Tính toán cột thép nhà nhiều tầng chịu nén lệch tâm theo TCVN 5575 2012 và BS EN 1993 2005 (tt)

Vấn đề đặt ra là trong kết cấu thép, các tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012 tiêu chuẩn Châu Âu BS EN 1993:2005 có những quy định rất khác nhau về tải trọng, tổ hợp tải trọng, vật liệu và

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THÁI BÌNH

TÍNH TOÁN CỘT THÉP NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO TCVN 5575:2012

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Phản biện 1: TS Nguyễn Quang Tùng

Phản biện 2: TS Đặng Khánh An

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Xây dựng dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 24 tháng 01 năm 2021

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa

- ĐHĐN

 Thư viện Khoa Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Vấn đề đặt ra là trong kết cấu thép, các tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012 tiêu chuẩn Châu Âu BS EN 1993:2005 có những quy định rất khác nhau về tải trọng, tổ hợp tải trọng, vật liệu và các điều kiện

sử dụng về sự khác nhau về quy định về chiều dài tính toán và nguyên tắc tính toán, kiểm tra ổn định tổng thể khi có sự tương tác nhiều lực

Vì vậy cần có sự tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích một cách toàn diện

sự tương quan, giống nhau và khác nhau của các tiêu chuẩn nhằm áp dụng một cách linh hoạt và phù hợp trong sử dụng thực tế

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu đánh giá:

- Sự khác nhau về quan niệm chiều dài tính toán của cột thép, theo TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005

- Sự khác nhau về quan niệm kiểm tra ổn định tổng thể của cột thép, theo TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tính toán cột thép nhà nhiều tầng chịu nén lệch tâm

Sử dụng TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005 để nghiên cứu, tính toán và đánh giá cột thép nhà nhiều tầng khi chịu nén lệch tâm

4 Phương pháp nghiên cứu

Bằng phương pháp tìm hiểu lý thuyết tính toán và thực hành tính toán với các ví dụ cụ thể, từ các số liệu đó phân tích đánh giá và so sánh để nhận định về sự cần thiết áp dụng trong những trường hợp nào thì hợp lý và áp dụng như thế nào để đảm bảo chịu lực, mỹ quan công trình, đạt hiệu quả kinh tế và thi công thuận lợi

5 Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và phần Kết luận, kiến nghị, luận văn gồm 3 chương sau:

- Chương 1: Cơ sở thiết kết cấu thép

- Chương 2: Thiết kế cột chịu nén lệch tâm trong nhà nhiều tầng theo các tiêu chuẩn

- Chương 3: Ví dụ tính toán cột chịu nén lệch tâm

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

1.1 Tải trọng sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn

1.1.1 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam

1.1.2 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocodes

1.1.2.1 Tải trọng thường xuyên và tải trọng áp đặt

1.1.2.2 Hệ số vượt tải và tổ hợp tải trọng

1.1.3 Vật liệu thép theo TCVN 5575:2012

1.1.4 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Châu Âu

1.2 Nhận xét chương 1

1.2.1 Nhận xét chung về phương pháp thiết kế

1.2.1.1 Thiết kế theo trạng thái giới hạn

Cả hai tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005 đều quy định thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn, bao gồm :trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực và trạng thái giới hạn về điều kiện sử dụng

1.2.1.2 Về hệ số an toàn

Các tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005 đều sử dụng hệ số độ tin cậy về tải trọng và hệ số an toàn về vật liệu Tiêu chuẩn Việt Nam còn có các hệ số an toàn nữa là hệ sô điều kiện

làm việc của kết cấu γ C, hệ số an toàn về chức năng công trình, mà Eurocode không có

1.2.2 Nhận xét chung về tải trọng thiết kế

Khi tính toán tải trọng, cả hai tiêu chuẩn (TCVN 5575:2012 và Eurocode 3) đều quy định có hệ số vượt tải Tuy nhiên hệ số vượt tải của Eurocode 3 lớn hơn của TCVN 5575:2012 Cả hai tiêu chuẩn đều quy định đưa tải trọng vào tính toán cần nhân với hệ số tổ hợp, các hệ

số tổ hợp theo hai tiêu chuẩn là khác nhau

1.2.3 Nhận xét chung về sử dụng vật liệu trong các tiêu chuẩn

Cường độ tính toán của vật liệu thép theo TCVN 5575:2012 được xác định bằng chính giới hạn chảy của thép chia cho hệ số an toàn vật liệu

