Tài liệu Nghiên cứu sự phân bố ứng suất dưới bản để thiết kế chân cột thép dùng diện tích hữu hiệu

BÙI PHƯỚC HẢO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- BÙI PHƯỚC HẢO KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP 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 DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP KHOÁK32TV Đà Nẵng – Năm 2018 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 Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN QUANG HƯNG Đà Nẵng – Năm 2018 i 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 Tác giả luận văn BÙI PHƯỚC HẢO ii 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 iii 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 iv 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. v DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Tên bảng Tổng hợp moment thiết kế giới hạn Mj,Rd khi chân cột chịu nén lệch tâm Thiết kế sức kháng FT,Rd của mép T-stub Chiều dài hữu hiệu cho tấm lót Bảngtổng hợp sức chịu nén của chân cột NRdứng với mỗi chiều dày bản đế t (từ t=18mm t=36mm), khảo sát với bê tông mác C20/25 và bê tông mác C40/50 Bảngtổng hợp sức chịu nén của chân cột NRd ứng với mỗi loại mác bê tông (từ C20/25 C50/60), khảo sát với t=30mm và t=18mm Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd ứng với mỗi loại chiều dày bản đế t (từ t=18mm t=36mm), khảo sát với C25/30 và C40/50 Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd ứng với mỗi loại mác bê tông (từ C16/20 C50/60), khảo sát với t=30mm và t=18mm Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd ứng với mỗi loại chiều dày bản đế t (từ t=18mm  t=36mm), khảo sát mác C16/20 Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd ứng với mỗi loại chiều dày bản đế t (từ t=18mm  t=36mm)khảo sát mác C40/50 Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd ứng với từng loại mác bê tông (từ C16/20  C50/60), khảo sát t=30mm Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd ứng với từng loại mác bê tông (từ C16/20C50/60), khảo sát t=18mm Trang 25 25 27 31 32 37 38 44 46 47 49 vi DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Trang Tên hình 1.1 Cấu tạo cột thép 3 1.2 Liên kết chân cột thép 6 1.3 Cấu tạo liên kết chân cột 8 1.4 Phân tích đàn hồi móng cột thép thiết kế theo tải dọc trục và moment uốn; 9 a – giả định lý thuyết; 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 b – trạng thái thực tế. Liên kết chân cột điển hình và lựa chọn các thành phần Ứng suất phân bố dưới bản đế. Vùng diện tích hữu hiệu (Hình 2.2a) và ứng suất phân bố dưới bản đế (Hình 2.2b) 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. Xây dựng mô hình tấm đế 10 12 13 13 13 2.6 Diện tích hữu hiệu tương đương của tiết diện khi bị nén. a – Bản đế hẹp; b – Bản đế rộng Vùng diện tích quy ước và diện tích bản đế 2.7 Ứng suất phân bố đều dưới bản đế khi chịu lực nén đúng tâm 15 2.8 Các trường hợp xảy ra của chân cột khi chịu nén lệch tâm 16 2.9 a) Trường hợp lực nén lệch tâm bé b) Trường hợp lực nén lệch tâm lớn 17 2.10 Mô hình Eurocode 3 – phân tích thành phần 18 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 2.12 Chuyển vị nén của cột mềm 22 2.13 Định nghĩa các giá trị của e, emin, rc và m 23 2.14 Mô hình hóa phần mở rộng tấm đế như các phần T-stub riêng biệt 24 2.15 Kích thước emin, m và tf của mép T-stub 26 2.16 Giá trị của α cho độ cứng mép cột và tấm lót 27 2.5 14 15 vii 3.1 Thông số thiết kế chân cột 29 3.2 Vùng diện tích hữu hiệu bên dưới bản đế 30 3.3 Bản vẽ thiết kế chân cột 30 3.4 3.5 Biểu đồ quan hệ giữa sức chịu nén của chân cột NRd với từng chiều dày bản đế, khảo sát C20/25 và C40/50 Biểu đồ quan hệ giữa sức chịu nén của chân cột NRd với từng mác bê tông (C16/20→C50/60), khảo sát t=30mm và t=18mm 31 32 3.6 Thông số thiết kế chân cột 33 3.7 Diện tích hữu hiệu bên dưới bản đế 35 3.8 3.9 Biểu đồ quan hệ giữa mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd với từng chiều dày bản đế t, khảo sát C20/25 và C40/50 Biểu đồ quan hệ giữa mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd với từng mác bê tông (từ C16/20 C50/60), khảo sát t=30mm và t=18mm 38 39 3.10 Thiết kế chân cột 40 3.11 Diện tích hữu hiệu bên dưới bản đế 42 3.12 Biểu đồ quan hệ giữa sức chịu uốn của chân cột MRd với chiều dày bản đế, khảo sát C16/20 và C40/50 46 3.13 Biểu đồ quan hệ giữa mômen chịu uốn giới hạn của chân cột MRd với từng loại mác bê tông C16/20→C50/60, khảo sát t=30mm và t=18mm 49 1 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 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 3 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 4 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. 5 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]. 6 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. Cột thép Cột thép Có hoặc không có bu lông Hình 1.2: Liên kết chân cột thép a – Liên kết chân cột ngàm; b – Liên kết chân cột khớp - 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. 7 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 8 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 9 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. 10 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 EN1993-18:2005[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 11 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.