NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ THIẾT KẾ CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ THIẾT KẾ CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU Học viên:BÙI PHƯỚC HẢO Khóa: K32TV Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây dựng Công tr

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

BÙI PHƯỚC HẢO

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ THIẾT KẾ CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2018

BÙI PHƯỚC HẢO

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2.MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5.Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2

5.1 Ý nghĩa khoa học 2

5.2 Tính thực tiễn của đề tài 2

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 2

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP VÀ CHÂN CỘT THÉP 3

1.1.TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP 3

1.1.1.Đặc điểm chung 3

1.1.2.Chiều dài tính toán và làm việc các loại cột 3

1.2.TỔNG QUAN VỀ CHÂN CỘT THÉP 5

1.2.1.Sơ đồ liên kết trong mô hình phân tích kết cấu 6

1.2.2.Chân cột liên kết khớp với móng 7

1.2.3.Chân cột liên kết ngàm với móng 7

1.3.BẢN ĐẾ CHÂN CỘT THÉP 8

1.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BẢN ĐẾ HIỆN HÀNH 9

1.5.KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 11

CHƯƠNG 2.SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ TÍNH TOÁN CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU 12

2.1.PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ 12

2.2.DIỆN TÍCH HỮU HIỆU VÀ CƯỜNG ĐỘ ÉP MẶT CỦA BÊ TÔNG 13

2.3.TÍNH CỘT CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 15

2.3.1 Kiểm tra khả năng chịu ép mặt của bê tông móng 16

2.3.2 Kiểm tra bền bản thép đế 16

2.4.TÍNH CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM 16

2.4.1 Bản đế chân cột chịu nén lệch tâm – Phương pháp thành phần 17

2.4.2 Trường hợp lực nén lệch tâm bé 18

2.4.3 Trường hợp lực nén lệch tâm lớn 20

2.5.KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 28

CHƯƠNG 3:MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT CỤ THỂ 29

3.1 TÍNH TOÁN CHÂN CỘT ĐƠN GIẢN CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 29

3.2.CỘT CHỊU NÉN – UỐN ĐỒNG THỜI 33

3.3.CHÂN CỘT CÓ SƯỜN GIA CƯỜNG 40

3.4.KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ

VÀ THIẾT KẾ CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU

Học viên:BÙI PHƯỚC HẢO Khóa: K32TV

Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số:60.58.02.08 Trường: Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt -Chân cột thép thường có cấu tạo gồm bản đế liên kết neo vào móng bê tông cốt thép,

được thiết kế với nhiều quan điểm khác nhau Đối với cột có tải trọng không lớn, một số tiêu chuẩn như AISC cho phép thiết kế với quan niệm rằng ứng suất dưới bản đế phân bố đàn hồi tuyến tính, hoặc là chấp nhận móng bê tông chảy dẻo và phân phối lại ứng suất tương tự như tiết diện bêtông cốt thép Tuy nhiên, bản đế chân cột luôn có độ mềm nhất định do bề dày hạn chế, phần tiết diện chân cột thép tiếp xúc với bản đế cũng rất nhỏ (chẳng hạn tiết diện cột hình chữ H)

do vậy ứng suất phân bố ngay dưới bản đế thường phân bố không đều và bị giới hạn trong một vùng nhất định xung quanh tiết diện cột Một số tiêu chuẩn như Eurocode 3 sử dụng phần diện tích này gọi là diện tích hữu hiệu để thiết kế chân cột Phương pháp này đơn giản và sát với thực

tế làm việc của chân cột hơn Trong luận văn này, sẽ trình bày được mối quan hệ giữa khả năng chịu lực nén giới hạn và mômen chịu uốn giới hạn của chân cột, phụ thuộc vào chiều dày của bản

đế, mác thép và loại bê tông Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong việc thiết kế chân cột thép (như lựa chọn được chiều dày bản đế, mác bê tông, ) trong trường hợp chịu tải trọng khác nhau và kết quả nghiên cứu này sẽ được phát triển hơn trong tương lai.

Từ khóa - chân cột; diện tích hữu hiệu; bản đế; độ bền chịu nén của bêtông; ứng suất dưới bản đế STRESS DISTRIBUTION UNDER THE BASE PLATE ANDDESIGN OF STEEL

COLUMN BASE USING EFFECTIVE AREA APPROACH Abstract -Steelcolumn base,usually consists of base plate anchored to concrete foundation,is

designed by different methods For columns with small load, several current such as AISC allowed the design with the intellection that the stressunder the base plate linear elasticity distribution, or the acceptance of plasticized concrete foundation and the re-distribution of stresses similar to reinforced concrete cross section However, the base plate is always soft fixed to limited thickness, part section of the steel column base connection to the base plate is also very small (such as H-section) so the stress distribution right below the plate is often unevenly distributed and confined to a certain area around the column section Some standards such as Eurocode 3 use this part area called effective area to design the column base This method is merely simple and well-closed to more practical work of the column In the thesis, the relationship between the limited compressive strength and the limited bending moment of the column shall be shown and it fully depends on the thickness of the base, the grade of the steel and the type of concrete The study result will be applied for the design of steel column base (such as base thickness selection, concrete grade, ) in case of different bearing loads and the results of this study will be developed

in the future.

Key words –steelcolumn; effective area; base plate; concrete bearing strength; stress under base

plate

3.1

và bê tông mác C40/50

31

3.2

ứng với mỗi loại mác bê tông (từ C20/25 C50/60), khảo sát với

t=30mm và t=18mm

32

3.3

mỗi loại chiều dày bản đế t (từ t=18mm t=36mm), khảo sát với

C25/30 và C40/50

37

3.4

ứng với mỗi loại mác bê tông (từ C16/20 C50/60), khảo sát với

t=30mm và t=18mm

38

3.5

sát mác C16/20

44

3.6

sát mác C40/50

46

3.7

ứng với từng loại mác bê tông (từ C16/20  C50/60), khảo sát

t=30mm

47

3.8

ứng với từng loại mác bê tông (từ C16/20C50/60), khảo sát

t=18mm

49

2.2 Vùng diện tích hữu hiệu (Hình 2.2a) và ứng suất phân bố dưới bản

2.3

Mô hình phần tử hữu hạn của tấm đế T-Stub và khối bê tông chịu

nén, lưới bị biến dạng và không biến dạng và ứng suất chính

trong bê tông

13

2.11

Các trường hợp thiết kế bản đế: a – độ lệch tâm nhỏ (toàn bộ

chân đế chịu nén); b – độ lệch tâm lớn ( một phần chân đế chịu

kéo, phần còn lại chịu nén)

19

2.14 Mô hình hóa phần mở rộng tấm đế như các phần T-stub riêng

3.1 Thông số thiết kế chân cột 29

3.4 Biểu đồ quan hệ giữa sức chịu nén của chân cột NRd với từng

3.5 Biểu đồ quan hệ giữa sức chịu nén của chân cột NRd với từng

3.9

với từng mác bê tông (từ C16/20 C50/60), khảo sát t=30mm

và t=18mm

39

3.12 Biểu đồ quan hệ giữa sức chịu uốn của chân cột MRd với chiều

3.13

với từng loại mác bê tông C16/20→C50/60, khảo sát t=30mm và t=18mm

49

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cùng với nhịp độ phát triển mạnh mẽ của công nghiệp xây dựng ở nước ta hiện nay, việc xây dựng các công trình bằng thép đã và đang phát triển rộng rãi, ngày càng

đa dạng và phong phú hơn do sự phát triển vượt bậc về vật liệu, thép cường độ cao ngày càng được sử dụng nhiều dẫn đến các khung nhà công nghiệp rất thanh mảnh, nhẹ và thẩm mỹ Đối với ngành công nghiệp hiện đại, thép đã được dùng làm vật liệu chủ yếu cho nhà xưởng, nhà máy, nhà kho, hầu như hơn 90% việc xây dựng hiện nay điều sử dụng thép, đây là một tín hiệu cho thấy tầm phổ biến của nó, còn trong dân dụng thì cũng được sử dụng rộng rãi cho nhà hát lớn, rạp chiếu bóng, Bên cạnh đó, kết cấu tháp cao cũng được sử dụng như các loại cột điện, cột ăngten vô tuyến, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt như tháp khoan dầu, cũng được sử dụng bằng thép vì kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp dựng Kiến thức về kết cấu thép là cần thiết cho mọi kỹ

sư, cán bộ kỹ thuật xây dựng Trong tương lai, kết cấu thép sẽ là loại kết cấu chủ yếu trong xây dựng hiện đại