Theo BS EN 1993:2005 chỉ giới thiệu 3 cấp thép chính: EN

10025-2, 10025-3, 10025-4, 10025-5, 10025-6 và EN 10210-1

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG THEO CÁC TIÊU CHUẨN

2.1 Sơ lược cột thép trong nhà nhiều tầng

2.2 Tính toán cột chịu nén lệch tâm theo TCVN 5575:2012

2.2.1 Những quan niệm tính toán cơ bản

2.2.2 Độ mảnh và chiều dài tính toán

2.2.2.1 Độ mảnh giới hạn của các thanh chịu nén

2.2.2.2 Chiều dài tính toán của cột

2.2.3 Tính toán về ổn định của cột thép đặc chịu nén đúng tâm 2.2.4 Tính toán cột chịu nén lệch tâm

2.2.5 Tính toán về ổn định tổng thể cột tiết diện đặc

2.2.5.1 Tính toán về ổn định cấu kiện chịu nén lệch tâm, nén uốn, có tiết diện không đổi trong mặt phẳng của mômen uốn trùng với mặt phẳng đối xứng

2.2.5.2 Tính toán về ổn định ngoài mặt phẳng uốn cấu kiện chịu nén lệch tâm có tiết diện không đổi, mômen uốn tác dụng trong mặt phẳng

có độ cứng lớn hơn (I x > I y ) trùng với mặt phẳng đối xứng

2.2.5.3 Cấu kiện chịu nén lệch tâm, uốn trong mặt phẳng có độ cứng nhỏ nhất (I y < I x và e y 0)

2.2.5.4 Ổn định của tiết diện đặc, chịu nén uốn trong hai mặt phẳng chính, khi mặt phẳng có độ cứng lớn hơn (I x > I y ) trùng với mặt phẳng đối xứng

2.2.6 Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm

2.2.6.1 Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm 1 phương theo TCVN 5575:2012

2.2.6.2 Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm 1 phương theo TCVN 5575:2012

2.3 Tính toán cấu kiện chịu nén theo tiêu chuẩn BS-EN 1:2005

1993-1-2.3.1 Phân lớp tiết diện

2.3.2 Tính toán độ bền

2.3.2.1 Chịu nén

2.3.2.2 Mômen

2.3.2.3 Lực cắt

2.3.3 Tính toán ổn định của cấu kiện theo BS EN 1993-1-1:2005

2.3.3.1 Cấu kiện tiết diện không đổi chịu nén

2.3.3.2 Cấu kiện tiết diện không đổi chịu uốn

2.3.3.3 Cấu kiện tiết diện không đổi chịu nén và uốn

2.3.4 Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm

b c c

i c c

I l n lI

I l p lI





Các tầng giữa (p 0, 68) 0, 2

0, 68 (p 0,9)(n 0, 08) 0,1n

n p

B B A B

c c B c B

B B B B

E I L G

E I L

E I L G

E I L

b c

c

i c c

I l n lI

I l p lI

I l p lI





B B A B

c c B c B

B B B B

E I L G

E I L

E I L G

E I L

2.4.2 So sánh cách tính cột thép tiết diện đặc theo TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005

Bảng 2.2 So sánh cách tính cột thép tiết diện đặc theo TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005

- TCVN Tính toán tiết diện thép với vật liệu làm việc đàn hồi chỉ cho phép tính toán dẻo trong một số trường hợp hạn chế

- Khi kiểm tra bền cột chịu nén, về quan niệm cả hai tiêu chuẩn đều đưa ra cách tính toán giống nhau là lấy lực nén thiết kế chia cho khả năng chịu lực nén của thiết diện Trong đó BS

