Tài liệu So sánh cách tinh toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén uốn theo tiêu chuẩn eurocode 3 và tcvn 5575 2012

MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP .......................................................... 2 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG ........................................................................................... 3 1.1.1. Phân loại và phạm vi sử dụng cột thép...................................................... 3 1.1.2. Sơ đồ tính, chiều dài tính toán và độ mảnh của cột .................................. 4 1.2.CẤU TẠO CỘT THÉP............................................................................................6 1.2.1. Cấu tạo cột đặc .......................................................................................... 6 1.2.2. Cấu tạo cột rỗng ........................................................................................ 6 1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ...................................................................................... 8 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỘT THÉP RỖNG 2 NHÁNH CHỊU NÉN-UỐN THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE3 VÀ TCVN 5575-2012 . 9 2.1. NGUYÊN TẮC CHUNG DÙNG TRONG TÍNH TOÁN .................................... 9 2.1.1. Các nguyên tắc tính toán theo TC Eurocode 3 ......................................... 9 2.1.2. Các nguyên tắc cơ bản tính toán theo TCVN 5575-2012 ......................... 10 2.2. VẬT LIỆU THÉP SỬ DỤNG ............................................................................... 10 2.2.1. Vật liệu thép theo TC Eurocode 3 ............................................................ 10 2.2.2.Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Việt Nam ..................................................... 12 2.3. TẢI TRỌNG SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ ..................................................... 13 2.3.1. Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocode ............................................. 13 2.3.2. Tải trọng thiết kế theo TCVN ................................................................... 15 2.4. TÍNH TOÁN CỘT THÉP THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3 ...................... 16 2.4.1. Phân loại tiết diện...................................................................................... 16 2.4.2. Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực ................................................. 19 2.4.3. Tính toán ổn định cột thép chịu nén có tiết diện không đổi ..................... 23 2.4.4. Tính toán ổn định cột thép tổ hợp có tiết diện không đổi chịu nén .......... 27 2.5. TÍNH TOÁN CỘT THÉP RỖNG CHỊU NÉN-UỐN THEO TCVN 5575-2012 . 32 2.5.1. Tính toán về bền........................................................................................ 32 2.5.2. Tính toán về ổn định tổng thể ................................................................... 35 2.5.3. Tính toán về ổn định cục bộ...................................................................... 39 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ...................................................................................... 41 2.5.1. So sánh về phƣơng pháp tính toán của 2 tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012 ........................................................................................................... 41 2.5.2. So sánh về vật liệu thép sử dụng trong tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012 ........................................................................................................... 41 2.5.3. So sánh về tải trọng theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012 ... 