Phân tích ứng xử và thiết kế kết cấu BTCT - Chương 4 Quan hệ mômen - độ cong

Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: Prof. Andrew Whittaker Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CONG Chương 4: QUA HỆ MÔME - ĐỘ COG 4.1 SỰ PHÂ PHỐI LẠI MÔ ME TROG HỆ BTCT 4.1.1 Hệ chịu tải trọng đứng Phần 8.4 của tiêu chuNn ACI 318 cho phép phân phi li mômen (tăng hay gim mômen âm ) trong các cu kin BTCT chu un liên tc. Phân phi li mômen ph thuc vào  do (ductility) trong các vùng khp do (plastic hinge). N hng vùng khp do phát trin ti các v trí M max và làm thay i biu  mômen un àn hi. Và kt qu phân tích do thưng thy là mômen âm gim và mômen dương tăng trong vùng khp do so vi kt qu phân tích àn hi. Vì các t hp ti trng nguy him  xác nh các mômen âm và các mômen dương là khác nhau, nên mi tit din BTCT có mt kh năng d tr mà không s dng ht cho bt kỳ mt trưng hp ti nào. Các khp do cho phép s dng toàn b kh năng chu lc ca nhiu v trí tit din hơn ca kt cu chu un, so vi kt qu phân tích àn hi.  Kt qu phân tích àn hi tuyn tính ca mt cu kin phi tuyn : Vi tit din hình lăng tr có mômen kháng un M n , ti trng tác dng ln nht w ưc xác nh bng:  Phân tích àn hi: 2 n e 2e n l M12 w 12 lw M max max =⇒=  Phân tích chy do: 2 n p 2 p n l M16 w 16 lw M max max =⇒= e max w33,1= + wl 2 /24 - wl 2 /12 - wl 2 /12 2M p = wl 2 /8 - M p + M p Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G N hư vy, vic s dng kt qu phân tích chy do cho giá tr ti trng cho phép cao hơn khi so vi kt qu phân tích àn hi. Kh năng chy do có th ưc hình thành như th nào?   do (ductility)  ln trong min to khp do. o  do là i lưng o kh năng bin dng không àn hi vưt quá bin dng do o s dng phương pháp phân tích mômen- cong (moment-curvature analysis)  xác nh các gii hn bin dng. o mc  bê tông b ép ngang s nh hưng lên gii hn bin dng.  bin dng max ca bê tông maxc ε 4.1.2 Hệ chịu tải trọng ngang S phân phi li lc ngang làm tăng cưng kh năng áp ng ca h khung chu ti trng ng t và ti trng n do các thành phn cu kin t n cưng  ln nht ti các mc  bin dng khác nhau. Xét cơ cu beam-sway bên dưi (hình a: cột cứng-dm yu) mà là cơ cu ưu tiên trong thit k ng t.  ti sao beam-sway theo hình a là cơ cu ưu tiên? (nhiu khp do nht  Ph. án ti ưu).  nh hưng ca mômen do ti trng ng trên áp ng ca cu kin? + = ??? ??? Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G • Cơ cu right-hand sway: vi 2 khp do  hai u dm (-) và mt khp do (+) ti v trí có mômen M max . • Cơ cu left-hand sway: vi 2 khp do  hai u dm (-) và mt khp do (+) ti v trí có mômen M max . Vy, kh năng bin dng y  phi ưc cp cho mi khp do ưc to thành như trong hình v trên.  bin dng không àn hi ln trong bê tông   do ln t ưc bng cách dùng các chi tit cu to thích hp, bao gm c bin pháp thép ai ép ngang. + - - Vùng biến dạng lớn + - - Vùng biến dạng lớn Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G 4.2 PHÂ TÍCH MÔME-ĐỘ COG CỦA TIẾT DIỆ TỰ DO Ở GAG 4.2.1 Các giả thuyết cơ bản Phân tích này trình din dng ơn gin nht ca phân tích mômen- cong (M-φ). Mt s gi thuyt ơn gin trong lý thuyt un ưc thit lp  tính toán quan h (M-φ) như sau: 1. Các tiết diện vuông góc với trục uốn vẫn phẳng trước khi uốn và sau khi uốn. N hư vy quan h gia  cong φ và bin dng ε: y ε =φ vi y là khong cách t mép ngoài n trc trung hoà. 2. Tại cùng một cao độ của tiết diện cấu kiện, biến dạng thép bằng biến dạng bê tông (ε s = ε c ). 