EN lấy hệ số tin cậy vật liệu 𝛾𝑀0 ≥ 1 còn TCVN lấy hệ số làm việc  c 1

W el TCVN chỉ lấy 1 môđun chống uốn W duy nhất

n c x

, ,min 0

1/

y Ed Ed Ny Ed

eff y M eff y y M

z Ed Ed Nz eff x y M

EN còn phân theo lớp tiết diện để tính toán và kể đến hệ số tin cậy vật liệu

M

 , còn TCVN kể đến hệ số làm việc

c

 và các hệ số phụ thuộc vào hình dạng tiết diện c x , c y , n c

   Af N Ed/c 1

- Trong BS EN sử dụng hệ số mất ổn định  phụ thuộc vào đường cong mất ổn định (a, b, c, a o ) và độ mảnh tương đối _ Các đường cong mất ổn định được tra theo kích thước hình học của tiết diện ngang TCVN sử dụng hệ số uốn dọc  được tính toán dựa trên độ mảnh tương đối

_

 và cường độ chảy của thép f y

e c

N Af

  +Ngoài mặt phẳng uốn

.

1

e xy c

N Af

  

+m e y. m x

- Tiết diện lớp 1, 2, 3

, ,Rk z,

z,Rk

, ,Rk z,

z,Rk

1

1

y Ed Ed

yy

y Rk LT y Ed

yz

y Ed Ed

zy

z Rk LT y Ed

zz

M N

k

M k M

M N

k

M k M

- TCVN 5575:2012 chia ra kiểm tra cho riêng từng mặt phẳng với các công

z, , , z,

z,

1

1

y Ed Ed Ny Ed

yy

y Rk LT y Rk

Ed Ed Nz yz

Rk

y Ed Ed Ny Ed

zy

z Rk LT y Rk

Ed Ed Nz zz

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN CỘT CHỊU NÉN LỆCH

TÂM 3.1 Tính toán cột chịu nén lệch tâm một phương

Tổ hợp nội lực cột điển hình để tính toán:

3.1.1 Tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012

Vậy chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng khung:

Vậy cột đảm bảo ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn

Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn:

Vậy cột đảm bảo ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn

3.1.2 Tính toán theo tiêu chuẩn BS EN 1993:2005

Phân loại tiết diện

Ta có

W

225

25 339

thuộc tiết diện loại 1

Vậy cột có bản cánh và bản bụng thuộc lớp 1 nên cột có tiết

diện ngang loại 1

Xác định chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng khung

và mômen

3.1.3 Ví dụ khác kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm 1 phương

3.2 Tính toán cột chịu nén lệch tâm hai phương

Tính toán với cột biên tầng 2 trục 2 có:

Ta có

W

19,8 3310

t    nên bụng thuộc tiết diện loại 1

thuộc tiết diện loại 1

Vậy cột có bản cánh và bản bụng thuộc lớp 1 nên cột có tiết diện ngang loại 1

Xác định chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng khung

BS EN 1993:2005

y Rk

y Ed yy

LT y

Ed yz

N N M k M M k M

Ed

z Rk

y Ed zy

LT y

Ed zz

N N M k M M k M

z,Rk

1

y Ed Ed

yy

y Rk LT y

Ed yz

M N

k

M k M

, ,Rk z,

z,Rk

1

y Ed Ed

zy

z Rk LT y

Ed zz

M N

k

M k M

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

- Chiều dài tính toán của cột trong khung thép

Hệ số chiều dài tính toán của cột được xác định theo TCVN 5575:2012 và BS EN 1995-2005, đều phụ thuộc vào moment quán tính (I), chiều cao của cột đang xét và mômen quán tính và chiều dài của cột liên kết vào cột trong khung thép và vị trí của cột trong khung Đối với TCVN 5574:2012 hệ số chiều dài tính toán còn phụ thuộc vào

số nhịp trong khung, còn theo BS EN 1995:2005 phụ thuộc vào độ cứng và chiều dài của cột trên và cột dưới của cột đang xét

Ở các ví dụ trên thì chiều dài tính toán cột giữa, cột biên ở các tầng giữa và tầng trên cùng trong khung, được xác định theo TCVN 5575

và BS EN 1993:2005 cho hệ số tính toán sấp sỉ bằng nhau Nhưng cột

ở tầng dưới cùng thì có sự chênh lệch về hệ số chiều dài tính toán, TCVN 5575:2012 cho kết quả lớn hơn so với BS EN 1993:2005 khoảng 20% ,do liên kết của cột vào móng là liên kết khớp, theo BS