Khi tính toán thiết kế kết cấu thép trong công trình xây dựng, chân cột là bộ phận quan trọng phải có đủ độ cứng và bền để truyền tải lực dọc, tiếp nhận tải trọng của toàn bộ công trình truyền xuống móng, ngoài ra liên kết cùng hệ giằng, kèo, tạo

độ cứng chắc chắn cho công trình Vì thế chân cột thép nếu không được thiết kế cẩn thận, lắp dựng đúng cách, thì khi đó cột rất có khả năng sẽ nhổ bu lông neo và gây đổ cột dưới tác dụng của gió

Chân cột thép thường có cấu tạo gồm bản đế liên kết neo vào móng bê tông cốt thép, được thiết kế với nhiều quan điểm khác nhau Đối với cột có tải trọng không lớn, một số tiêu chuẩn như AISC cho phép thiết kế với quan niệm rằng ứng suất dưới bản

đế phân bố đàn hồi tuyến tính, hoặc là chấp nhận móng bê tông chảy dẽo và phân phối lại ứng suất tương tự như tiết diện bêtông cốt thép Tuy nhiên bản đế chân cột luôn có

độ mềm nhất định do bề dày hạn chế, phần tiết diện chân cột thép tiếp xúc với bản đế cũng rất nhỏ (chẳng hạn tiết diện cột chữ H) do vậy ứng suất phân bố ngay dưới bản

đế thường phân bố không đều và bị giới hạn trong một vùng nhất định xung quanh tiết diện cột Một số tiêu chuẩn như Eurocode 3 sử dụng phần diện tích này gọi là diện tích hữu hiệu để thiết kế chân cột Phương pháp này đơn giản và tỏ ra sát với thực tế làm việc của chân cột hơn

Vậy việc nghiên cứu sự phân bố ứng suất dưới bản đế ứng với một số trường hợp chịu lực khác nhau và thiết kế chân cột thép dùng phương pháp diện tích hữu hiệu

là vấn đề thực sự cần thiết, bởi vì phương pháp này đơn giản và sát với thực tế làm việc của chân cột hơn Ngoài ra, đề tài còn giúp thiết lập các cơ sở, chỉ dẫn cho các kỹ

sư trong việc thiết kế cột thép nhà công nghiệp một cách tin cậy và hiệu quả

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu sự phân phối ứng suất dưới bản đế ứng với một số trường hợp chịu lực khác nhau

Dựa trên kết quả nghiên cứu và một số quy định của Eurocode 3 để thiết kế chân cột thép dùng phương pháp diện tích hữu hiệu

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Chân cột thép

Phạm vi nghiên cứu: Phân phối ứng suất dưới bản đế và thiết kế chân cột thép dùng diện tích hữu hiệu theo tiêu chuẩn Eurocode 3

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp lý thuyết: Thu thập tài liệu, tổng hợp các văn bản, tìm hiểu và xây dựng lý thuyết tính toán Trong đó có kế thừa, vận dụng các kết quả nghiên cứu đã thực hiện trước đây và xây dựng lý thuyết tính toán

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

5.1 Ý nghĩa khoa học

Đề xuất chỉ dẫn thiết kế chân cột thép bằng phương pháp diện tích hữu hiệu theo tiêu chuẩn Eurocode 3

5.2 Tính thực tiễn của đề tài

Các vấn đề đã nghiên cứu trong luận văn còn tương đối mới, có giá trị thực tiễn cao, nội dung của luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn không chỉ trong nước mà còn cả trên thế giới Do đó, kết quả nghiên cứu của luận văn có thể được sử dụng:

+ Tài liệu tham khảo cho sinh viên khối ngành xây dựng tại các trường đại học, cao đẳng và làm tài liệu phục vụ cho những đối tượng có xu hướng nghiên cứu những

đề tài tương tự

+ Kết quả nghiên cứu có đưa ra lời khuyên khi thiết kế chân cột thép nên có thểdùng làm tài liệu cho các công ty tư vấn thiết kế xây dựng

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, lời cam đoan, danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt, danh mục các bảng, danh mục các hình, tóm tắt luận văn, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục thì trong luận văn gồm có 3 chương như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP VÀ CHÂN CỘT THÉP

Chương 2: SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ TÍNH TOÁN CHÂN CỘT THÉP BẰNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU

Chương 3: MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT CỤ THỂ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP VÀ CHÂN CỘT THÉP

1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP

1.1.1 Đặc điểm chung

Cột thép là kết cấu thẳng đứng làm nhiệm vụ đỡ các kết cấu khác như dầm, dàn

và truyền tải trọng nhận từ các kết cấu đó xuống móng Cột thép được sử dụng rộng rãi trong kết cấu thép Cột thép có 3 bộ phận chính: đầu cột, thân cột và chân cột:

- Đầu cột:đỡ các kết cấu bên trên và phân phối tải trọng cho tiết diện thân cột

- Thân cột: bộ phận chịu lực cơ bản, truyền tải trọng từ trên xuống dưới

- Chân cột: liên kết cột vào móng, phân phối tải trọng từ cột xuống móng [1]

Hình 1.1: Cấu tạo cột thép

a- cột đặc không đổi; b- Cột rỗng tiết diện không đổi c- Cột bậc tiết diện đặc; d- Cột bậc đoạn trên đặc đoạn dưới rỗng

1.1.2 Chiều dài tính toán và cấu tạo các loại cột

Chiều dài tính toán của cột lo phụ thuộc nhiều vào sơ đồ tính và nội lực dọc trong cột, đối với cột tiết diện không đổi hoặc của các đoạn cột bậc là: lo=μ.l (trong đó:

l là chiều dài hình học của cột, của đoạn cột đối với cột bậc, của chiều cao tầng đối

vớicột khung; μ là hệ số chiều dài tính toán, phụ thuộc vào đặc điểm của lực nén dọc trong cột và sơ đồ liên kết ở đầu cột và chân cột)

Cột thép có nhiều loại khác nhau tùy theo sự phân loại:

- Theo sử dụng có cột nhà công nghiệp, cột nhà khung nhiều tầng, cột đỡ sàn

công tác, cột đỡ đường ống, cột đường dây tải điện,…

- Theo cấu tạo có cột đặc, cột rỗng, cột tiết diện không đổi, cột tiết diện thay

đổi như: cột bậc, cột có chiều cao tiết diện thay đổi theo luật bậc nhất,…Cột bậc hay

sử dụng trong nhà công nghiệp có cầu trục, khi dầm đỡ cầu trục tựa vào thân cột

- Theo sơ đồ chịu lực có cột nén đúng tâm – khi lực dọc trục đặt đúng trọng tâm

tiết diện, cột nén lệch tâm – khi lực dọc đặt ngoài trọng tâm tiết diện, cột nén uốn – khi cột vừa chịu lực dọc trục vừa chịu lực vuông góc với trục Trong thực tế thường gặp cột nén lệch tâm hay cột nén uốn

Cột đặc có các hình thức tiết diện hở và tiết diện kín Hình thức tiết diện hở chủ yếu có hai dạng là dạng tiết diện chữ H và dạng tiết diện chữ thập, dạng tiết diện chữ

H là dạng thông dụng hơn cả Cột tiết dạng chữ H có ưu điểm dễ liên kết với các kết cấu, dễ thỏa mãn các yêu cầu về kiến trúc của công trình, hình thức đơn giản, dễ chế tạo Cột tiết diện chữ thập liên kết với các kết cấu không tiện bằng cột tiết diện chữ H

và việc đáp ứng các yêu cầu về kiến trúc của công trình khó hơn cột tiết diện chữ H