42 2.5.4. So sánh cách tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012 ....................................................................... 43 CHƢƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ........................................................................... 49 3.1. LÝ DO CHỌN CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN............................................................49 3.2. VÍ DỤ 1 ................................................................................................................. 49 3.2.1. Tính toán theo tiêu chuẩn Eurocode 3 ...................................................... 51 3.2.2. Tính toán theo TCVN 5575-2012 ............................................................. 55 3.3. VÍ DỤ 2 ................................................................................................................. 58 3.3.1. Tính toán theo tiêu chẩn Eurocode 3 ........................................................ 59 3.3.2. Tính toán theo TCVN 5575-2012 ............................................................. 63 3.4. VÍ DỤ 3 ................................................................................................................. 67 3.4.1. Tính toán theo tiêu chuẩn Eurocode 3 ...................................................... 69 3.4.2. Tính toán theo TCVN 5575-2012 ............................................................. 73 3.5. TÍNH TOÁN VỚI MỘT SỐ VÍ DỤ KHÁC ......................................................... 77 3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ...................................................................................... 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 83 TÓM TẮT SO SÁNH CÁCH TÍNH TOÁN CỘT THÉP RỖNG 2 NHÁNH CHỊU NÉN-UỐN THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3 VÀ TCVN 5575-2012 Học viên: Đặng Tuấn Anh Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD&CN. Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 31 Trƣờng Đại học Bách khoa-ĐHĐN Tóm tắt: Tiêu chuẩn Eurocode 3 là bộ tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu thép cho công trình đƣợc áp dụng cho các nƣớc thuộc Liên minh Châu Âu và đang đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới đƣa vào sử dụng. Trong quá trình hội nhập hiện nay, việc tiếp thu và áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật từ các nƣớc trên thế giới là nhiệm vụ quan trọng đối với ngành xây dựng. Do đó, luận văn:“So sánh tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012”, tập trung nghiên cứu cách tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn theo 2 tiêu chuẩn là Eurocode 3 và TCVN 5575-2012, so sánh nhƣng điểm giống và khác nhau trong tính toán của hai tiêu chuẩn, thực hiện những tính toán cụ thể, qua đó có cơ sở để so sánh nhằm đề xuất đƣợc cách toán có lợi hơn về khả năng chịu lực cho cột thép rỗng 2 nhánh chịu nénuốn. Từ khóa: Tiêu chuẩn Eurocode 3, TCVN 5575-2012, kết cấu thép, so sánh, cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn. COMPARING THE CALCULATION METHOD IN BENDING AND PRESSURE RESISTANT HOLLOW STEEL TUBE WITH 2 BRANCHES IN ACCORDANCE WITH EUROCODE 3 AND TCVN 5575-2012 Abstract: Eurocode 3 is a steel structure design standard set applicable to European Union countries and is being used by many countries in the world. In the process of integration, the adoption and application of scientific and technological advances from countries around the world is an important task for the construction industry. Therefore, the thesis: “Comparing the calculation method in the bending and pressure resistant hollow steel tube with 2 branches in accordance with Eurocode 3 and TCVN 5575-2012” focuses