3. Các ứng suất trong thép (σ s ) và bê tông (σ c ) có thể xác định từ các quan hệ (σ−ε) đặc trưng của vật liệu. Các phương pháp tính toán trình bày sau ây áp dng cho hai kiu tit din t do n ngang: (1) bn BTCT ch có thép chu kéo, (2) dm BTCT ch có thép chu kéo (phn 1) và có thêm thép chu nén (phn 2). 4.2.2 Phân tích mômen-độ cong của bản BTCT Trong tính toán bng tay, mômen ti 3 mc  cong (curvature) ưc xác nh:   cong khi bê tông xut hin nt φ cr (ti mômen gây nt M cr )   cong khi bê tông bin dng chy do φ y (ti mômen chy do M y )   cong khi bê tông bin dng cc hn φ u (ti mômen cc hn M u ) Mt ct ngang bn BTCT ưc trình bày dưi ây. Mc tiêu là thit lp ưng quan h (M- φ ) cho tit din bn. Xét mt khong chiu rng bn b = 12 in  tính toán, Thép loi Grade 60 và cưng  bê tông f' c = 4 ksi. Gi thit lp bê tông bo v là 1 in. Ba bưc tính toán phi thc hin ti các giai on: a) bt u nt, b) chy do, c) ti hn. Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G a) Bắt đầu nứt (cracking) B qua s tham gia ct thép (b qua chuyn i tit din tương ương), 3 33 g in216 12 612 12 bD I = × == Mô un àn hi ca bê tông: ksi3604ksi400057000E c == Tính môment gây nt, =×== 3 216 1000 40005,7 y If M t gr cr 34,2 kip-in Tính  cong khi bt u nt, 2163604 2,34 IE M gc cr cr × ==φ = 4,4E-5 in -1 N hư vy to  bt u nt (φ cr , M cr ) trên ưng quan h (φ-M) là (4,4E-5 ; 34,2) b) Chảy dẻo ( yield )  tính toán, s dng mômen quán tính chuyn i do nt ( cracked transformed moment of inertia ). Bin dng ti hn trong thép chu kéo là bin dng chy do ε y . S phân b ng sut trong bê tông ưc gi thit như  hình trên. Chiu cao vùng bê tông chu nén n trc trung hoà là kd. Bin dng trong thép chu kéo là ε y . i vi tit din BTCT ct ơn ta có công thc, n)n(n2k 2 ρ−ρ+ρ= vi n là t s mô un (n = E s /E c ) và ρ = A s /bd. i vi tit din trên ta có, in 4,75 0,25 -1- 6 (4/8)0,5 -1- D d = = × = 0,0070 4,7512 )(0,2in2 2 = × × =ρ ; 8,04 3604 29000 n == ⇒ k = 0,28 (giá tr này hp lý không?) Ans: k < 0,3 không b phá hoi dòn 1” D = 6” #4 @ 6” b = 12” Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G Tính mômen M y quanh trng tâm khi bê tông chu nén, mà v trí ca nó cách mép trên ca tit din mt khong bng kd/3, ta có: )3/kdd(fA)jd(fAM ssssy −= ∑ = )3/75,428,075,4(60)in4,0(M 2 y ×−××= =103,4 kip-in  cong tương ng: 75,428,075,4 0021,0 kdd y y ×− = − ε =φ = 6,1E-4 in -1 N hư vy to  im chy do (φ y , M y ) trên ưng quan h (φ-M) là (6,1E-4 ; 103,4) c) Tới hạn ( ultimate ) Hình dưi cung cp thông tin cn thit  tìm mômen ti hn (M u ) và  cong ti hn (φ u ). Gi thit khi ng sut bê tông chu nén dng ch nht kiu Whitney-type (β 1 = 0,85), chiu cao n trc trung hoà là: 85,012485,0 604,0 bf85,0 fA c 1 ' c ys ××× × = β = = 0,69 in Mômen ti hn M u tính bng: )69,085,05,075,4(604,0)c5,0d(fAM 1ysu ××−××=β−= = 106,9 kip-in  cong ti hn φ u là : 69,0 003,0 c maxc u = ε =φ = 4,3E-3 in -1 N hư vy to  im ti hn (φ u , M u ) là (4,3E-3 ; 106,9). Chú ý ch có khác bit nh gia mômen M y (104 kip-in) và mômen M u (107 kip-in). Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G 4.2.3 Phân tích mômen-độ cong của dầm BTCT Phân tích mu dm BTCT dưi ây có phương pháp tương t như ví d bn BTCT trình bày  trên. Hai trưng hp s ưc nghiên cu : (a) ch có thép chu kéo, (b) có thép chu kéo và chu nén . Các d liu chính trình bày trong bng dưi ây. 1. Phần 1: Không có thép chu nén (không có 2#9) a) Bắt đầu nứt (0,474) 11 13310 f y I M r t g cr == = 573 kip-in 133103604 573 IE M gc cr cr × ==φ = 1,19E-5 in -1 b) Chảy dẻo n = 8,04; ρ = 0,0099 n)n(n2k 2 ρ−ρ+ρ= = 0,327 ) 3 200,327 20(600,3 ) 3 kd -(dfA M ysy × −××== = 3207 kip-in 20327,020 0021,0 kdd y y ×− = − ε =φ = 1,56E-4 in -1 c) Tới hạn 85,015485,0 