Dạng tiết diện chữ thập ghép từ hai thép góc dùng cho các cột có tải trọng không lớn Dạng tiết diện chữ thập mỗi cánh được ghép từ ba hay nhiều bản thép dùng cho cột nặng Các dạng tiết diện kín của cột có bán kín quán tính lớn hơn tiết diện hở cùng diện tích, nên chịu lực tốt hơn Ưu việt của cột tiết diện kín là có hình thức gọn

và đẹp Nhược điểm của nó là không bảo dưỡng được mặt bên trong, do vậy ngay từ khi thiết kế và chế tạo cần phải có giải pháp bảo vệ mặt bên trong cột.Các cột đặc được ghép từ các thép bản hoặc bằng các thép hình dập nguội, khi cột làm việc, trong các bản thép này có ứng suất pháp lớn Nếu tại một vị trí nào đó trên các bản thép này có ứng suất pháp nén lớn hơn khả năng chịu ứng suất pháp nén của nó thì nó bị biến dạng

ra ngoài mặt phẳng của bản, như vậy gọi là cột bị mất ổn định cục bộ Tại chỗ bị mất

ổn định cục bộ, bản thép xem như mất khả năng làm việc, dẫn đến làm giảm khả năng chịu lực của cột, cũng như làm cho cột sớm bị phá hoại

Để khả năng chịu lực của cột không bị hạn chế bởi điều kiện ổn định cục bộ, ứng suất giới hạn về ổn định cục bộ (ứng suất giới hạn của bản) phải lớn hơn hoặc hợp

lý nhất là bằng ứng suất giới hạn về ổn định tổng thể Từ điều kiện này có được độ mảnh giới hạn của bản đảm bảo cho nó không bị mất ổn định cục bộ trước khi cột mất

ổn định tổng thể Khi cột có chiều cao tiết diện lớn mà điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng không đảm bảo, để bản bụng không quá dày hoặc tỷ lệ phần diện tích tiết diện tiết diện hữu dụng của bản bụng trên diện tích tiết diện bản bụng nhỏ, ta có thể gia cường bụng cột bằng một cặp sườn dọc đặt vào giữa bản bụng

Thân cột rỗng cấu tạo bởi các nhánh đặt cách xa nhau, liên kết lại với nhau bởi những hệ bụng rỗng là các thanh thép hình (thường là thép góc) gọi là thanh bụng (hay thanh giằng, thanh nối) hoặc các bản thép gọi là bản giằng (hay bản nối) Các nhánh của cột được làm bằng thép hình chử [, I, thép góc, thép ống Cột rỗng có các loại: hai nhánh, ba nhánh và bốn nhánh Cột rỗng có hệ thanh bụng (thanh giằng) gọi là cột rỗng thanh giằng, cột rỗng có các bản giằng gọi là cột rộng bản giằng

- Cột rỗng hai nhánh: có các nhánh là thép hình chữ [thường dùng cho cột nén đúng tâm có tải trọng đến 3500kN, khi tải trọng nén đúng tâm lớn (không thể dùng thép hình chữ [) dùng nhánh là thép hình chữ I, tải trọng tối đa của cột loại này có thể đến 6000kN

- Cột rỗng ba nhánh, cột rỗng bốn nhánh: có các nhánh bằng thép góc hoặc thép ống, chúng thường được dùng khi tiết diện của cột được quyết định bởi yêu cầu về độ mảnh, thường là cột có tải trọng không lớn mà chiều dài lại lớn

Để dễ dàng bảo dưỡng mặt trong, khe hở giữa các nhánh của cột rỗng không được bé hơn 100÷150mm Cột rỗng thanh giằng có độ cứng lớn và khả năng chống xoắn tốt hơn cột rỗng bản giằng Cột rỗng bản giằng chế tạo đơn giản và gọn đẹp hơn cột rỗng thanh giằng Cột rỗng bản giằng chỉ nên dùng khi khoảng cách các nhánh không lớn hơn 0,8-1m, vì với khoảng cách lớn bản giằng của cột sẽ nặng, tốn nhiều vật liệu mà độ cứng lại kém cột rỗng thanh bụng Thanh bụng của cột rỗng là một thép góc, cỡ nhỏ nhất là L40x5 Đối với cột nặng, thanh bụng có thể là một thép hình chữ [

cỡ nhỏ [1]

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHÂN CỘT THÉP

Chân cột thép truyền tải trọng từ cột xuống móng Cấu tạo chân cột cần đảm bảo để tải trọng được truyền đều, để cột làm việc đúng với sơ đồ tính và thuận tiện cho quá trình thi công lắp dựng.Chân cột thép bao gồm cột thép, bản đế và nhóm thanh neo Nói chung, chúng được thiết kế với các bản đế mềm, nhưng bản đế cứng có thể được sử dụng ở liên kết khi có mômen uốn lớn Chân cột thường được chống đỡ bởi một lớp vữa bê tông nằm bên dưới bản đế và lớp vữa này nằm trên một khối móng bê tông EN1993-1-8:2003 bao gồm các quy định để tính toán độ bền và độ cứng của chân cột

Với giả thuyết móng là một khối cứng và không có chuyển vị khi chịu tải trọng

từ cột truyền vào nó (điều này phù hợp khi móng chịu tải trọng có biến dạng của nền dưới đáy móng được xem là nhỏ không đáng kể), ta có sơ đồ liên kết cột với móng là khớp cố định hoặc là ngàm tùy theo cấu tạo cụ thể của liên kết Chân cột khớp thường dùng cho cột nén đúng tâm; đối với cột nén lệch tâm (nén uốn) nó được sử dụng khi yêu cầu thiết kế không có mômen ở chân cột ví dụ như nền đất yếu Liên kết ngàm dùng cho cột nén lệch tâm và cho cả cột nén đúng tâm, nó làm tăng độ ổn định cho cột [2][4]

1.2.1 Sơ đồ liên kết trong mô hình phân tích kết cấu

Hai loại liên kết này trong mô hình phân tích, được ngầm định là ngàm tuyệt đối hoặc khớp tuyệt đối Trong thực tiễn, qua thí nghiệm, các nhà khoa học xác định rằng trong kết cấu thép, hầu như không xảy ra trường hợp ngàm tuyệt đối hay khớp tuyệt đối Tuy nhiên khi phân tích mô hình kết cấu theo sơ đồ đàn hồi tuyến tính, các giả thuyết khớp hay ngàm trong mô hình tính toán cho kết quả thích hợp và tin cậy cho công tác tính kết cấu Trong thực tế, về mặt cấu tạo chi tiết, liên kết ngàm hay khớp không thực sự hoàn toàn khác nhau Điều này có ý nghĩa rất rõ rệt, đôi khi cùng cấu tạo dạng liên kết chân cột (tương tự nhau về bản đế, bu lông và số lượng bu lông, chi tiết mối hàn,…), liên kết chân cột thép trong mô hình này có thể xem là ngàm, nhưng trong mô hình khác, dạng liên kết này được xem là khớp

Bản chất của liên kết chân (khớp hay ngàm) phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:

- Chi tiết cấu tạo của liên kết: Bằng việc hình thành cấu tạo liên kết theo yêu

cầu bắt buộc do kỹ sư thiết kế quyết định, liên kết chân cột thép chỉ có thể là ngàm tuyệt đối hay khớp tuyệt đối

- Độ cứng của liên kết (hay độ cứng của các bộ phận tạo thành liên kết): Khi

các tiết diện bộ phận liên kết có độ cứng chống xoay rất nhỏ so với độ cứng của tiết diện cột, liên kết không có khả năng truyền mômen từ cột xuống móng Chân cột trong

mô hình là liên kết khớp

- Liên kết chân cột thép và móng đơn bê tông cốt thép: Đối với các móng đơn

và nông, do khả năng chống xoay của đế móng kém, liên kết chân cột thép vào móng

là liên kết khớp

- Độ cứng của các phần tử của khung kết cấu: Các phần tử của khung có độ

cứng chống chuyển vị dọc trục rất lớn so với độ cứng chống chuyển vị xoay hay cắt, dẫn đến mômen trong cột rất bé Điều này thực tế sẽ không thể xuất hiện mômen kháng tại liên kết chân cột