on the calculation of the calculation in the bending and pressure resistant hollow steel tube with 2 branches in accordance with Eurocode 3 and TCVN 5575-2012 and the comparison of similarities and differences in the calculation in accordance with 2 standard to serve as the bases for proposing a more cost effective way to calculate the bearing capacity of the bending and pressure resistant hollow steel tube with 2 branches. Key words: Eurocode 3, TCVN 5575-2012, steel structure, comparison, the bending and pressure resistant hollow steel tube with 2 branches. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT a. Các đặc trưng hình học: A diện tích nguyên An, Ach diện tích thực của 1 nhánh. Ad diện tích mặt cắt ngang của thanh xiên. Av diện tích mặt cắt ngang của thanh ngang. Aeff diện tích hữu hiệu của tiết diện. Af diện tích bản cánh. Aw diện tích bản bụng. t chiều dày danh nghĩa của cấu kiện. tb chiều dày bản giằng. tf chiều dày bản cánh. tw chiều dày bản bụng. h chiều cao cột. h0 khoảng cách giữa trọng tâm các nhánh. hw chiều cao bản bụng. b chiều rộng cột. b0 chiều rộng phần nhô ra của bản cánh. d chiều dài tính toán của thanh giằng xiên. db chiều cao bản giằng. L chiều dài hình học của cột. Lch khoảng cách giữa các nút liên kết. Lx, Ly chiều dài tính toán theo phƣơng x, y của cột. Lcr chiều dài tính toán. i bán kính quán tính của tiết diện. Ieff moment quán tính hữu hiệu của cấu kiện. Ich moment quán tính của tiết diện của một nhánh. Ib moment quán tính tiết diện của một bản giẳng. Inx, Iny moment quán tính đối với trục x và trục y của tiết diện cột. Wnx,min, Wny,min moment chống uốn nhỏ nhất của tiết diện thu hẹp đối với trục x và y. Weff modul chống uốn hữu hiệu. Wc modul chống uốn Wpl modul dẻo của tiết diện. Wel modul đàn hồi của tiết diện. Sv độ cứng chống cắt của hệ thanh bụng hoặc hệ bản giằng. b. Nội lực, ngoại lực: Mx, My giá trị moment uốn của tổ hợp nội lực bất lợi nhất (tƣơng ứng mặt phẳng uốn x-x,y-y). NRd khả năng chịu nén của tiết diện. NEd giá trị thiết kế của lực nén. Npl,Rd khả năng chịu nén khi thiết kế dẻo của tiết diện. Nb,Rd độ bền thiết kế khi mất ổn định của cấu kiện chịu nén. Ncr lực tới hạn đàn hồi. MEd giá trị thiết kế của moment có xét đến hiệu ứng bậc 2. 1 M Ed giá trị thiết kế của moment khi không xét đến hiệu ứng bậc 2. MRd giá trị độ bền thiết kế khi mất ổn định của cấu kiện chịu uốn. Med moment gây ra do chuyển vị của trục trọng tâm. MRk giá trị đặc trƣng cho khả năng chịu uốn của tiết diện. VEd lực cắt của cấu kiện. c. Cường độ, ứng suất: E modul đàn hồi. G modul trƣợt. fy giới hạn chảy của thép fu giới hạn bền của thép. τ ứng suất tiếp. σ ứng suất pháp. d. Các ký hiệu, thông số: γc hệ số điều kiện làm việc. ν hệ số nở ngang. γM hệ số tin cậy về vật liệu. λ độ mảnh tƣơng đƣơng. λ̅ độ nảnh quy ƣớc. Μ hệ số chiều dài tính toán của cột. χ hệ số mất ổn định cho dạng mất ổn định tƣơng ứng. α hệ số sai lệch. m độ lệch tâm tƣơng đối. n số mặt phẳng của hệ thanh bụng giằng. me độ lệch tâm tƣơng đối tính đổi. η hệ số ảnh hƣởng hình dạng tiết diện. e độ lệch tâm tiết diện. υ hệ số uốn dọc. ε hằng số. e. Các chữ viết tắt TC TCVN KNCL GHSD ĐKLV Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Việt Nam Khả năng chịu lực Giới hạn sử dụng Điều kiện làm việc DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 1.1 Hệ số chiều dài tính toán μ của cột tiết diện không đổi 1.2 Hệ số chiều dài tính toán bổ sung μj của tiết diện thay đổi Giá trị giới hạn chảy fy và giới hạn bền fu đặc trƣng của thép cán 2.1 mỏng 2.2 Phân hạng tải trọng phân bố 2.3 Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang 2.4 Tỷ số lớn nhất giữa bề rộng và bề dày của phần chịu nén 2.5 Hệ số sai lệch cho đƣờng các cong cƣờng độ mất ổn định 2.6 Lựa chọn đƣờng cong cƣờng độ mất ổn định cho tiết diện 2.7 Độ cứng kháng cắt của các thanh bụng giằng của cấu kiện tổ hợp 2.8 Hệ số hữu hiệu µ Hệ số để tính độ bền của các cấu kiện khi kể đến sự phát triển của 2.9 biến dạng dẻo. 2.10 Giá trị giới hạn [b0/tf] 2.11 Giá trị M 2.12 Hệ số α và β 2.13 Giá trị giới hạn [hw /tw ] Trang 5 5 11 14 15 17 24 25 30 32 32 34 36 37 40 2.14 Giá trị giới hạn của [ /t ] 40 2.15 Bảng so sánh cách tính toán cột thép rông hai nhánh chịu nén- uốn theo TC Eurocode 3 và TCVN 5575-2012 43 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4. 