hưởng của lực dọc vào mô men dẻo thiết kế đối với trục y-y khi cả hai yêu cầu dưới đây thỏa mãn:

N Ed ≤ 0,25 N pl,Rd (2.13)

MO

y w w Ed

f t h N



5,0

f t h N





(2.15)