600,3 bf85,0 fA c 1 ' c ys ××× × = β = = 4,15 in ) 2 15,485,0 -(20600,3 ) 2 c -(dfA M 1 ysu × ×= β = = 3282 kip-in Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G 15,4 003,0 c maxc u = ε =φ = 7,2E-4 in -1 ⇒ µ φ = φ u /φ y = 4,6 2. Phần 2 : Có thép chu nén (có 2#9) a) Bắt đầu nứt (như trên) (0,474) 11 13310 f y I M r t g cr == = 573 kip-in 133103604 573 IE M gc cr cr × ==φ = 1,19E-5 in -1 b) Chảy dẻo n = 8,04; ρ = 0,0099; ρ’ = 0,0066; d = 20’’; d’ = 2’’ n)'(n)'(n)' d 'd (2k 22 ρ+ρ−ρ+ρ+ρ+ρ= = 0,301 Phương trình tng quát ca mômen M y là : ) 3 kd -(dfA ) 3 kd -(dfA M '' s ' sysy += vi ng sut thép chu nén là hàm s ca khong cách k. N u ng sut thép chu kéo là f y , thì bin dng thép chu nén có th xác nh bng qui tc tam giác như sau: y ' s f kd d 'dkd f − − = = 17,3 ksi ) 3 200,301 -(23,170,2 ) 3 200,301 -(20600,3 M y × ×+ × ×= = 3238 kip-in 20301,020 0021,0 kdd y y ×− = − ε =φ = 1,50E-4 in -1 c) Tới hạn Tính toán (φ u , M u ) òi hi mt s bưc tính lp  tìm v trí trc trung hoà. Trong tính tay, ban u gi thit bin dng thép chu nén ε' s vưt quá bin dng chy ε y , gi thit này cũng s ưc hu kim. 85,015485,0 600,2600,3 bf85,0 'f'AfA c 1 ' c ssys ××× ×−× = β − = = 1,38 in )'dd('f'A ) 2 c -cb)(df85,0( M ss 1 1 ' cu −+ β β= = 3321 kip-in 38,1 003,0 c maxc u = ε =φ = 2,20E-3 in -1 Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G Kim tra li gi thit ban u cho bin dng trong thép chu nén, 0015,0) c 'dc ( maxc ' s = − ε=ε = 0,71ε y < ε y (ε y = 0,0021) N hư vy gi thit ban u là không úng và òi hi bưc tính lp khác. Sau mt s ln tính lp ta có: c = 2.90" ) 9,2 0,29,2 ( 003,0) c 'dc ( maxc ' s − = − ε=ε = 0,00093 00093,029000E f ' sc ' s ×=ε= = 27 ksi )'dd('f'A ) 2 c -cb)(df85,0( M ss 1 1 ' cu −+ β β= = 3331 kip-in 9,2 003,0 c maxc u = ε =φ = 1,0E-3 in -1 ⇒ µ φ = φ u /φ y = 6,7 Bây gi kho sát bng dưi ây cho BTCT t do n ngang (không có ct thép ai). Thép chịu nén BTCT không đai Không Có M y 3207 3238 ← ít thay i φ y 1,56E-4 1,50E-4 ← không i M u 3282 3331 ← ít thay i φ u 0,72E-3 1,0E-3 ← tăng 40% µ φ 4,6 6,7 ← tăng 40% Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G 4.3 PHÂ TÍCH MÔME-ĐỘ COG CỦA TIẾT DIỆ BN ÉP GAG 4.3.1 Tính toán các đáp ứng Trong tính toán bng tay, mômen ti 3 mc  cong (curvature) cũng ưc xác nh tương t như các tit din t do n ngang:   cong khi bê tông xut hin nt φ cr (ti mômen gây nt M cr )   cong khi bê tông bin dng chy do φ y (ti mômen chy do M y )   cong khi bê tông bin dng cc hn φ u (ti mômen cc hn M u ) Các phương pháp tính toán trình bày sau ây áp dng cho tit din dm BTCT b ép ngang (có b trí thép ai) vi cu to như hình v dưi ây. Thép ai vòng #5 , bưc ai s h = 4”. Bưc tính th nht là xác nh các c trưng ca bê tông b ép ngang. Trong ví d này, mômen un quanh trc x-x gây ra ng sut nén  phn nh ca mt ct dm BTCT (phía thép 2#9). Trc x và y như hình v. Vi tit din như trên, s dng các công thc trong Chương 3 ta có: Do tit din ch nht, gi s h s hiu qu K e = 0,75, ta có: 4 60 0074,075,0 f f K f f ' c yh xe ' c ' lx ××=ρ= = 0,083 " yh h x " xh h y hs A2 ; hs A2 =ρ=ρ⇐    [...]... A's/bd Tăng cường độ thép fy tăng giảm Tăng cường độ bê tông f ’c tăng Tăng thép đai ρ'' = ρx + ρy tăng Tăng lực nén dọc N Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G giảm Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT 4. 