3.5 Tên hình vẽ Trang Sơ đồ tính và tiết diện cột đặc Cấu tạo cột rỗng Các đƣờng cong cƣờng độ mất ổn định Cột tổ hợp có tiết diện không đổi với các thanh bụng và bản giằng Hệ thanh bụng trong bốn mặt và chiều dài tính toán Lch của nhánh Hệ thanh bụng giằng đơn trên các mặt đối diện của cấu kiện tổ hợp có hai mặt phẳng giằng song song Moment và lực ở đoạn biên của cấu kiện tổ hợp với liên kết bản giằng Sơ đồ tiết diện ngang của định hình cong Cấu tạo thân cột ví dụ 1 Cấu tạo thân cột ví dụ 2 Cấu tạo thân cột ví dụ 3 Biểu đồ kiểm tra ổn định nhánh cột trong mặt phẳng x-x Biểu đồ kiểm tra ổn định nhánh cột trong mặt phẳng y-y 6 7 26 28 28 31 31 34 50 58 68 79 79 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của vật liệu và khoa học kỹ thuật, kết cấu thép tiền chế với những ƣu điểm của mình nhƣ kết cấu nhẹ, cƣờng độ chịu lực cao, vƣợt đƣợc không gian lớn, giá thành thấp, thi công lắp dựng nhanh… ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của đời sống. Ở Việt Nam những năm gần đây kết cấu thép cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi cùng với sự phát triển của nền kinh tế. Hiện nay, nhiều nƣớc có nền khoa học kỹ thuật phát triển trên thế giới đã ban hành bộ tiêu chuẩn về tính toán kết cấu thép nhƣ: AISC(Mỹ), JIS(Nhật Bản), AS(Úc), Eurocode 3(Liên minh Châu Âu)…Trong đó, việc tính toán các cấu kiện thép nói chung và cột thép nói riêng tại Việt Nam theo tiêu chuẩn hiện hành là TCVN 55752012. Tiêu chuẩn Eurocode 3 là bộ tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu thép cho công trình đƣợc áp dụng cho các nƣớc thuộc Liên minh Châu Âu và đang đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới đƣa vào sử dụng. Trong quá trình hội nhập hiện nay, việc tiếp thu và áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật từ các nƣớc trên thế giới là nhiệm vụ quan trọng đối với ngành xây dựng. Do đó, luận văn: “So sánh tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012”, tập trung nghiên cứu cách tính toán, kết quả của việc tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn theo 2 tiêu chuẩn là Eurocode 3 và TCVN 5575-2012, qua đó có cơ sở để so sánh nhằm đề xuất đƣợc cách toán có lợi hơn về khả năng chịu lực cho cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Tính toán, so sánh khả năng chịu nén-uốn của cột thép rỗng 2 nhánh khi tính toán theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012. 3. Đối tƣ ng ph m vi nghiên cứu ối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng chịu nén-uốn của cột thép rỗng 2 nhánh. hạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu đối với cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn khi tính toán theo tiêu chuẩn: + Tiêu chuẩn Eurocode 3. + TCVN 5575-2012. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo của cột thép rỗng 2 nhánh. - Nghiên cứu sự làm việc của cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn. - Nghiên cứu phƣơng pháp tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 3. - Nghiên cứu phƣơng pháp tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén uốn theo TCVN 5575-2012. - Đƣa ra các so sánh về khả năng chịu nén-uốn của cột thép rỗng 2 nhánh chịu 2 nén-uốn khi tính theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 5575-2012. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu về sự làm việc của cột thép rỗng 2 nhánh khi chịu nén-uốn. - Tính toán cột thép rỗng 2 nhánh theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCVN 55752012. - So sánh kết quả tính toán thu đƣợc. 6. Cấu tr c uận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận-kiến nghị, luận văn gồm 3 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về cột thép Chƣơng 2: Phƣơng pháp tính toán cột thép rỗng 2 nhánh chịu nén-uốn theo tiêu chuẩn Eurocoe 3 và TCVN 5575-2012. Chƣơng 3: Ví dụ tính toán 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG Cột là cấu kiện thẳng đứng làm nhiệm vụ đỡ các kếu cấu khác nhƣ dầm, dàn và truyền tải trọng từ các kết cấu đó xuống móng. Cột ( hay thanh nén) đƣợc sử dụng rộng rãi trong kết cấu thép. Cột có 3 bộ phận chính: đầu cột, thân cột và chân cột. Đầu cột: là bộ phận đỡ các liên kết bên trên và phân phối tải trọng cho tiết diện thân cột. Thân cột: là bộ phận chịu lực cơ bản, truyền tải trọng từ trên xuống dƣới. Chân cột: là bộ phận liên kết cột vào móng, phân phối tải trọng từ cột xuống móng. 1.1.1 Phân lo i và ph m vi sử dụng cột thép 1.1.1.1. Phân loại cột thép Cột thép có nhiều loại khác nhau tùy thuộc theo sự phân loại: - Theo sử dụng: có cột nhà công nghiệp, cột nhà khung nhiều tầng, cột đỡ sàn công tác, cột đỡ đƣờng ống, cột đƣờng dây tải điện,… - Theo cấu tạo: có cột đặc, cột rỗng, cột tiết diện thay đổi nhƣ: cột bậc. 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 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. 1.1.1.2. Phạm vi sử dụng cột thép Phạm vi sử dụng của cột thép là rất rộng, có thể chia làm các loại công trình sau: - Nhà công nghiệp: khung nhà công nghiệp là toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cầu trục nặng. - Khung nhà nhiều tầng: đặc biệt các kiểu nhà dạng tháp ở thành phố. Khi nhà trên 2030 tầng thì nội lực trong cột sẽ rất lớn, yêu cầu độ cứng cao, dùng khung thép có lợi hơn khng bê tông cốt thép. - Kết cấu thép cao: nhƣ các loại cột điện, cột ăng ten vô tuyến, tháp trắc đạt hoặc một số loại kết cấu đặc biệt nhƣ tháp khoan dầu. Sử dụng thép ở đây có lợi vì kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp dựng. 4 1.1.2. Sơ đồ tính chiều dài tính toán và độ mảnh của cột 1.1.2.1. Sơ đồ tính-Liên kết đầu cột - Sơ đồ tính của cột là trục dọc của cột có các liên kết ở chân cột và đầu cột theo các phƣơng (thƣờng là theo 2 phƣơng có trục chính x,y của tiết diện cột). Các liên kết này có thể là khớp cố định, ngàm, ngàm trƣợt, ngàm đàn hồi, đầu tƣ do,v.v… tùy thuộc vào điều kiện và cấu tạo cụ thể của liên kết giữa cột với móng, giữa cột với các xà ngang (dầm, dàn). - Liên kết ở chân cột, với giả thiết móng là một khối cứng và không có chuyển vị khi chịu tải trọng từ chân cột truyền vào nó, ta có sơ đồ liên kết cột với móng là khớp cố định hoặc ngàm tùy theo cấu tạo cụ thể của liên kết. Chân cột khớp thƣờng đƣợc sử dụng cho cột nén đúng tâm; đối với cột nén lệch tâm (nén uốn) nó đƣợc sử dụng khi yêu cầu thiết kế không có moomen ở chân cột, ví dụ nhƣ nền đất yếu. Liên kết ngàm dùng cho cột nén lệch tâm( nén uốn) và cho cả cột nén đúng tâm, nó làm tăng độ ổn định cho cột. - Liên kết đầu cột, đầu cột liên kết với các xà ngang có thể là liên kết khớp hoặc liên kết cứng (liên kết cứng giữa cột và xà ngang là liên kết chịu đƣợc moomen và tại đó góc hợp bởi trục cột và trục xà ngang không bị thay đổi). Đối với cột hệ khung, thƣờng dùng liên kết cứng; cột nén đúng tâm thƣờng dùng liên kết khớp. 1.1.2.2. Chiều dài tính toán Chiều dài tính toán của cột l0 phụ thuộc vào sơ đồ tính và nội lực dọc trong cột, đối với cột tiết diện không đổi hoặc của các đoạn cột bậc l0 là: l0 =μl (1.1) Trong đó: l- chiều dài hình học