Chân cột thông dụng là loại cấu tạo gồm các bộ phận: bản đế, dầm đế và các sườn Chân cột đặc dùng bản đế liền, thường được mở rộng theo phương mặt phẳng tác dụng moment Tùy theo tiết diện cột mà chân cột có thể có một hoặc hai dầm đế Các dầm đế và các sườn phân phối đều tải trọng từ thân cột ra bản đế, đồng thời lại làm gối tựa cho bản đế chịu uốn bởi phản lực truyền từ móng lên và làm tăng độ cứng cho bản đế cũng như cho toàn bộ chân cột Nhờ có các dầm đế và sườn mà bản đế làm việc nhẹ nhàng hơn, mỏng hơn và tải trọng phân bố lên móng được đều đặn hơn so với chỉ khi có bản đế Dầm đế và các sườn, tùy thuộc vào cấu tạo chân cột, được tính toán như dầm đơn giản hoặc dầm công-xôn, chịu tải trọng là ứng suất phản lực trong bê tông móng với diện truyền tải tương ứng Bề dày của thép tấm làm dầm hoặc sườn thường chọn trước theo cấu tạo khoảng (0,8-1,2cm) Chiều cao của tiết diện dầm đế hoặc sườn cần kiểm tra theo điều kiện uốn và phải đủ chứa các đường hàn liên kết chúng với thân cột Các dầm đế, các sườn được hàn vào thân cột Thân cột, dầm đế và các sườn được hàn vào bản đế bằng các đường hàn góc nằm ngang Vớicác cột chịu tải trọng lớn, đầu mút đáy của thân cột, nơi tiếp xúc với bản đế, cần gọt nhẵn để sự tiếp xúc được xảy ra trên toàn tiết diện.Ngoài ra, chân cột còn có các sườn gối đỡ bu lông neo Vị trí, cấu tạo, độ cứng của các sườn gối đỡ này cần đảm bảo sự làm việc thực của cột phù hợp với sơ đồ tính [2]

1.2.2 Chân cột liên kết khớp với móng

Bu lông neo chôn sẵn trong móng là phương tiện liên kết chân cột với móng Ở chân cột khớp, bu lông neo được bắt trực tiếp vào bản đế Nhờ có tính dễ uốn của bản

đế mà đảm bảo được tính khớp cần thiết của liên kết Bu lông neo đặt theo cấu tạo, 2 hoặc 4 cái, đường kính 20÷25mm

Để dễ lắp ghép, lỗ bu lông trên bản đế có đường kính bằng 1,5÷2 lần đường kính bu lông neo Lỗ này được phủ kín bằng bản thép đệm êcu dày 16÷20mm và khoét

lỗ rộng hơn đường kính bu lông 3mm Sau khi điều chỉnh cột đúng vị trí thiết kế, xiết chặt êcu rồi hàn miếng đệm vào bản đế [2]

1.2.3 Chân cột liên kết ngàm với móng

Ở chân cột ngàm, bu lông neo được bắt chặt với chân cột thông qua các sườn gối đỡ hoặc các dầm đế Nhờ độ cứng uốn của các chi tiết đỡ rất lớn nên biến dạng xoay của chân cột với móng coi như bằng không, đảm bảo được tính ngàm của cột với móng Chân cột ngàm thường dùng ít nhất là bốn bu lông neo có d=20÷36mm cho chận cột nén đúng tâm và chân cột nén lệch tâm không có tổ hợp nội lực gây kéo cho

bu lông neo

Còn trường hợp cột nén lệch tâm sinh ra lực kéo trong các bu lông neo, thì các

bu lông này được xác định theo lực kéo lớn nhất trong nó và đường kính của chúng không nên chọn nhỏ hơn 24mm Trong một số trường hợp liên kết cột ngàm với móng

có lực kéo trong bu lông neo không lớn, có thể cấu tạo cho bu lông neo liên kết

trựctiếp vào bản đế của chân cột Khi này bản đế cần có bề dày lớn, các bu lông neo được đặt sát với các bản cánh, bản bụng cột chỉ để khe hở để bắt bu lông [1][2]

Các sườn ngang đỡ bu lông có chiều dày bé nhất là 16mm, đường kính lỗ ở sườn ngang lớn hơn đường kính bu lông 3mm Các sườn ngang này được hàn chặt vào

má của dầm đế hoặc của cánh cột bằng đường hàn công trường chỉ khi đã định vị chính xác cột và vặn chặt các êcu bên trên [1]

1.3 BẢN ĐẾ CHÂN CỘT THÉP

Bề dày của bản đế chân cột được xác định từ điều kiện bền chịu uốn của bản

đế chịu ứng suất phản lực của bê tông móng, coi là phân bố đều Do phải chứa quá nhiều đường hàn, chiều dày bản đế chọn không bé hơn 20mm và không nên dày quá 40mm (trường hợp chân cột có sườn) và quá 80mm (trường hợp chân cột chỉ có bản đế).Ứng suất nén thiết kế trong móng bê tông nhỏ hơn nhiều so với trong cột thép Vì thế, cần thiết phải có bản đế phù hợp bên dưới cột để phân bố đều tải trọng từ cột xuống móng ở bên dưới Chức năng chính của bản đế là dàn đều tải trọng cột trên một diện rộng vừa đủ và giữ cho móng khỏi bị quá tải [2]

Liên kết bản đế cột là một trong những liên kết quan trọng trong kết cấu thép:

nó được thiết kế để đỡ trọng lực, mômen uốn và lực cắt Hai lực nén trong bê tông và lực căng trong bulông neo kháng moment uốn bên ngoài gây ra bởi cố định bản đế cột trên nền móng.Với tải trọng dọc trục đơn thuần, một tấm thép vuông đơn giản hoặc một tấm ván gắn liền vào cột là đủ Nếu có các lực đẩy lên hoặc lật, cần có sự gắn kết chắc chắn hơn Những bản đế này có thể được hàn trực tiếp vào cột hoặc chúng có thể

được gắn chặt bằng các thép góc, liên kết được bằng hàn hoặc vít bằng bu lông(hình

1.3) Một bản đế được hàn trực tiếp vào cột (hình 1.3a) Với những cột nhỏ, thì những

bản đế này sẽ được hàn sẵn vào các cột trong xưởng chế tạo,nhưng với những cột lớn hơn, cần vận chuyển riêng biệt các tấm và đặt chúng vào đúng cao độ Đối với trường hợp thứ hai, các cột được liên kết với móng bằng các bulông neo xuyên qua các thép

góc đã được hàn sẵn trong xưởng vào các cột(hình 1.3b)

Hình 1.3: Cấu tạo liên kết chân cột

Việc xác định giá trị thiết kế lực cắt bên ngoài cũng như giá trị của moment uốn thiết kế thường được thực hiện một cách độc lập với giả định rằng không có tương tác đáng kể giữa chúng Nếu bản đế vẫn chịu nén, lực cắt có thể được truyền qua ma sát giữa lớp vữa hoặc bê tông trong móng Các lực cắt lớn có thể bị kháng bởi lực nén bê tông, hoặc bằng cách trực tiếp chôn chân cột ở độ sâu xác định trong bê tông đúc tại chỗ hoặc bằng cách hàn một gờ cắt tại đáy bản đế, với cách đầu tiên bản đế được chôn trong bê tông đúc tại chỗ

Trạng thái chung và sự phân bố lực đối với một liên kết bản đế bằng thanh neo

sẽ đàn hồi cho đến khi một trong các cơ chế phá hoại sau đây chiếm ưu thế: sự hình thành một khớp dẻo trong cột, cơ chế đàn hồi trong bản đế, vỡ bê tông chịu nén, oằn các thanh neo chịu lực căng hoặc làm bật bê tông bởi các bulông neo chịu lực căng Sự phá hoại liên kết chủ yếu bao gồm phá hoại giòn bản đế, giãn bulông neo quá mức, phá hoại bulông neo sớm ngoài mong muốn và làm vỡ bê tông [3]

