CHƯƠNG 6 - CỘT COMPOSITE

CỘT COMPOSITE 6.1 Giới thiệu 6.2 Các phương pháp tính toán 6.3 Ổn định cục bộ của thép hình 6.4 Truyền lực giữa thép và bê tông tại liên kết cột dầm 6.5 Phương pháp tính toán đơn giản hó

Trang 1

CỘT COMPOSITE

6.1 Giới thiệu

6.2 Các phương pháp tính toán

6.3 Ổn định cục bộ của thép hình

6.4 Truyền lực giữa thép và bê tông tại liên kết

cột dầm 6.5 Phương pháp tính toán đơn giản hóa 6.6 Cột composite chịu nén dọc trục

6.7 Cột composite chịu nén uốn

6

6.1 Giới thiệu

Cột composite có thể chia làm hai loại chính:

+ Tiết diện nằm một phần hoặc hoàn toàn trong bê tông

+ Có khả năng chống cháy, tăng cường chống cháy bằng cốt thép dọc

+ Có thể tăng cường các liên kết chốt để truyền lực

Trang 2

6.1 Giới thiệu

+ Tiết diện thép ống đổ đầy bê tông

+ Bê tông bị kìm hãm bên trong thép ống nên cường độ được nâng cao

4

6.2 Các phương pháp tính toán

EC4 đề xuất hai phương pháp tính khả năng chịu lực của cột composite:

+ Phương pháp thông thường:

● Có xét đến ảnh hưởng bậc hai và sự không hoàn hảo

● Có thể sử dụng đối với tiết diện khôn đối xứng

● Cần phần mềm thích hợp để tính toán

+ Phương pháp đơn giản:

● Sử dụng đường cong ổn định của cột thép

● Xét đến những sai sót tiềm ẩn

● Áp dụng với cột có tiết diện đối xứng theo hai phương, chiều cao không đổi + Các giả thiết:

● Tương tác hoàn toàn giữa thép và bê tông đến khi phá hoại xảy ra

● Xét đến sự không hoàn hảo hình học và ứng suất thừa

● Tiết diện vẫn phẳng trong khi cột biến dạng

Trang 3

6.3 Ổn định cục bộ của thép

+ Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

cy ≥ 40 mm

cy ≥ b/6

+ Lớp bảo vệ này phải được gia cường bằng cốt thép ngang (cốt đai), để bảo

vệ lớp bê tông khỏi bị hư hỏng do va đập và đủ khả năng chống mất ổn định của cánh

+ Đối với tiết diện nằm một phần hay tiết diện kín đổ đầy bê tông, độ mảnh cấu kiện của tiết diện thép phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- d/t ≤ 90ε 2 (ống tròn đổ đầy bê tông có đường kính d và chiều dày thành t)

- d/t ≤ 50ε (ống chữ nhật đổ đầy bê tông có chiều cao d và chiều dày thành t)

- b/t f ≤ 44ε (tiết diện H được nằm một phần trong bê tông có bề rộng cánh b và

chiều dày cánh t)

Trong đó ε = √(235/f y,k ) với f y,k là cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của thép

6.4 Truyền lực giữa thép và BT tại liên kết dầm-cột

+ Các lực truyền từ dầm sang liên kết dầm cột phải được phân bố giữa các phần thép và bê tông của cột composite Bản chất của sự truyền lực từ thép

sang bê tông phụ thuộc vào chi tiết kết cấu và theo đường truyền tải trọng

+ Chiều dài cần thiết p để hình

thành toàn bộ lực nén trong phần bê

tông cột, p ≤ 2d (có thể p ≤ 2.5d)

+ Lực được truyền trong chiều dài p

không phải toàn tổng phản lực liên kết nhưng là phần lực được truyền cho bê tông của tiết diện cột composite Một phần phản lực phải do bê tông chịu

Force transfer in a composite

bean-column connection

Trang 4

+ Trong tính toán, khả năng chịu cắt tại mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông được giả định không lớn hơn các giá trị sau:

● 0.3 N/mm2 tiết diện nằm hoàn toàn trong bê tông

● 0.4 N/mm2 tiết diện ống đổ đầy bê tông

● 0.2 N/mm2 đối với cánh của tiết diện nằm một phần trong bê tông

● 0.0 đối với bụng của tiết diện nằm một phần trong bê tông

+ Thiết kế chi tiết liên kết cột - dầm có ảnh hưởng đáng kể của khả năng chịu cắt Ảnh hưởng của ứng suất tiếp tuyến (hoop-stress), sự kìm hãm và ma sát được liên kết mật thiết với sơ đồ liên kết được sử dụng

+ Cột có thép hình nằm trong bê tông có độ bền liên kết giữa thép và bê tông không đủ để truyền cho phần bê tông trong phạm vi chiều dài cho phép thì có thể sử dụng chốt liên kết chịu cắt được hàn với bụng của tiết diện thép

8

+ Khả năng chịu cắt của chốt P Rd làm tăng sự bám dính giữa thép và bê

tông Cường độ bám dính bổ sung, chỉ tác dụng trên các mặt trong của các

cánh, có thể lấy bằng μP Rd trên mỗi cánh Hệ số μ ban đầu có thể lấy bằng 0.5.

Giả thiết này chỉ có giá trị nếu khoảng cách giữa các cánh nhỏ hơn các giá trị tính bằng milimet trong hình vẽ sau:

Trang 5

6.5 Phương pháp tính toán đơn giản hóa

+ Phạm vi sử dụng:

● Cột có hình lăng trụ và đối xứng cả hai trục có 0.2 < hc/bc < 0.5

● Sự phân bố tương đối của tiết diện thép đối với khả năng chịu lực của tiết diện comosite là:

+ Độ mảnh tương đối:

● Đối với tiết diện nằm trong bê tông, diện tích cốt dọc phải ≥ 0.3% diện tích tiết diện ngang của bê tông, và lớp bê tông bảo vệ phải thỏa:

Theo phương y: 40mm ≤ cy ≤ 0.4bc

Theo phương z: 40mm ≤ cz ≤ 0.3hc bc và hc được cho như hình 1a

● Diện tích của cốt dọc chỉ có thể được tính đến trong khả năng chịu lực của tiết diện là nhỏ hơn 6% tiết diện bê tông

9 0 2

0

.

£

=

£

Rd pl a

y a

N

f A

g d

2 0

£ l

6.6 Cột composite chịu nén dọc trục

6.6.1 Khả năng chịu lực của tiết diện:

+ Khả năng chịu nén của cột composite là tổng khả năng chịu nén dẻo của mỗi yếu tố hợp thành

+ Đối với tiết diện thép nằm hoàn toàn hoặc một phần trong bê tông:

+ Đối với tiết diện ống đổ đầy bê tông:

với A a , A c , A s - diện tích tiết diện ngang của thép hình, bê tông và thép dọc

tương ứng

Sự tăng khả năng của bê tông từ 0.85 lên 1.0 đối với thép ống đổ đầy bê tông

là do ảnh hưởng của sự kìm hãm

s

sk s c

ck c

Ma

y a Rd

pl

f A

f A N

g g

.

s

sk s c

ck c Ma

y a Rd

pl

f A

f A N

g g

= .

(1)

(2)

Trang 6

+ Đối với tiết diện ống tròn đổ đầy bê tông:

● Khả năng chịu nén được nâng cao hơn nữa do ứng suất tiếp trong tiết diện

● Điều này chỉ xảy ra nếu ống thép đủ cứng để ngăn cản sự nở hông của bê tông khi chịu nén dọc trục

● Điều kiện áp dụng: và M max,Sd ≤ 0.1N Sd d

với d là đường kính ngoài của cột và N Sd là lực nén tính toán tác dụng

+Khả năng chịu nén dẻo của tiết diện tròn lấp đầy bê tông có thể được tính như sau:

Trong đó: t – chiều dày thành ống

+ Độ lệch tâm e:

s

sk s ck

y c

c

ck c Ma

y a a Rd

pl

f A f

f d

t f

A

f A

N

g

h g

g

ø

ö ç

ç è

æ + +

(4)

5 0

£ l

Sd

N

M

12

+ Khi 0 < e ≤ d/10 thì

+ Khi e > d/10 thì η a = 1.0 và η c = 0

+ Trong phương trình (5) và (6), η a0 và η c0 là các giá trị của η a và η c khi độ lệch

tâm e = 0

6.6.2 Độ mảnh tương đối của cột composite

Tải tới hạn đàn hồi N cr của cột composite được tính bằng cách dùng phương trình ổn định Euler

ø

ö ç

è

æ -+

=

d

e

a a

a h 0 1 h 0 10

h

÷ ø

ö ç

è

æ -+

=

d

e

c

h

(5)

(6)

(7)

(3 2 ) 1 25

0

ha

0 17

5 18 9

(9)

( ) 2 , 2

ft

k eff cr

L

EI

N p

=

Trang 7

Trong đó (EI) eff,k là độ cứng chống uốn của tiết diện cột quanh trục xét ổn định,

L ft là chiều dài của cột khi tính ổn định (chiều dài tính toán) Nếu cột tạo thành một phần của khung cứng thì có thể lấy chiều dài ổn định bằng chiều dài của hệ

a Đối với tải ngắn hạn: độ cứng chống uốn đàn hội hữu hiệu của tiết diện

composite cho bởi:

I a , I c và I s là moment quán tính của thép, bê tông (không nứt) và cốt dọc lấy đối với mặt phẳng cần xét

E a và E s là modun đàn hồi của thép hình và cốt dọc

E cmlà modun đàn hồi cát tuyến của bê tông

K e là hệ số hiệu chỉnh đối với nứt bê tông, có thể lấy bằng 0.6

( ) EI eff,k = EaIa + KeEcmIc + EsIs (10)

b Đối với tải trọng dài hạn: độ cứng chống uốn của bê tông được xác định

bằng cách thay modun đàn hồi E cd có giá trị thấp hơn E c cho phép ảnh hưởng của từ biến và được tính như sau:

Với N G Sd là thành phần dài hạn của tải thiết kế dọc trục N Sd φ t là hệ số từ biến, phụ thuộc vào tuổi của bê tông (xem EC2) lúc chịu tải và tại thời điểm xét, Đối với cột thường xét vào thời điểm vô hạn

Sự hiệu chỉnh modul của bê tông chỉ cần thiết nếu:

● đối với tiết diện nằm trong bê tông:

● đối với tiết diện ống đổ đầy bê tông:

● e/d < 2

t Sd

Sd G cm

cd

N N E

E

j

.

1

1 +

8 0

>

l

d

l

->

1

8 0

Trang 8

Với:

* Đối với khung không giằng hoặc khung có chuyển vị ngang:

không có chuyển vị ngang:

đối với tiết diện được bao bởi bê tông:

đối với tiết diện ống đổ đầy bê tông:

Độ mảnh tương đối của cột composite trong mặt phẳng uốn đang xé được xác định bởi:

Trong đó N pl,Rd là giá trị của khả năng kháng dẻo được tính có dùng hệ số an

toàn cục bộ vật liệu γ a , γ c , γ s lấy bằng 1.0 (hoặc sử dụng cường độ tiêu chuẩn (đặc trưng) của vật liệu

5 0

>

l

d

l

->

1

5 0

(13)

cr

Rd pl

N

N ,

=

l

Rd pl Ma

y a

N

f A

. g

d =

(12)

16

6.6.3 Ổn định của cấu kiện

Cột composite có đủ khả năng chịu ổn định nếu trong mỗi mặt phẳng mất ổn định, tải dọc trục tính toán thỏa bất phương trình:

trong đó χlà hệ số giảm cường độ trong mặt phẳng tính ổn định

Đường cong

mất ổn định

hoàn chỉnh Đường cong

a (α = 0.21)

