Tài liệu Nghiên cứu tính toán khung liên hợp thép bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn châu âu trong điều kiện việt nam (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI -------------------------------------- NGUYỄN VIẾT HIỆN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KHUNG LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hà nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI -------------------------------------- NGUYỄN VIẾT HIỆN KHÓA: 2012 – 2014 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KHUNG LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số:60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN VÕ THÔNG Hà nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô ở Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội trong suốt quá trình đào tạo thạc sĩ đã cung cấp kiến thức và phương pháp để em có thể áp dụng trong nghiên cứu giải quyết các vấn đề trong luận văn của mình. Xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Võ Thông , người đã nhiệt tình hướng dẫn em thực hiện luận văn này. Hà Nội, ngày...../...../2014 HỌC VIÊN Nguyễn Viết Hiện LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. HỌC VIÊN Nguyễn Viết Hiện MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Lý do chọn đề tài .............................................................................................................. 1 Mục tiêu , đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận văn ....................... 1 Mục tiêu của luận văn: ..................................................................................................... 1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 1 Phương pháp nghiên cứu.................................................................................................. 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ...................................................... 2 Cấu trúc của luận văn. ...................................................................................................... 2 Chương I: Tổng quan về khung liên hợp thép – bê tông cốt thép ............................ 3 1.1.Tổng quan về kết cấu khung liên hợp thép - bê tông ................................................. 3 1.1.1. Khái niệm về khung liên hợp thép – bêtông cốt thép ............................................ 3 1.1.2. Cấu tạo khung liên hợp .......................................................................................... 3 1.1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép bêtông............................... 6 1.1.4. Kết cấu liên hợp thép - bê tông tại Việt Nam ........................................................ 9 1.2. Một số nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước .................................................... 13 1.3. Tính ưu việt của kết cấu liên hợp ............................................................................ 13 1.4. Nguyên tắc thiết kế kết cấu liên hợp ....................................................................... 15 1.4.1. Sàn liên hợp .......................................................................................................... 15 1.4.2. Dầm liên hợp ........................................................................................................ 16 1.4.3. Cột liên hợp ......................................................................................................... 19 1.5. Vật liệu sử dụng trong khung liên hợp thép -bê tông cốt thép ................................ 19 1.5.1. Bê tông ................................................................................................................. 19 1.5.2. Cốt thép thanh ...................................................................................................... 20 1.5.3.Thép kết cấu .......................................................................................................... 21 Chương II: Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết tính toán ............................................... 22 2.1. Vật liệu tính toán khung liên hợp thép - bê tông cốt thép ....................................... 22 2.1.1. Bê tông ................................................................................................................. 22 2.1.2. Cốt thép thanh ...................................................................................................... 24 2.1.3.Thép kết cấu .......................................................................................................... 25 2.2. Các loại tải trọng tác dụng thay đổi ở Việt Nam so với tiêu chuẩn Eurocode 4 .... 26 2.2.1.Tải gió ................................................................................................................... 26 2.3. Phân tích nội lực...................................................................................................... 29 2.3.1. Độ cứng tương đương cột .................................................................................... 