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BẢN ĐẾ HIỆN HÀNH

Việc dự đoán trạng thái của liên kết bản đế là rất phức tạp do liên kết giữa các thanh neo và vật liệu đế bê tông, trạng thái nền lớp vữa và đánh giá phức tạp độ cứng

và độ bền kháng của bê tông dưới phần chịu nén do hiện tượng tiếp xúc giữa bản đế và

bê tông Hai phương pháp tiếp cận phổ biến được áp dụng đối với thiết kế bản đế chịu tải dọc trục và moment uốn Phương pháp thứ nhất là dựa trên trạng thái đàn hồi của vật liệu và của tất cả các thành phần liên kết; phương pháp còn lại là dựa trên các chế

độ phá hoại do các ứng suất và biến dạng sau đàn hồi Phân tích đàn hồi dựa trên giả định một bản đế cứng tiếp xúc hoàn toàn với bản đế bê tông hoàn toàn phẳng và sinh

ra các ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi Phương pháp đàn hồi được trình bày trong tất cả các tài liệu liên quan đến phương pháp thiết kế các liên kết kháng moment [3]

Hình 1.4: Phân tích đàn hồi móng cột thép thiết kế theo tải dọc trục và moment uốn;

a – giả định lý thuyết; b – trạng thái thực tế

Phân bố biến dạng có tính chất tuyến tính và kết quả chính là biến dạng trong bulông neo phụ thuộc vào sự phân bố biến dạng trong miền chịu nén Điều này không nhất quán với trạng thái thực tế Thực tế, lực trong bulông và nén trong bê tông không

phụ thuộc vào nhau Phương pháp này (Hình 1.4 b) nhất quán hơn với trạng thái thực

tế khi so sánh các kết quả với các thử nghiệm [3]

Thiết kế các bản đế trong các giả định lý thuyết đàn hồi thường dẫn đến các bản thép dày, không kinh tế Có thể giảm tối đa lượng thép sử dụng cho liên kết này bằng cách lựa chọn thiết kế đàn hồi Sự phân bố đàn hồi các nội lực cho các tính toán ở trạng thái giới hạn cực hạn được áp dụng cho thiết kế các bản đế theo BS EN1993-1-8:2005[3]

Phương pháp thiết kế truyền thống của các đế cột đưa ra kết quả cho thấy độ dày của bản đế phải đủ cứng để đảm bảo ứng suất phân bố đều dưới bản đế và do đó, bản đế có thể được mô phỏng dưới dạng tấm cứng Ứng suất lớn nhất trong móng bê tông (dựa trên sự phân bố ứng suất tuyến tính) và lực kéo trong các thanh neo được xác định Trong khi phương pháp này được thực hiện trong nhiều năm, phương pháp này bỏ qua tính dẻo của bản đế khi chịu uốn (ngay cả khi bản đế được tăng cường bởi các bộ phận chống đỡ) [4]

Khái niệm này đã được thông qua trong EN 1993-1-8: chuyển bản đế mềm thành tấm cứng và cho phép ứng suất trong nền bê tông chịu được sức nén khi chịu nén tập trung Phương pháp thành phần bao gồm việc xác định các thành phần quan

trọng của liên kết, xem hình 1.5, được gọi là các thành phần và xác định độ bền và độ

cứng của mỗi thành phần Các thành phần được lắp ráp để tạo ra một mô hình liên kết hoàn chỉnh Các quy tắc tính toán sức kháng của chân cột được thể hiện trong EN 1993-1-8:2003 chương 6.2.6 và các quy tắc về tính toán độ cứng được trình bày trong chương 6.3.4[4]

Hình 1.5: Liên kết chân cột điển hình và lựa chọn các thành phần

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chân cột làm nhiệm vụ truyền tải trọng từ cột xuống móng Cấu tạo chân cột cần đảm bảo để tải trọng được truyền đều, để cột làm việc đúng với sơ đồ tính và thuận tiện cho quá trình thi công lắp dựng.Ứng suất nén thiết kế trong móng bê tông nhỏ hơn nhiều so với trong cột thép Vì thế, cần thiết phải có bản đế phù hợp bên dưới cột để phân bố đều tải trọng từ cột xuống móng ở bên dưới

Liên kết bản đế cột là một trong những liên kết quan trọng trong kết cấu thép: được thiết kế để đỡ trọng lực, mômen uốn và lực cắt Hai lực nén trên bê tông và lực căng trong bulông neo kháng moment uốn bên ngoài gây ra bởi cố định bản đế cột trong móng.Hai phương pháp tiếp cận phổ biến được áp dụng đối với thiết kế bản đế chịu tải dọc trục và moment uốn Phương pháp thứ nhất là dựa trên trạng thái đàn hồi của vật liệu và của tất cả các thành phần liên kết; phương pháp còn lại là dựa trên các chế độ phá hoại do các ứng suất và biến dạng sau đàn hồi

CHƯƠNG 2

SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ TÍNH TOÁN CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU

2.1 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ

Xét bản đế như hình vẽ chịu lực dọc trục N Ứng suất dưới bản đế thường phân

bố không đều, ứng suất ở vùng gần chân cột sẽ lớn hơn ứng suất vùng biên Tùy thuộc vào độ cứng của bản đế mà sự chênh lệch này lớn hay bé Khi bản đế mỏng, độ cứng bản đế bé thì ứng suất σmax lớn hơn nhiều so với ứng suất trung bình σm=N/(ab) Khi chiều dày bản đế lớn, bản đế dường như cứng tuyệt đối, biến dạng rất bé thì ứng suất dưới bản đế dường như phân bố đều, σmax≅σm

Hình 2.1:Ứng suất phân bố dưới bản đế

Sự phân bố ứng suất dưới bản đế không những phụ thuộc vào bề dày bản đế mà còn phụ thuộc vào kích thước móng bê tông đỡ cột, cấu tạo chân cột Việc đi phân tích một bài toán như vậy trong thiết kế là khá phức tạp Để đơn giản trong tính toán, Eurocode 3 quan niệm rằng chỉ một phần diện tích móng dưới chân cột tham gia chịu lực – gọi là diện tích hữu hiệu Hình vẽ dưới biểu diễn diện tích hữu hiệu cho chân cột tiết diện hình chữ H, bao quanh tiết diện cột và được xác định bằng cách nới rộng tiết diện chân cột ra các phía với bề rộng c

Hình 2.2:Vùng diện tích hữu hiệu (Hình 2.2a) và ứng suất phân bố dưới bản đế (Hình 2.2b)

2.2 DIỆN TÍCH HỮU HIỆU VÀ CƯỜNG ĐỘ CHỊU ÉP MẶT CỦA BÊ TÔNG

Theo Eurocode 3, phần kích thước mở rộng quanh tiết diện cột được xác định như sau:Bằng cách hạn chế sự biến dạng của bản đế đến vùng đàn hồi, có thể giả sử

ứng suất đồng nhất dưới tấm đế(hình 2.3), cũng chắc chắn rằng không được vượt quá

giới hạn chảy của bản đế Diện tích ảnh hưởng hữu hiệu của bản đế dẻo dựa trên bề rộng hiệu quả c

Hình 2.3:Mô hình phần tử hữu hạn của tấm đế T-Stub và khối bê tông chịu nén, lưới

bị biến dạng và không biến dạng và ứng suất chính trong bê tông

Hình 2.4:Xây dựng mô hình tấm đế

Mômen chống uốn dẻo trên một đơn vị chiều dài của tấm đế được tính bằng:

yd xf xt

1

jd xf

Khi những mômen này bằng nhau, mômen chống uốn của bản đế là đạt được và công thức để đánh giá c thu được từ (1) và (2):

MO x jd xf yd

f tx

c yd xf xt xc

jd xf



3

26

122

Trong đó:t – bề dày bản đế; f yd– giới hạn chảy của thép bản đế; MO – hệ số độ tin cậy

vật liệu thép khi tính bền,MO =1,15; f jd – cường độ tính toán ép mặt của bê tông móng