Đổ đầy bê tôn, cốt dọc (As/Ac< 3%) hay không cốt dọc, tiết diện ống không bổ sung thép I

L/300

Đường cong

b (α = 0.34)

Tiết diện H được bê tông bao một phần hoặc toàn bộ, mất ổn định đối với trục chính (y-y) của tiết diện thép Tiết diện ống đổ đầy bê tông có cốt dọc (3%<As/Ac<6%) hoặc có bổ sung thép hình U

L/210

Đường cong

c (α = 0.49)

Tiết diện H được bê tông bao một phần hoặc toàn bộ, mất ổn định đối với trục phụ (z-z) của tiết diện thép

L/170

Bảng 1 Đường cong mất ổn định của Euro và Imperfection của cấu kiện

Trang 9

Có tính giá trị hệ số cường độ χ theo:

1

2 / 1 2 2

£

-+

=

l f

f

( )

2 0 1

5

với:

α là tham số không hoàn hảo suy rộng

Trang 10

6.7 Khả năng chịu nén uốn

6.7.1 Khả năng chịu nén uốn của tiết diện

+ Khả năng chịu lực của cột composite dưới tác dụng của nén - uốn phẳng cho bởi đường cong tương tác hình vẽ

+ Điểm D tương ứng với khả năng chịu uốn lớn nhất

M max,Rd > M pl,Rd vì lực nén ngăn cản sự nứt do kéo của

bê tông, vì vậy nâng cao khả năng chịu uốn

20

Hình sau minh họa cho 4 vị trí trục trung hòa dẻo tương ứng với các điểm A, B,

C và D

Điểm A:

NA= Npl,Rd

MA = 0

Điểm B:

NB = 0

MB = Mpl,Rd Figure a

Figure b

Trang 11

Figure c Điểm C: khả năng chịu uốn phẳng bằng với khả năng chịu uốn phẳng tại điểm

B nhưng hợp lực nén dọc trục khác zero

Tiết diện nằm trong bê tông:

Tiết diện ống đổ đầy bê tông:

Đối với ống tròn đổ đầy bê tông f ck phải được nhân với

C

ck C Rd

pm C

f A N

N

g

=

= ,

Rd pl

M = ,

ú û

ù ê

ë

é +

ck

y c f

f d

t

h 1

C

ck C

Rd pm C

f A

N N

g 85 0

=

(17) (18) (19) (20)

Figure d Điểm D: khả năng chịu uốn lớn nhất:

Tiết diện nằm trong bê tông:

Tiết diện ống đổ đầy bê tông:

Đối với ống tròn đổ đầy bê tông f ck phải được nhân với

W pa , W ps , W pc là moment kháng dẻo của thép hình, cốt thép và bê tông

ú û

ù ê

ë

é +

ck

y c f

f d

t

h 1

C

ck C

Rd pm D

f A

N N

g 85 0 2

1 2

1

=

C

ck C Rd

pm D

f A N

N

g 2

1 2

1

, =

=

c

ck pc

s

s ps a

y pa D

f W

f W M

g g

1

´ +

+

=

(21) (22)

(23)

(24)

Trang 12

Điểm E: Nằm giữa điểm A và C

Khả năng chịu lực tại điểm E cao hơn một ít so với việc nội suy tuyến tính giữa

A và C

24

6.7.2 Sự tăng cường thứ cấp (bậc hai) của moment uốn

Ảnh hưởng bậc hai có thể bỏ qua nếu thỏa các điều với khung giằng và khung không chuyển vị ngang nếu:

N Sd / N cr ≤ 0.1 hoặc

với r là tỉ số moment tại các đầu cột (-1 ≤ r ≤ +1)

) 2 ( 2

0 - r

<

l

Trang 13

+ Ảnh hưởng bậc hai lên ứng xử của cột riêng rẽ tạo thành phần của khung không chuyển vị ngang có thể được xét đến một cách gần đúng bằng cách

dùng hệ số khuếch đại k đối với moment uốn bậc một lớn nhất M Sd

với β = 0.66 + 0.44 r ≥ 0.44 đối với cột chịu moment hai đầu cột

Khi có cả lực dọc và moment ở hai đầu cột, β nên lấy lớn hơn 1 trừ khi được

tính toán bằng phương pháp chính xác hơn

0 1 /

=

cr

Sd N N

(25)