EN theo lý thuyết G là vô cùng, nhưng trong thiết kế bỏ qua ma sát lấy G=10 để tính toán

- Quan niệm kiểm tra ổn định cho cột chịu nén lệch tâm một phương

Đối với tiết diện như các ví dụ trên, tính toán theo TCVN 5575:2012 sử dụng môđun chống uốn (W) trong giai đoạn đàn hồi Khi tính toán kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn cho kết quả an toàn hơn

Tính toán theo BS EN 1993:2005 sử dụng mô đun chống uốn trong giai đoạn dẻo (do phân loại tiết diện loại 1), kiểm tra ổn định tổng thể ngoài phụ thuộc vào chiều dài tính toán của cột còn phụ thuộc vào dạng biểu đồ moment phân bố trên cột Kiểm tra ổn định tổng thể là kiểm tra do oằn xoắn và oằn bên

Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể theo TCVN 5575:2012 gần sát với yêu cầu thiết kế hơn so với BS EN 1993:2005 Nên nếu có sự mất

ổn định thì chính là do mất ổn định ngoài mặt phẳng uốn

- Quan niệm kiểm tra ổn định cho cột chịu nén lệch tâm hai phương

Đối với tiết diện như ví dụ trên, tính toán theo TCVN 5575:2012

sử dụng mô đun chống uốn (W) trong giai đoạn đàn hồi Khi tính toán kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn cho kết quả bất lợi hơn Tính toán theo BS EN 1993:2005 sử dụng mô đun chống uốn trong giai đoạn dẻo (do phân loại tiết diện loại 1), kiểm tra ổn định tổng thể ngoài phụ thuộc vào chiều dài tính toán của cột còn phụ thuộc vào dạng biểu đồ moment phân bố trên cột Kiểm tra ổn định tổng thể là kiểm tra do oằn xoắn và oằn bên

Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể theo TCVN 5575:2012 lớn hơn

so với BS EN 1993:2005 Nên nếu có sự mất ổn định thì chính là do mất ổn định trong mặt phẳng uốn

Theo qui định của TCVN 5575:2012, việc kiểm tra ổn định tổng thể của cấu kiện chịu nén chỉ như là một việc kiểm tra thêm sau khi đã tính toán về cường độ Mọi bảng biểu cần cho việc kiểm tra đều ở phụ lục nên người thiết kế dễ thực hiện cho việc tính toán

Theo EN 1993-1-1:2005 Việc tính toán oằn bên kèm xoắn theo

BS EN 1993:2005 cũng hết sức chi tiết và thống nhất thành một công thức kiểm tra , thể hiện chia ra đường cong tính oằn trong trường hợp chung, trường hợp tiết diện thép hình và tiết diện hàn tương đương Việc phân loại tiết diện và môđun chống uốn dẻo để tính toán trong một số trường hợp sẽ tiết kiệm vật liệu hơn

2 Kiến nghị

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả nhận thấy việc xác định hệ số chiều dài tính toán của cột trong khung thép nhà nhiều tầng là rất phứt tạp Vì trong thực tế xây dựng kết cấu khung nhà thép có nhiều liên kết khác giả thiết liên kết giữa dầm và cột là khớp hoặc cứng, các điều kiện làm việc cũng khác so với giả thuyết

áp dụng vào mô hình tính toán, dẫn đến việc thiết kế không còn chính xác Vì thế, trong thời gian đến tác giả kiến nghị cần có những nghiên cứu xét đến những điều kiện làm việc thực tế ảnh hưởng đến hệ số

chiều dài tính toán của cột thép trong khung nhà nhiều tầng

TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005 là hai tiêu chuẩn tiên tiến, đầy đủ và mang tính khoa học cao, tuy nhiên khi tính toán kiểm tra khả năng chịu lực có phần khác nhau Vì thế, khi thiết kế kết cấu một công trình cụ thể chỉ nên dùng một hệ thống tiêu chuẩn quy phạm chứ không được lẫn lộn cả hai, sẽ đưa đến những phi lý Tránh tình trạng khi thiết kế dùng một tiêu chuẩn này và khi thẩm định thì dùng một

tiêu chuẩn khác