Như vậy bề rộng c phụ thuộc vào bề dày bản thép đế t, cường độ thép bản đế và

cường độ ép mặt cục bộ bê tông làm móng Chú ý trong trường hợp bản đế hẹp,

khoảng cách từ mép cánh cột đến biên bản đế nhỏ hơn c thì phải lấy diện tích hữu hiệu tương ứng với khoảng cách này (hình 2.5a) Trường hợp bản đế rộng, khoảng cách từ mép cánh cột đến biên bản đế lấy bằng c,phần nhô ra từ c đến mép bản đế xem như bỏ qua (hình 2.5b)

Hình 2.5: Diện tích hữu hiệu tương đương của tiết diện khi bị nén

a – Bản đế hẹp; b – Bản đế rộng

Sức cản của vữa và khối bê tông chịu nén bị giới hạn bởi nghiền nát của vữa hoặc bê tông bên dưới bản đế mềm Trong các mô hình xây dựng được sử dụng, bản

đế mềm được thay thế bằng một tấm cứng tương đương Các tấm tương đương đuợc

hình thành từ mặt cắt ngang của cột tăng lên bởi một dải có chiều rộng hiệu dụng c

Trong trường hợp này, sức kháng thực nghiệm cao hơn sức chịu nén của bê tông

chuẩn EN 1993-1-8 bằng cách sử dụng hệ số tập trung ứng suất kj với giá trị tối đa là 3,0 đối với một tấm đế hình vuông [4][7]

Cường độ ép mặt cục bộ bê tông móng được xác định như sau:

Trong đó: β j – hệ số kể đến vật liệu làm móng, có thể lấy β j =2/3;

k j – hệ số kể đến tỉ số giữa diện tích bản đế A covà diện tích móng quy ước

A c1 ;k j = √A c1 /A conhưng lấy kj≤3 (hình 2.6)

f cd – cường độ tính toán của bê tông, f cd =f ck /γ c với f ck– cường độ nén đặc trưng

của mẫu bê tông hình trụ ở 28 ngày tuổi, γ c =1,5– hệ số tin cậy của vật liệu bê tông

Hình 2.6:Vùng diện tích quy ước và diện tích bản đế

Trong đó: a 1 =min(a+2a r ; 5a; a+h; 5b 1 )và lấy a 1 ≥ a

b 1 =min(b+2b r ; 5b; b+h; 5a 1 )và lấy b 1 ≥ b

Vậy:

c

ck f c

ck

f x co A c A jd

f



 2

13/

Hình 2.7: Ứng suất phân bố đều dưới bản đế khi chịu lực nén đúng tâm

2.3.1 Kiểm tra khả năng chịu ép mặt của bê tông móng

Gọi Aeff là diện tích hữu hiệu dưới bản đế, xác định được sau khi đã tính toán khoảng mở rộng c Khả năng chịu nén ép mặt của bê tông móng:

2.3.2 Kiểm tra bền bản thép đế

Dưới tác dụng của phản lực từ móng lên bản đế trong phần diện tích hữu hiệu

Aeff, bản đế sẽ bị uốn quanh tiết diện chân cột Bản đế kết hợp với bản bụng hay cánh tiết diện cột tạo nên các tiết diện chịu lực gọi là T-stub Ứng suất phân bố đều trong

vùng tiết diện hữu hiệu và có giá trị: σ d =N ed /A eff

Eurocode 3 cho phép tính toán với từng vùng T-stub riêng biệt tương ứng với bản cánh và bản bụng Như vậy bản đế làm việc chịu uốn như dầm công sôn có nhịp là

c chịu tải phân bố đều σd Xét 1 dải bản đế rộng 1 đơn vị, khả năng chịu uốn của tiết diện là (mômen bền dẻo):

MO

y

f x t MO

y

f x

t x x Rd pl M

212

- Lệch tâm bé: toàn bộ chân đế chịu nén

- Lệch tâm lớn: một phần chân đế chịu kéo, phần còn lại chịu nén

- Toàn bộ chân đế chịu kéo

Hình 2.8:Các trường hợp xảy ra của chân cột khi chịu nén lệch tâm

Trường hợp 1: Hình 2.8a – Lệch tâm bé, chân cột chịu nén hoàn toàn

Trường hợp 2: Hình 2.8b – Lệch tâm lớn, cánh trái chịu kéo, cánh phải chịu nén

Trường hợp 4: Hình 2.8c – Cánh trái, cánh phải chân cột chịu kéo hoàn toàn

Sau đây chỉ xét hai trường hợp đầu tiên:

Hình 2.9: a) Trường hợp lực nén lệch tâm bé b) Trường hợp lực nén lệch tâm lớn

Điểm đặt của các hợp lực và định nghĩa cánh tay đòn z trong các trường hợp như hình vẽ Trong trường hợp chịu nén, điểm đặt hợp lực là tại trọng tâm các T-stub tương ứng Tại vùng chịu kéo, điểm đặt hợp lực là tâm bulông chịu kéo

2.4.1 Bản đế chân cột chịu nén lệch tâm – phương pháp thành phần

Ý tưởng thiết kế được áp dụng trong EN 1993-1-8 là chuyển bản đế dẻo thành một bản đế cứng hữu hiệu và cho phép tạo ra các ứng suất trong móng bê tông mà sẽ đạt được khả năng chịu nén trong một vùng tập trung (Murray, 1983)

Ưu điểm chính của phương pháp thành phần (Hình 2.10) là khả năng dự đoán

khả năng quay của các loại liên kết khác nhau bằng một phương pháp duy nhất, bắt đầu bằng việc xác định thích hợp song song với mô hình hóa tất cả các nguồn (thành phần) của cả độ bền kháng và biến dạng Những thành phần riêng biệt được chỉ định là các thành phần (các thành phần của liên kết) và chúng được lắp ráp, tạo ra một mô hình liên kết hoàn chỉnh

Ngoài ra, quá trình gia tải đóng một vai trò quan trọng trong trạng thái của các liên kết bản đế Trong tài liệu kỹ thuật, thường áp dụng hai quá trình gia tải khác nhau:

a) quá trình thứ nhất được đặc trưng bởi gia tải mà tải trọng thẳng đứng và moment uốn tỷ lệ thuận gia tăng để độ lệch tâm không đổi trong quá trình gia tải;

b) ngược lại, quá trình thứ hai được đặc trưng bởi một quá trình gia tải mà trong

Vùng diện tích hữu hiệu dưới cánh trái

Vùng diện tích hữu hiệu dưới cánh phải

đó tải trọng thẳng đứng được đặt trong giai đoạn gia tải thứ nhất và trong giai đoạn thứ hai, việc đặt một moment uốn tăng dần được thực hiện cho đến khi phá hoại Trong trường hợp này, độ lệch tâm tăng lên liên tục, phát sinh thêm một nguồn phi tuyến tính trong trạng thái liên kết

Đối với cấu hình liên kết bản đế cho trong Hình 2.10, theo quy trình được đề

xuất trong Eurocode 3, ba nhóm thành phần khác nhau được xác định theo mối quan

hệ với việc gia tải cụ thể của chúng: bêtông chịu nén, bản đế chịu uốn, thanh neo chịu căng và mặt bích và bụng cột chịu nén Để xác định các bulông neo có cần thiết hay không, cần xác định các kích thước bản đế bằng quá trình xác định kích thước sơ bộ Việc áp dụng phương pháp thành phần yêu cầu phải thực hiện các bước sau đây:

- Xác định lực nén dưới bản đế;

- Xác định kích thước độ cao của miền chịu nén;

- Tính sức kháng moment bên trong

Nếu độ bền của các bulông neo và độ bền ma sát bị vượt quá, lực cắt phải được truyền xuống móng theo các cách khác nhau (sử dụng gờ cắt hoặc chôn bản đế vào móng) [3]

Hình 2.10: Mô hình Eurocode 3 – phân tích thành phần

2.4.2 Trường hợp lực nén lệch tâm bé

Thiết kế bắt đầu bằng giả định một độ lệch tâm tương đương e, bằng với

được thay thế bởi lực dọc trục tương đương tác dụng tại khoảng cách e từ tâm cột như

minh họa trong Hình 2.11 Đối với các độ lệch tâm bé, lực dọc trục tương đương chỉ bị

kháng bởi lực nén

Hình 2.11: Các trường hợp thiết kế bản đế: a – độ lệch tâm nhỏ (toàn bộ chân đế chịu

nén); b – độ lệch tâm lớn ( một phần chân đế chịu kéo, phần còn lại chịu nén)