của cột, của đoạn cột đối với cột bậc, của chiều cao tầng (theo sơ đồ tính khung) đối với cột khung. μ-hệ số chiều dài tính toán, μ phụ thuộc vào đặc điểm của nội lực nén dọc trong cột và sơ đồ liên kết ở đầu cột và chân cột. Với cột diện tích không đổi có sơ đồ liên kết đầu cột đƣợc xác định rõ rang (khớp cố định, đầu tự do, ngàm, ngàm trƣợt) hệ số μ lấy theo bảng 1.1. Các trƣờng hợp khác nhƣ cột bậc, cột trong hệ khung…xác định theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép và các sổ tay, tài liệu chuyên ngành kết cấu thép. Chiều dài tính toán của cột có tiết diện thay đổi (bề cao, bề rộng tiết diện thay đổi theo quy luật bậc nhất, nhƣ các sơ đồ trong bảng 1.2) ngoài hệ số μ nhƣ cột tiết diện thay đổi, còn xét đến sự thay đổi tiết diện của cột qua hệ số μj (gọi là hệ số chiều dài tính toán bổ sung). Giá trị của chiều dài tính toán của cột này là: l0 =μj μl (1.2) Trong đó: hệ số μj lấy theo bảng 1.2 5 Số TT Bảng 1.1. Hệ số chiều dài tính toán μ của cột tiết diện không đổi Sơ đồ kết cấu, tải trọng và Số Sơ đồ kết cấu, tải trọng và μ nội lực TT nội lực Μ N N 1 2 5 1 N N 2 1 6 2 0,7 7 0,725 0,5 8 1,12 N 3 N 4 Bảng 1.2. Hệ số chiều dài tính toán bổ sung μj của tiết diện thay đổi μj khi tỉ số Imin/Imax bằng Sơ đồ hình dạng cột l1/l 0,01 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Imax Imin - - 1,35 1,24 1,14 1,08 1,02 1,0 6 Imax Imin Imax Imin L1 L2 - - 1,66 1,45 1,24 1,14 1,06 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,69 1,45 1,23 1,07 1,01 1,35 1,22 1,11 1,03 1,00 1,25 1,15 1,07 1,02 1,00 1,14 1,08 1,04 1,01 1,00 1,08 1,05 1,02 1,01 1,00 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,0 - 1.2.CẤU TẠO CỘT THÉP 1.2.1. Cấu t o cột đặc Cột đặc chịu nén đúng tâm thƣờng đƣợc sử dụng khi chịu lực nén lớn (N=150-4000kN), nhƣng có chiều cao nhỏ H<8m, chiều cao tiết diện h≤0,8m. Cột đặc có cấu tạo đơn giản, dễ gia công, lắp dựng. Thân cột thƣờng sử dụng tiết diện bằng thép hình nguyên hoặc ghép hở hoặc kín. Hình 1.1. Sơ đồ tính và tiết diện cột đặc 1.2.2. Cấu t o cột rỗng Thân cột rỗng đƣợc cấu tạo bởi các nhánh đặt cách xa nhau liên kết lại với nhau bằng các thanh thép hình (thƣờng là thép góc) (hình 1.2a, b) gọi là thanh bụng hoặc các bản thép tấm (hình 1.2c, d) gọi là bản giằng. Theo số lƣợng nhánh cột có thể có các loại hai, ba nhánh và bốn nhánh. Cột hai nhánh bằng thép hình chữ [ (hình 1.2a, b) thƣờng sử dụng khi lực nén tính toán N=1500-2500kN và bằng thép hình I (hình 1.2c) thƣờng sử dụng khi lực nén tính toán N>2500kN. Cột ba nhánh (hình 1.2e, f) và cột bốn nhánh (hình 1.2d) thƣờng sử dụng khi nén tính toán N<1500kN và có chiều cao tƣơng đối lớn. Cột có lực 7 nén tính toán N<2500kN có thể sử dụng hệ thanh bụng xiên không có thanh ngang (hình 1.2a). Thanh bụng bằng thép góc thì lấy không nhỏ hơn L40x4. Khi khoảng cách giữa hai nhánh không lớn hơn 0,8-1m thì có thể sử dụng loại cột rỗng bản giằng liên kết hàn (hình 1.2c) hoặc bản giằng liên kết bulông (hình 1.2d). Chiều dày của bản giằng lấy nhƣ sau: 6 12mm 1 1 ( ) tg 10 30 dg , dg =(0,5 0,8)h (1.3) 1 b { 50 g Để chống xoắn và giữ cho tiết diện cột không bị thay đổi, dọc theo chiều cao cột đặt các vách cứng cách nhau 3-4m. Vách cứng có thể làm từ thép tấm (hình 1.2g) hoặc từ hai thanh thép góc đặt chéo nhau (hình 1.2h). Hình 1.2. Cấu tạo cột rỗng 8 1.2.2.1. Sự làm việc của cột rỗng Trục của tiết diện cột cắt qua tiết diện đặc nhánh gọi là trục thực hay trục vật liệu (trục y-y hình 1.2a,b,c). Trục của cột cắt qua hệ thanh bụng gọi là trục ảo hay trục tự do (trục x-x hình 1.2a,b,c,d và trục y-y trên hình 1.2d,e,f). 