6.7.3 Ảnh hưởng của lực cắt

+ Xem lực cắt ngang tính toán V Sd hoàn toàn do thép hình chịu

+ Mối tương quan giữa moment uốn và lực cắt trong thép hình có thể được tính đến bằng cách làm giảm giới hạn ứng suất uốn trong vùng chịu ảnh hưởng bởi lực cắt đáng kể

+ Ảnh hưởng của lực cắt chỉ được xét đến nếu lực cắt lớn hơn 50% sức kháng cắt của tiết diện thép

với: A v là diện tích chịu cắt của thép hình Hệ số giảm có thể được áp dụng cho diện tích này là:

Đối với tiết diện H nằm trong bê tông chịu uốn quanh trục chính, diện tích chịu cắt bị giảm: A v = ρ w t w h

3

.

yd v Rd

a pl

f A

ú

ú û

ù ê

ê ë

é

÷

÷ ø

ö ç

ç è

æ

-=

2

.

1

2 1

Rd a

Sd a w

V

(26)

Trang 14

6.7.4 Khả năng chịu nén uốn một phương của cấu kiện

Khả năng chịu nén uốn của cấu kiện được minh họa bằng biểu đồ tương tác

28

+ Moment tính toán MSd là moment lớn nhất xảy ra trong chiều dài cột, có xét đến ảnh hưởng bậc hai “P-δ” Dưới tác dụng của lực dọc trục tính toán NSd, cột composite có đủ khả năng chịu lực nếu:

M Sd ≤ 0.9μ d M pl.Rd

+ Giảm 10% khả năng chịu lực do việc đơn giản hóa phương pháp tính toán + μd có thể lớn hơn 1.0 trong miền gần D, nơi lực dọc làm tăng khả

năng chịu moment của tiết diện Thực tế, μ > 1.0 không được dùng trừ khi

MSd được gây ra trực tiếp bời NSd, tác dụng lệch tâm lên cột tĩnh định

(28)

Trang 15

6.7.5 Khả năng chịu lực của tiết điện khi chịu nén uốn hai phương

Khi cột composite chịu nén uốn hai phương, trước tiên cần kiểm tra khả năng chịu lực chịu nén uốn từng phương trong các mặt phẳng uốn Sau đó kiểm tra nén uốn hai phương Chỉ cần tính đến sự độ lệch tâm trong mặt phẳng

dể xảy ra phá hoại (trường hợp hình 7a) Trong mặt phẳng uốn còn lại, ảnh hưởng của độ lệch tâm được bỏ qua (trường hợp hình 7b)

Điều này có thể biểu diễn bởi hai điều kiện đồng thời:

M y.Sd ≤ 0.9μ dy M pl.y.Rd

M z.Rd ≤ 0.9μ dz M pl.z.Rd

Nếu có nghi ngờ về mặt phẳng phá hoại, nên xem xét ảnh hường của độ lệch tâm theo hai phương

Để tính đến ứng suất lớn nhất gây bởi moment giữa các giới hạn cho bởi bất phương trình (18) và (19), tác dụng trên hai trục vuông góc, công thức quan hệ tuyến tính phải đảm bảo giữa hai moment tính toán

Moment tính toán xét đến cả hai độ lệch tâm và sự gia tăng do ảnh hưởng của

“P-δ”

0 1

.

£ +

Rd z pl dz

Sd z

Rd y pl dy

Sd y

M

M M

M

m

(29) (30)

Trang 16

Ba điều kiện (18), (19) và (20) xác định quỹ đạo cường độ tới hạn dưới dạng

các moment tính toán trực giao tại giá trị lực nén tính toán N Sd như hình 7(c)

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	1,06 MB