Xét trường hợp lực tác dụng như hình vẽ, để toàn bộ chân cột chịu nén thì cần thỏa mãn điều kiện:

Gọi F c,l và F c,r là hợp lực nén lên vùng cánh bên trái và cánh bên phải của tiết diện (bỏ qua vùng nén ở bụng) Lấy mômen với điểm đặt hợp lực vùng bên trái ta có:

xZ r c F l c xZ Ed N Ed

Hay:

e

l c Z

xZ r c F Ed M xZ r c

F e

l c

Z x Ed

M

,1

,,

,1

Tại trạng thái giới hạn, hợp lực nén bên cánh phải đạt đến giá trị giới hạn khả

năng chịu lực là F c,r,Rd; lúc này xác định được mômen giới hạn mà chân cột chịu được:

e

l c Z

xZ Rd r c F Rd j

M

,1

,,,



Trong đó: F c,r,Rd– độ bền kháng nén bên dưới mặt bích phải của cột

z c,l– khoảng cách từ trục cột tới thành phần bên trái – mặt bích

Z– cánh tay đòn của hai lực được thiết kế để kháng tác dụng kết hợp của

ngoại lực và mômen uốn, tương đương với z c,l + z c,rtrong trường hợp độ lệch tâm nhỏ

- Lực nén giới hạn cánh phải F c,r,Rd lấy bằng giá trị bé nhất trong các giá trị sau:

Giá trị 1:Khả năng chịu lực giới hạn của vùng bê tông nén hữu hiệu dưới cánh

phải F c,pl,Rd :F c,pl,Rd =A eff,r x f jd (Aeff,r – phần diện tích hữu hiệu bên dướicánh phải)

Giá trị 2:Khả năng chịu lực giới hạn khi nén của tiết diện cánh phải cột kết hợp

với bụng cột F c,fc,Rd; có nghĩa là cánh phải cột kết hợp với 1 phần bụng cột tạo nên tiết

diện chữ T và chịu được một lực nén giới hạn là F c,fc,Rd:

fc t c h

Rd c M Rd fc c F



,

Trong đó: f jd- độ bền chống nén của bê tông bên dưới các tải trọng điểm dọc trục

b eff và l eff - chiều rộng hiệu dụng và chiều dài của mặt bích T-stub

M c,Rd- moment giới hạn mà toàn bộ tiết diện cột chịu được khi đã kể đến ảnh hưởng của lực dọc NEd

h c - chiều cao tiết diện cột và t fc - độ dày mặt cánh cột

b

n x pl c M Rd c

M

5 , 0 1

) 1 ( ,



Trong đó: n=N Ed /N c,pl và b=(A c -2b fc t fc )/A c nhưng b≤0,5

- Trong công thức trên, M c,pl là mômen giới hạn dẻo mà tiết diện cột chịu được,

với tiết diện đối xứng M c,pl =2S x f y /γ M0 với S x – mômen tĩnh của ½ tiết diện

- N c,pl – lực dọc giới hạn mà cột chịu được, N c,pl =(A c f y /γ M0 ) với A c– diện tích tiết diện cột

- Điều kiện chịu lực của chân cột được viết như sau:M ed ≤ M jd

- Khi có lực cắt ở chân cột V Ed thì bố trí bulông để chịu toàn bộ lực cắt hoặc kết hợp với lực ma sát chịu một phần lực cắt

2.4.3 Trường hợp lực nén lệch tâm lớn

Phần bên trái chân cột chịu kéo và phần phải chịu nén, để trường hợp này xảy

ra thì cần thỏa mãn điều kiện:

e ≥ Z c,r

Bỏ qua sự tham gia vùng nén ở vùng bụng Gọi F t,l và F c,r là hợp lực kéo lên vùng cánh bên trái và hợp lực nén lên cánh bên phải của tiết diện Lấy mômen với điểm đặt hợp lực vùng bên trái ta có:

Sau khi biến đổi, ta có: M Ed =F c,r xZ/(1+Z t,l /e) (16)

Cho F c,r đạt đến lực giới hạn F c,r,Rd ta có mômen giới hạn mà chân cột chịu được:

l t Z

xZ Rd r c F jd

M

,1

,,

xZ Rd l t F jd

M

,1

,,



Trong đó:

bulông đặt tại bên trái

zc,r, zt,l– các khoảng cách từ trục cột lần lượt tới các thành phần bên phải – mặt bích và bulông

z – cánh tay đòn của hai lực được thiết kế để kháng tác dụng kết hợp của ngoại

lực và mômen uốn, tương đương với z t,l +z c,r trong trường hợp độ lệch tâm lớn

- Lực kéo giới hạn cánh trái F t,l,Rd lấy bằng giá trị bé nhất trong các giá trị sau:

Giá trị 1:Khả năng chịu kéo ngang F t,wc,Rdcủa bụng cột dưới tác dụng của cánh trái cột Lúc này xem bụng cột kết hợp với bản đế tạo thành tiết diện T-stub, chịu lực kéo ngang do cánh trái gây nên:

MO

wc y xf wc xt wc t eff xb Rd

wc t F

52

2,

,t wc t fb xa b x t fc s eff

Trong đó: - Đối với cột tiết diện hình chữ I hoặc hình chữ H đuợc cán: s=r c

- Đối với cột tiết diện chữ I hoặc chữ H được hàn:

c xa

s 2

- a b được chỉ ra trong hình 2.12 vàa c , r c được chỉ ra trong hình 2.13

Đối với liên kết bu lông, bề rộng hữu hiệu b eff,t,wc của bụng cột chịu kéo nên được lấy bằng với chiều dài hữu hiệu của T-stub tương đương được xác định cho các dãy bu lông và nhóm bu lông riêng biệt

Hình 2.13: Định nghĩa các giá trị của e, e min , r c và m

Giá trị 2:Khả năng chịu uốn F t,pl,Rd của bản đế bên dưới cánh kéo của cột Dưới lực kéo giữ của bulông neo, bản đế bị uốn quanh cánh kéo của cột Sức kháng thiết kế

và mẫu phá hoại của tấm lót chịu uốn, cùng với bu lông khi chịu kéo được lấy giống với mặt bích T-stub đối với:

- Mỗi hàng bu lông riêng lẻ yêu cầu chống lại sức kéo

- Mỗi nhóm của hàng bu lông yêu cầu chống lại sức kéo

Nhóm của hàng bu lông mỗi cạnh được liên kết với bản đế nên được xử lý như các chi tiết T-stub Mở rộng tấm lót, hàng bu lông trong các phần kéo dài cũng nên được xử lý

như các chi tiết T-stub, xem hình 2.14 Sức kháng thiết kế và mẫu phá hoại nên đuợc

xác định riêng cho mỗi T-stub

Hình 2.14: Mô hình hóa phần mở rộng tấm đế như các phần T-stub riêng biệt

Bản đế kết hợp với cánh kéo tạo thành một T-Stub, bỏ qua lực căng trước trong

được xác định tương ứng với mode phá hủy thứ nhất:

m

Rd pl M Rd

pl t

2 , ,



rộng hữu hiệu leff,1:M pl,1,Rd =0,25xl eff xt 2 x f y /MO )

- Việc mở rộng của tấm đế và phần giữa hai mặt bích được mô hình hóa như hai mặt bích T-stub tương đương riêng biệt

- Đối với phần mở rộng của tấm đế, sử dụng ex

và mx ở vị trí của e và m khi xác đinh độ bền thiết kế của mặt bích T-stub tương đương

- Kích thước e min yêu cầu sử dụng trong bảng 2.2 được lấy từ hình 2.13 và hình 2.15 cho tấm đế

nằm giữa các mặt bích Đối với phần mở rộng của tấm đế emin sẽ được lấy bằng với ex