29 2.3.2.Phần mềm phân tích nội lực .................................................................................. 29 2.4. Tính toán các cấu kiện trong khung liên hợp thép bê tông cốt thép ....................... 29 2.4.1.Tính toán cấu kiện dầm ......................................................................................... 29 2.4.2. Tính toán cấu kiện cột .......................................................................................... 45 2.4.3. Tính toán liên kết cấu kiện dầm và cấu kiện cột .................................................. 52 2.5. Trình tự tính toán khung liên hợp thép - bê tông cốt thép ...................................... 60 Chương III: Ví dụ tính toán khung liên hợp thép –bê tông cốt thép ...................... 62 3.1.Kích thước hình học điều kiện ví dụ tính toán ......................................................... 62 3 .1.1.Kích thước khung ................................................................................................. 62 3.1.2.Chọn sơ bộ kích thước tiết diện. ........................................................................... 63 3.2.1.Bê tông cấp độ bền B30 ........................................................................................ 65 3.2.2.Cốt thép thanh nhóm AIII ..................................................................................... 65 3.2.3. Thép kết cấu XCT42 ............................................................................................ 65 3.3.Tải trọng tính toán .................................................................................................... 65 3.3.1.Tĩnh tải .................................................................................................................. 65 3.3.2.Hoạt tải .................................................................................................................. 69 3.3.3.Tải gió ................................................................................................................... 78 3.4.Tính toán khung ....................................................................................................... 79 3.4.1. Phân tích nội lực................................................................................................... 79 3.4.2.Tính toán cấu kiện dầm ......................................................................................... 95 3.4.3.Tính toán cấu kiện cột ........................................................................................... 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 111 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Trong phần này sử dụng các ký hiệu cơ bản sau: 1. Các đặc trưng hình học a, a ' lần lượt là khoảng cách từ hợp lực của cốt thép chịu kéo và chịu nén đến biên gần nhất của tiết diện; khoảng cách từ hợp lực của nội lực trong cốt thép (cốt cứng và cốt mềm) a1 chịu kéo đến biên chịu kéo tiết diện; a khoảng cách từ trục của cánh trên của cốt cứng đến biên chịu nén tiết diện; A diện tích toàn bộ tiết diện ngang của bê tông; Ab diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu nén; As , As' lần lượt là diện tích tiết diện của cốt mềm chịu kéo và chịu nén; Asr , Asr' lần lượt là diện tích tiết diện phần cốt cứng nằm trong vùng chịu kéo và chịu nén; Asr , f , Asr' , f lần lượt là diện tích tiết diện các cánh của cốt cứng nằm trong vùng chịu kéo và chịu nén; b b chiều rộng tiết diện chữ nhật; bf chiều rộng cánh tiết diện chữ I; eo độ lệch tâm của lực dọc đối với trọng tâm của tiết diện; e1 độ lệch tâm có kể đến ảnh hưởng của uốn dọc; ea độ lệch tâm ngẫu nhiên; h chiều cao của tiết diện chữ nhật; h' khoảng cách từ biên chịu nén của bê tông đến trọng tâm cốt mềm chịu kéo; ho chiều cao làm việc của tiết diện, bằng h-a1 ; i bán kính quán tính của tiết diện ngang của cấu kiện đối với trọng tâm tiết diện; ired bán kính quán tính của tiết diện thẳng góc quy đổi trong mặt phẳng tương ứng; I mô men quán tính của tiết diện bê tông đối với trọng tâm tiết diện của cấu kiện; I red mô men quán tính của tiết diện quy đổi đối với trọng tâm của nó; Is mô men quán tính của tiết diện cốt mềm đối với trọng tâm của tiết diện cấu kiện; I sr mô men quán tính của tiết diện cốt cứng đối với trọng tâm của tiết diện cấu kiện; r khoảng cách từ biên chịu nén của bê tông đến trọng tâm của cốt cứng; l chiều dài hình học cấu kiện; lo chiều dài tính toán của cấu kiện chịu tác dụng của lực nén dọc; tw chiều dày bản bụng tiết diện chữ I; t f ,tb chiều dày trung bình bản cánh thép tiết diện chữ I cán nóng; tf chiều dày bản cánh thép tiết diện chữ I; x chiều cao vùng bê tông chịu nén; Wp mô men kháng uốn dẻo của cốt cứng; W mô men kháng uốn đàn hồi. 2. Nội lực M mô men uốn; N lực dọc; Q lực cắt. 3. Các đặc trưng vật liệu Eb mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông khi nén và kéo; Es mô đun đàn hồi của cốt mềm; Esr mô đun