4 Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh PHÂ TÍCH MÔME - Ộ CO G CỦA TIẾT DIỆ PHỨC TẠP N hiều phân tích mômen- độ cong được thực... ( 4- 2 ) hay ( 4- 4 )) 3 Tính mômen M và độ cong φ bằng cách dùng các phương trình ở trên (sử dụng ( 4- 3 ) hay ( 4- 5 )) 4 Chọn một giá trị mới của biến dạng εc (cho đến khi bằng biến dạng nén tới hạn của bêtông εcmax), sau đó lặp lại các bước tính 2 và 3 5 Chọn một giá trị mới của lực dọc trục P Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế. .. 0,008; Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G ε c max = 3,5 ε cc Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Từ các biểu đồ trên ta có: β = 1, αβ = 0.9, α = 0.9 Lúc này chúng ta có đủ các thông số cần thiết để thực hiện sự phân tích mômen- độ cong a) Bắt đầu nứt (như trên) Ig 13310 (0 ,47 4) = 573 kip-in... về cường độ tới hạn Mu (cần phải xem xét đến trong thiết kế khả năng phá hoại, capacity design procedure, tham khảo phần 1.2.3 .4 của chương 1) có một lượng giảm đáng kể về độ cong tới hạn φu Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh PHỤ LỤC 1 Chứng minh:... 3) Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Xét quan hệ σ−ε dưới đây chịu tải đơn của thép tròn Grade 60 (Priestley, Seible, và Calvi) Đối với loại thép này, cường độ chảy dẻo mong đợi-expected yield strength (fye) sẽ lớn hơn cường độ chảy dẻo danh nghĩa-nominal... 0,9 × 6 ,4 × 13, 2 × 1 Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh βc ' M u = (αf ccβ1cb)(d - 1 ) = 3215 kip-in 2 ε cm 0,0028 = 1,19E-2 in-1 φu = = c 2,36 φ µ φ = u = 79,3 φy Bây giờ khảo sát bảng so sánh thông số dưới đây cho BTCT tự do nở ngang vả BTCT bị... như trong hình dưới đây: Ta có các thông số cần thiết khác để thiết lập đường quan hệ (fc-εc) của tiết diện bê tông bị ép ngang là: f yh = f y = 60 ksi; ε cu = 0,0 04 + εsm = 0,1 (thép Grade 60) 1 ,4( ρ x + ρ y )f yh ε sm ' f cc Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G = 0,028 Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch:... (unconfined) của cấu kiện BTCT: bê tông nằm trong thép đai xem như bị ép ngang bê tông nằm ngoài thép đai xem như tự do nở ngang Phần còn lại của bài giảng sử dụng các thuật ngữ (nomenclature) của Priestley, Seible, và Calvi như trình bày trong hình dưới đây: Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof... Các chương trình tính toán đều vận hành tuân thủ một tiêu chuNn thiết kế nào đó với nhiều đặc tính và cách sử dụng rất khác nhau Phần dưới đây là trình bày đơn giản cách thiết lập các quan hệ mômen- độ cong cho các tiết diện bất kỳ Một số là kết quả nghiên cứu của Priestley, Seible, và Calvi Trong phần này, giả thiết quan hệ (σ−ε) của bê tông đã được xác lập trước (cho trước) Ở đây trong phân tích mômen- độ. .. diện tích thép dọc tại khoảng cách xi tính đến trục đối xứng Các đại lượng khác xem chi tiết ở hình bên trên Chú ý nếu tiết diện là hình chữ nhật, các phương trình trên đây được đơn giản hoá như sau: 0,5D n 0,5D-c P= i =1 ∫ [bc f c (ε x ) + (b - b c) )f cu (ε x )]dx + ∑ Asi f s (ε xi ) Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CON G Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết . Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: Prof. Andrew Whittaker Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Chương 4: QUAN HỆ MÔMEN - ĐỘ CONG Chương 4: QUA HỆ. Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G 4. 2 PHÂ TÍCH MÔME - Ộ COG CỦA TIẾT DIỆ TỰ DO Ở GAG 4. 2.1 Các giả thuyết cơ bản Phân tích này trình din dng ơn gin nht ca phân tích mômen-  cong. PhD H Hu Chnh Chương 4: QUAN H MÔMEN -  CON G 4. 2.3 Phân tích mômen- độ cong của dầm BTCT Phân tích mu dm BTCT dưi ây có phương pháp tương t như ví d bn BTCT trình bày  trên.