Chú ý là phải tính với 2 trường hợp phá hủy với 2 cơ chế khác nhau để tìm ra

xZ Rd l t F

e

l t Z

xZ Rd r c F jd

M

,1

,,

;,1

,,

Bảng 2.1: Tổng hợp moment thiết kế giới hạn M j,Rd khi chân cột chịu nén lệch tâm

Cạnh bên trái bị kéo

, , 1

/ ,

, ,





Z Rd r c

F và e r c z

Z Rd l t F

, , 1 / ,

, ,







e l c z

Z Rd r t

F và e r t z

Z Rd l c F

1 / ,

, , 1

/ ,

, ,

Z Rd r c

F và e r c z

Z Rd l c F

Giá trị nhỏ hơn:

1 / ,

, , 1

/ ,

, ,

Z Rd r c

F và e r c z

Z Rd l c F

Bảng 2.2:Thiết kế sức kháng F T,Rd của mép T-stub

Lực căng trước trong bu lông neo có thể xuất hiện, tức là

Lb ≤ Lb

Không có lực căng trong bu lông

Kiểu 1 Phương pháp 1 Phương pháp 2

(phương pháp thay thế)

m

Rd pl M Rd T

4

) ) 2

(

1 ) 2 8 (

w e mn

,Rd pl, M w e n ,Rd T, F

2 1

4 1





m

,Rd pl, M ,Rd T,

Rd t F n ,Rd pl, M ,Rd T, F

Kiểu1: Giới hạn chảy cuối cùng của mặt bích

Kiểu 2: Bu lông bị hỏng cùng với giới hạn chảy của mặt bích

n=e min nhưng n ≤1,25m

Ft,Rd là khả năng chịu kéo thiết kế của bulông;

∑Ft,Rd là tổng giá trị Ft,Rdcủa tất cả bulông trong T-stub;

∑ℓeff,1 là giá trị của ∑ℓeff đối với kiểu 1;

∑ℓeff,2 là giá trị của ∑ℓeff đối với kiểu 2;

emin , m và t f được chỉ ra trong hình2.15

fy,bp là giới hạn chảy của tấm tựa;tbp là chiều dày của tấm tựa;

ew = dw / 4;

dw là đường kính của vòng đệm, hoặc chiều rộng qua các điểm đầu bulông hoặc đai ốc, khi phù hợp

LƯU Ý 1: Trong liên kết bu lông giữa dầm và cột hoặc dầm ghép, có thể giả định là lực căng

trước trong bu lông neo sẽ xuất hiện

LƯU Ý 2: Trong phương án 2, lực tác dụng lên mép T-stub bởi một bulông được giả định là

được phân bố đều dưới lông đền, đầu bulông hoặc đai ốc, khi phù hợp, lực được tập trung tại tâm bulông

Giả định này dẫn đến giá trị cao hơn đối với kiểu 1, nhưng khiến giá trị FT,1-2,Rd thay đổi, kiểu 2 và kiểu 3 không thay đổi

Hình 2.15:Kích thướce min , m và t f của mép T-stub

Chiều rộng hữu hiệuℓ eff được quy định theo bảng 2.3 như sau:

Bảng 2.3:Chiều dài hữu hiệu cho tấm lót

Vị trí hàng

bu lông

Hàng bu lông được xem xét riêng lẻ

Hàng bu lông được xem như một phần của nhóm các hàng bu lông Mẫu hình tròn

ℓ eff,cp Mẫu không phải hình tròn ℓ eff,nc Mẫu hình tròn ℓ eff,cp Mẫu không phải hình tròn ℓ eff,nc Hàng bulông

Kiểu 1: ℓeff,1 = ℓeff,nc nhưng ℓeff,1 ≤ ℓeff,cp ∑ℓeff,1 = ∑ℓeff,nc nhưng

∑ℓeff,1 ≤ ∑ℓeff,cp

α được xác định như trên hình 2.16

Hình 2.16: Giá trị của α cho độ cứng mép cột và tấm lót

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Ứng suất dưới bản đế thường phân bố không đều, ứng suất ở vùng gần chân cột

sẽ lớn hơn ứng suất vùng biên Tùy thuộc vào độ cứng của bản đế mà sự chênh lệch này lớn hay bé Sự phân bố ứng suất dưới bản đế không những phụ thuộc vào bề dày bản đế mà còn phụ thuộc vào kích thước móng bê tông đỡ cột, cấu tạo chân cột.Để đơn giản trong tính toán, Eurocode 3 quan niệm rằng chỉ một phần diện tích móng dưới chân cột tham gia chịu lực – gọi là diện tích hữu hiệu

Khi cột chịu nén đúng tâm với lực nén thiết kế NEd thì ứng suất dưới bản đế trong phạm vi diện tích hữu hiệu được coi là phân bố đều, do đó việc tính toán bao gồm kiểm tra khả năng chịu ép mặt của bê tông móng và kiểm tra bền bản thép đế

Khi chân cột chịu tác dụng đồng thời của lực dọc và mômen uốn, tùy thuộc vào chiều lực dọc, tương quan độ lớn giữa lực dọc và mômen mà có thể xảy ra các trường hợp như sau:

+ Lệch tâm bé: toàn bộ chân đế chịu nén

+ Lệch tâm lớn: một phần chân đế chịu kéo, phần còn lại chịu nén

+ Toàn bộ chân đế chịu kéo

Trong trường hợp lực nén lệch tâm bé: Để toàn bộ chân cột chịu nén thì cần thỏa mãn điều kiện: e < Z c,r

Lực nén giới hạn cánh phải F c,r,Rd lấy bằng giá trị bé nhất trong các giá trị sau:

Giá trị 1:Khả năng chịu lực giới hạn của vùng bê tông nén hữu hiệu dưới cánh

phải F c,pl,Rd : F c,pl,Rd =A eff,r x f jd (A eff,r– phần diện tích hữu hiệu bên dướicánh phải)

Giá trị 2:Khả năng chịu lực giới hạn khi nén của tiết diện cánh phải cột kết hợp

với bụng cột F c,fc,Rd; có nghĩa là cánh phải cột kết hợp với 1 phần bụng cột tạo nên tiết

diện chữ T và chịu được một lực nén giới hạn là F c,fc,Rd

 Trong trường hợp lực nén lệch tâm lớn: Phần bên trái chân cột chịu kéo và phần phải chịu nén, để trường hợp này xảy ra thì cần thỏa mãn điều kiện: e ≥ Z c,r

Cách xác định FC,r,Rd giống trường hợp lệch tâm bé

Lực kéo giới hạn cánh trái F t,l,Rd lấy bằng giá trị bé nhất trong các giá trị sau:

Giá trị 1:Khả năng chịu kéo ngang F t,wc,Rdcủa bụng cột dưới tác dụng của cánh trái cột

Giá trị 2: Khả năng chịu uốn F t,pl,Rd của bản đế bên dưới cánh kéo của cột

CHƯƠNG 3

MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT CỤ THỂ

3.1 TÍNH TOÁN CHÂN CỘT ĐƠN GIẢN CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

Tính toán sức chịu tải của chân cột chịu nén đúng tâm được thể hiện như hình

3.1 Cột dùng thépHE200B, bản đế có bề dày t=30mm và khối móng bê tông có kích

thước là 850 x 850 x 900mm Thép mác S235 và loại bê tông mác C20/25 Hệ số an toàn vật liệu là γM0 = 1,15 và γc = 1,50 [6]

Hình 3.1:Thông số thiết kế chân cột

Đối với mặt cắt hữu hiệu của khối móng, các giá trị cực tiểu a1 và b1 được tính:

x j

xk cd xf j co

A

co A c

A x cd xf co xA j eff

xl eff b

u Rd xF j jd

5 , 1

20 67 , 0

Hình 3.2:Vùng diện tích hữu hiệu bên dướibản đế

Diện tích hữu hiệu dưới tấm đế của tiết diện chữ H được tính như sau:

A eff =min(b;b c +2c)× min(a;h ef +2c) - max[min(b;b c +2c) -t w -2c;0] ×max(h c -2t f -2c;0)

Khả năng chịu lực nén của chân cột:N Rd =A eff xf jd =80449x22.3=1794x10 3 N

Hình 3.3: Bản vẽ thiết kế chân cột