đàn hồi của cốt cứng; Rbn cường độ chịu nén tiêu chuẩn dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái giới hạn thứ nhất (cường độ lăng trụ); Rbnt cường độ chịu kéo tiêu chuẩn dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái giới hạn thứ nhất; Rb , Rb ,s cường độ chịu nén tính toán dọc trục của bê tông ứng với trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai; Rbt , Rbt , ser cường độ chịu kéo tính toán dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai; Rsw cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ngang; Rs , Rs , ser cường độ chịu kéo tính toán của cốt mềm ứng với trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai; Rsc cường độ chịu nén tính toán của cốt mềm ứng với trạng thái giới hạn thứ nhất; DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH SỐ HIỆU HÌNH TÊN HÌNH Hình 1.1. Hệ khung liên hợp Hình 1.2. Hệ khung liên hợp nhà cao tầng ở nhật Hình 1.3. Một số mặt cắt ngang cột liên hợp Hình 1.4. Nút liên kết giữa hai dầm liên hợp trực giao Hình1. 5. Khung liên hợp thép bê tông cốt thép Hình 1.6. Citibank Duisburg (Đức) Hình 1.7. Tháp thiên niên kỷ (Viên – Áo ) 55 tầng dùng kết cấu liên hợp Hình 1.8. Công trình trụ sở làm việc Bộ ngoại giao Hình 1.9. Khu trung tâm thương mại 5 tầng toàn nhà BITEXCO (TP HCM) bằng kết cấu liên hợp thép bêtông cốt thép Hình 1.10. Bệnh viện Chợ Rẫy TP HCM Hình 1.11. Công trình tháp Tricon Hình 1.12. Khách sạn JW Marriott Hanoi Hình 1.13. Công trình SEVT Thái Nguyên Hình 1.14. HUD Tower Hà Nội Hình 2.1. Chiều rộng tham gia làm việc của tấm đan đối với 1 dầm Hình 2.2. Nhịp tương đương để xác định Hình2.4. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản bê tông (uốn dương) Hình 2.5. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản cánh thép dầm(chịu momen dương) Hình 2.6. Biểu đồ ứng suất khi trục trung hòa đi qua bản bụng dầm thép(momen uốn dương) Hình 2.7. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua cánh dầm thép(momen uốn âm) Hình 2.8. Sự phân bố ứng suất dẻo khi trục tung trung hòa đi qua bản bụng(momen uốn âm) Hình 2.9. Ảnh hưởng của lực cắt đến sức bền khi uốn Hình2.10. Liên kết dầm cột liên hợp Hình 2.11. Chốt hàn trong cột liên hợp Hình 2.12. Các giới hạn phân loại mối nối(kết cấu có giằng). Hình 2.13. Mối nối dầm – cột Hình 2.14. Mối nối bằng sườn đầu dầm Hình 3.1. Sơ đồ kết cấu khung Hình 3.2. Tiết diện thép kết cấu dầm Hình 3.3. Tiết diện cột Hình 3.4. Sơ đồ bao nội lực nén Hình 3.5. Sơ đồ bao nội lực cắt Hình 3.6. Sơ đồ bao nội lực mômen Hình 3.7 . Sơ đồ uốn cột Hình 3.8. Sơ đồ chịu uốn và nén của cột Hình 3.9. Biểu đồ tương tác DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ HIỆU BẢNG, TÊN BẢNG BIỂU BIỂU Bảng 2.1. Các đặc trưng cơ học của bêtông theo Eurocode 4 Bảng 2.2. Giá trị fcm của bê tông ở tuổi 28 ngày theo Eurocode 4 Bảng 2.3. Lớp độ bền bê tông giữa Eurocode với TCVN 5574:2012 Bảng 2.4. Thép thanh dùng cho kết cấu BTCT theo TCVN 5574:2012 Bảng 2.5. Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng theo TCVN 5575 Bảng 2.6. Áp lực gió tiêu chuẩn (W(20y,3’’,B)) ứng với các vùng áp lực gió Bảng 2.7. Hệ số chuyển đổi áp lực gió Kcđ từ chu kỳ lặp 20 năm sang các chu kỳ khác Bảng 2.8. Vận tốc gió tiêu chuẩn v(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió Bảng 2.9. Vận tốc gió cơ bản vb ứng với các vùng áp lực gió Bảng 3.1. Bảng tải trọng tiêu chuẩn Bảng 3.2. Tổng tải trọng tác dụng lên sân thượng Bảng 3.3. Tải trọng tĩnh tải hoạt tải Bảng 3.4. Bảng tính hệ số K Bảng 3.5. Bảng kết quả nội lực cấu kiện cột Bảng 3.6. Bảng kết quả nội lực cấu kiện dầm 1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Trong các loại kết cấu chịu lực thì dạng kết cấu khung là dạng kết cấu được sử dụng tương đối phổ biến. Trước đây dạng kết cấu thường được sử dụng vật liệu là bê tông cốt thép hoặc thép. Những năm gần đây, do nhận thấy kết cấu liên hợp Thép – Bê tông cốt thép có nhiều ưu điểm nên dạng kết cấu khung liên hợp Thép – Bê tông cốt thép được sử dụng nhiều nhất đối với nhà cao tầng. Khung bê tông cốt thép và khung thép là kết cấu phổ biến sử dụng trong nhà cao tầng, thấp tầng, một tầng đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Ở các nước trên thế giới phát triển như Châu Âu, Mỹ, Úc, Nhật Bản…đã có các tiêu chuẩn để tính toán thiết kế cho kết cấu liên hợp trong đó có kết cấu khung liên hợp Thép – Bêtông cốt thép còn ở Việt Nam thi chưa có tiêu chuẩn này. Do đó tác giả đã lựa chọn đề tài “Ngiên cứu tính tóan khung liên hợp thép – bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu trong điều kiện Việt Nam” cho luận văn thạc sĩ kỹ thuật. Mục tiêu , đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận văn Mục tiêu của luận văn: - Nghiên cứu tính toán khung liên hợp thép – bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu trong điều kiện Việt Nam. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Kết cấu khung liên hợp thép – bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu trong điều kiện Việt Nam - Phạm vi nghiên cứu: 2 + Tính toán khung liên hợp Thép – Bêtông cốt thép dùng cho nhà cao tầng theo tiêu chuẩn Eurocode 4 có xét đến các đặc thù Việt Nam như vật liệu sử dụng; Số liệu điều kiện của Việt Nam + Khảo sát cho một ví dụ cụ thể tìm ra các kết luận và kiến nghị Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết và phương pháp tính kết cấu khung liên hợp thép – bê tông cốt thép và những thành tựu ứng dụng của kết cấu này trên thế giới và tại Việt Nam. - Áp dụng khảo sát và ứng dụng tính tóan khung liên hợp thép – bê tông cốt thép Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu - Về ý nghĩa khoa học và thực tiễn nghiên cứu vận dụng lý thuyết tính toán khung liên hợp thép – bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu trong điều kiện Việt Nam. Cấu trúc của luận văn. - Nội dung của luận văn như sau: Mở đầu Chương I: Tổng quan về khung liên hợp thép – bê tông cốt thép Chương II: Các cơ sở lý thuyết tính toán Chương III: Ví dụ tính toán khung liên hợp thép –bê tông cốt thép Kết luận THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau khi nghiên cứu lý thuyết tính toán nói chung đối với khung liên hợp thép - bê tông kết hợp với ví dụ tính toán cụ thể để ứng dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp tác giả rút ra một số kết luận như sau: - Kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt thép được sử dụng hiệu quả với kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng lớn và yêu cầu hạn chế về tiết diện tối đa vầ tiết diện dầm và tiết diện cột . Tuy nhiên việc tính toán thiết kế loại kết cấu này vẫn chưa phổ biến và chưa có tiêu chuẩn thiết kế ở Việt Nam - Việc thiết kế tính toán kết cấu khung liên hợp thép bê tông được tính theo tiêu chuẩn Eurocode 4. Khi xét trong điều kiện Việt Nam, cần chú ý đến các yếu tố như vật liệu như: Bê tông, Thép kết cấu, Thép cốt và điều kiện địa hình, vận tốc gió. - Các kết quả thu được sau quá trình nghiên cứu: Căn cứ vào lý thuyết tính toán kết cấu liên hợp nói chung theo tiêu chuẩn Eurocode 4, Trình bày một số tính toán cụ thể về khung liên hợp và đưa ra quy trình tính toán khung liên hợp thép bê tông cốt thép trong điều kiện vật liệu, tải trọng, gió ở Việt Nam. Sau khi nghiên cứu tính toán khung liên hợp thép bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Eurocode 4 trong điều kiện Việt Nam thì thấy có thể áp dụng tiêu chuẩn Eurocode 4 để tính toán thiết kế kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt thép cho các công trình cao tầng ở Việt Nam sử dụng kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt thép qua quá trình quy đổi các dữ liệu đầu vào như vật liệu, tải trọng, gió. Kiến nghị Trong xu hướng phát triển ngành xây dựng như hiện nay, khả năng ứng dụng kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt thép trong nhà cao tầng nhằm giảm kích thước tiết diện và nâng cao hiệu quả kinh tế là khả thi. Để có thể áp dụng nhiều hơn cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng hơn nữa để giúp các kỹ sư có thêm các phương án kết cấu trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng. Khi thiết kế khung liên hợp thép bê tông cốt thép thì cần chú ý như sau : 112 + Quy đổi vật liệu sử dụng. + Tính độ cứng tương đương. + Quy đổi tốc độ gió. Các công thức tính toán trong đề tài là sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu liên hợp thép bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Eurocode 4, do đó cần nghiên cứu thêm bằng thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác cao hơn. Cần mở rộng nghiên cứu nhiều dạng khung liên hợp thép bê tông cốt thép khác nhau vì trong đề tài này tác giả chưa xét hết các trường hợp các loại khung liên hợp. 113 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt 1.Phạm Văn Hội, Kết cấu liên hợp thép bê tông dung trong nhà cao tầng , Nhà xuất bản khoa họcvà kỹ thuật 2. Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2008), Kết cấu bê tông cốt thép (Phần cấu kiện cơ bản), Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 3. Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Xuân Liên, Nguyễn Phấn Tấn (2004), Kết cấu Bê tông cốt thép,Nhà xuất bản Khoahọc và kỹ thuật, Hà Nội. 4. Ngô Thế Phong, Lý Trần Cường, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh (1996), Kết cấu Bê tông cốt thép,Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 5. Lều Thọ Trình, Lê XuânHuỳnh, Nguyễn Văn Phượng (1995), Cơ học kết cấu Tập 1,2,Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 6. TCVN 2737:1995, Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế. 7. TCXDVN 338:2005, Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế. 8. TCVN 5574:2012, Kết cấu bê tông và Kết cấu bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế. Tiếng Anh 9. EC4: ENV 1994-1-1: Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures Part 1.1: General rules and rules for buildings 10.EC2:EN1992-1-1 : Eurocode 2: Design of concrete structures.