1.2.2.2. Sự làm việc của cột rỗng quanh trục ảo Khi chịu uốn quanh trục ảo x-x (trục vuông góc với hệ thanh bụng hình 1.2) phát sinh ra nội lực cắt Vs làm cho cột bị nén uốn và các nhánh cột bị trƣợt tƣơng đối với nhau kéo theo sự biến dạng cho hệ thanh bụng. Sự biến dạng của hệ thanh bụng làm rút ngắn khoảng cách giữa các nhánh cột nên độ cứng của cột giảm đi. Sự biến dạng ngang của cột khi chịu uốn dọc quanh trục ảo tƣơng đƣơng với sự tác dụng của lực cắt quy ƣớc Vs gây nén uốn. 1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 - Chƣơng 1 trình bày đƣợc khát quát chung về cột thép với các điểm chính sau: + Cấu tạo chung của các dạng cột thép + Phân loại các dạng cột thép. + Phạm vi ứng dụng của cột thép. + Trình bày khái quát về sơ đồ tính, chiều dài tính toán và độ mảnh của cột thép. - Trình bày đƣợc cấu tạo và sự làm việc của hai dạng cột thép đặc và rỗng. - Trình bày tổng quan về vật thép sử dụng treo hai tiêu chuẩn là TCVN 5575-2012 và tiêu chuẩn Eurocode 3. 9 CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỘT THÉP RỖNG 2 NHÁNH CHỊU NÉN-UỐN THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE3 VÀ TCVN 5575-2012 2.1. NGUYÊN TẮC CHUNG DÙNG TRONG TÍNH TOÁN 2.1.1. Các nguyên tắc tính toán theo TC Eurocode 3: 2.1.1.1. Thiết kế theo trạng thái giới hạn TC Eurocode 3 quy định tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn. Kết cấu đƣợc thiết kế sao cho không vƣợt quá trạng thái giới hạn của nó. Các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (trạng thái giới hạn thứ nhất) là các trạng thái kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hƣ hỏng do biến dạng quá lớn hoặc do hƣ hỏng cục bộ làm nguy hại đến sự an toàn của con ngƣời, của công trình; Trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng gồm: Do sự rung động quá mức, sự han gỉ quá mức dẫn đến việc hạn chế sử dụng công trình. Làm hỏng sự hoàn thiện của kết cấu. Làm ảnh hƣởng đến việc sử dụng bình thƣờng của thiết bị máy móc, của con ngƣời. 2.1.1.2. Hệ số tin cậy Theo Eurocode 3 khi tính toán kết cấu thép sử dụng hệ số tin cậy sau: γf, γsd :Hệ số an toàn về tải trọng. γf xét sự sai khác có thể có của tải trọng thực tế so với giá trị quy định. γsd xét đến sự sai khác của kết cấu thực tế so với mô hình dùng trong tính toán. γF=γfγsd (2.1) γm, γRd: Hệ số an toàn vật liệu. Xét đến sự biến động của tính chất vật liệu và sức chịu của kết cấu khi vật liệu của kết cấu thực sai khác với vật liệu của mô hình tính toán. γM=γmγRd (2.2) 10 2.1.2. Các nguyên tắc cơ bản tính toán theo TCVN 5575-2012: 2.1.2.1. Trạng thái giới hạn theo TCVN 5575-2012 Tiêu chuẩn TCVN 5575-2012 sử dụng phƣơng pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vƣợt quá thì kết cấu không còn thoả mãn các yêu cầu sử dụng hoặc dựng lắp. Các trạng thái giới hạn gồm: Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (KNCL) là trạng thái mà kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị sụp đổ hoặc hƣ hỏng, làm nguy hại đến sự an toàn của con ngƣời, của thiết bị. Đó là các trƣờng hợp: Kết cấu không đủ độ bền (phá hoại bền), hoặc kết cấu bị mất ổn định, hoặc kết cấu bị phá hoại dòn, hoặc vật liệu kết cấu bị chảy dẻo. Trạng thái giới hạn về sử dụng (GHSD) là trạng thái mà kết cấu không còn sử dụng bình thƣờng đƣợc nữa do bị biến dạng quá lớn hoặc do hƣ hỏng cục bộ. Các trạng thái giới hạn này gồm: trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng làm ảnh hƣởng đến sử dụng bình thƣờng của thiết bị máy móc, của con ngƣời hoặc làm hỏng sự hoàn thiện của kết cấu, sự rung động quá mức, sự han gỉ quá mức. 2.1.2.2. Hệ số tin cậy theo TCVN 5575-2012 Khi tính toán kết cấu sử dụng các hệ số tin cậy nhƣ sau: Hệ số độ tin cậy về cƣờng độ vật liệu γM. Hệ số độ tin cậy về tải trọng γc. Khi tính toán theo giới hạn về KNCL, sử dụng tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số γQ (gọi là hệ số vƣợt tải hoặc hệ số tin cậy tải trọng). Khi tính toán theo trạng thái giới hạn về sử dụng và tính toán về mỏi thì dùng tải trọng tiêu chuẩn. Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu (ĐKLV) γc. Khi kiểm tra KNCL của các kết cấu thuộc những trƣờng hợp nêu trong bảng 3 TCVN 5575-2012, cƣờng độ tính toán của thép và của liên kết phải đƣợc nhân với hệ số ĐKLV để kể đến sự làm việc bất lợi của kết cấu so với bình thƣờng. 2.2. VẬT LIỆU THÉP SỬ DỤNG 2.2.1. Vật liệu thép theo TC Eurocode 3 Những năm gần đây, thép châu Âu đã dùng tiêu chuẩn chung EN thay thế cho tiêu chuẩn từng nƣớc nhƣ NF của Pháp, BS của Anh. Thép kết cấu sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn EN 1993-1-1:2005 đƣợc lấy theo Bảng 2.1. Các mác thép thƣờng dùng là S235, S275, S355, S450 v.v. . . con số đi sau để chỉ giới hạn chảy của thép (N/mm2). 11 Bảng 2.1.Giá trị giới hạn chảy fy và giới hạn bền fu đặc trưng của thép cán mỏng Đơn vị tính: MPa Chiều dày danh nghĩa của cấu kiện t(mm) Tiêu chuẩn và ký hiệu t≤40mm 40≤t≤80 t≤40mm fy fu fy fu EN 10025-2 S 235 235 360 215 360 S 275 275 430 255 410 S355 355 510/490 335 470 S 450 440 550 410 550 EN 10025-3 S 275 N/NL 275 390 255 370 S 355 N/NL 355 490 335 470 S 420 N/NL 420 520 390 520 S 460 N/NL 460 540 430 540 EN10025-4 S 275 M/ML 275 370 255 360 S 355 M/ML 355 470 335 450 S 420 M/ML 420 520 390 500 S 460 M/ML 460 540 430 530 EN 10025-5 S 235 W 235 360 215 340 S 355 W 355 510 335 490 EN 10210-1 S 460 Q/Q/QL1 460 570 440 550 EN10210-1 S 235 H 235 360 215 340 S 275 H 275 430 255 410 S 355 H 355 510 335 490 S 275 NH/NLH 275 390 255 370 S 355 NH/NLH 355 490 335 470 S 420 NH/NLH 420 540 390 520 S 460 NH/NLH 460 560 430 550 EN 10219-1 S 235 H 235 360 S 275 H 275 430 S355 H 355 510 S 275 NH/NLH 275 370 12 S355 NH/NLH S 460 NH/NLH S 275 MH/MLH S 355 MH/MLH S 420 MH/MLH S 460 MH/MLH 355 460 275 355 420 460 470 550 360 470 500 530 2.2.1.1. Các tính chất vuông góc với bề mặt Ở vị trí liên kết hàn có thể xảy ra ứng suất có gót. Ứng suất co gót/ứng suất hàn có thể gây ra hiện tƣợng nứt theo dạng phiến tách rời các thớ theo chiều dày bản thép. Đặc biệt phải chú ý đến liên kết hàn nối dầm vào cột và bản nối ở đầu dầm chịu kéo vuông góc với bề mặt bản. Thông thƣờng cần phải chọn giá trị Z thỏa mãn diều kiện ZRd>ZEd. 2.2.1.2. Các đặc trưng vật lý của thép Đối với thép xây dựng các đặc trƣng vật lý đƣợc cho nhƣ sau: Modul đàn hồi: E=210000N/mm2 Modul trƣợt E G= 81000N/mm2 2(1+ν) Hệ số nở ngang: ν=0,3 Hệ số dãn nở do nhiệt: α=12.10-6/K. 2.2.2.Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Việt Nam Vật liệu thép dùng trong kết cấu phải đƣợc lựa chọn thích hợp tuỳ theo tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trƣng của tải trọng và phƣơng pháp liên kết, v.v. . . Về ký hiệu theo TCVN 1765:1975 thép các bon thông thƣờng ký hiệu là CT, hai số sau là giới hạn bền tối thiểu khi kéo đứt tính bằng kG/mm2 (kN/cm2). Căn cứ theo công dụng, thép đƣợc chia làm 3 nhóm: Nhóm A, thép thuộc nhóm này phải đảm bảo tính chất cơ học; nhóm B phải đảm bảo thành phần hoá học; nhóm C phải đảm bảo cả thành phần hoá học và tính năng cơ học. Thép dùng làm kết cấu chịu lực có mác tƣơng đƣơng với các mác thép CCT34, CCT38 (hay CCT38Mn), CCT42 và các mác tƣơng ứng của TCVN 5709:1993, các mác thép hợp kim thấp theo TCVN 3104:1979. Không dùng thép sôi cho các kết cấu hàn làm việc trong điều kiện nặng hoặc trực tiếp chịu tải trọng động nhƣ dầm cầu trục chế độ nặng, dầm sàn đặt máy, kết cấu hành lang băng tải, cột vƣợt của đƣờng dây tải điện cao trên 60m, v.v. . .Cƣờng độ tính toán của vật liệu thép cán và thép ống đối với các trạng thái ứng suất khác nhau đƣợc tính theo công thức của Bảng 5 (TCVN 5575-2012). Trong bảng này fy và fu là ứng suất chảy và ứng suất bền kéo đứt của thép, đƣợc đảm bảo bởi tiêu chuẩn sản xuất thép và đƣợc lấy là cƣờng độ tiêu chuẩn của thép; γM là hệ số độ