CHƯƠNG 9 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG

CHƯƠNG 9 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 206 1. GIỚI THIỆU Mục đích của chương này chủ yếu trình bày tiếp cận lý thuyết tính toán mối nối liên hợp theo tiêu chuẩn Eurocode 4. Đối với loại kết cấu liên hợp thép – bê tông , giá thành của công trình sẽ tăng cao khi sử dụng loại mối nối cứng (mối nối kháng mômen hoàn toàn). Vì thế để tăng cường tính hiệu quả của hệ kết cấu, người ta thường tính toán mối nối với quan niệm là nửa cứng, loại mối nối này, kết hợp sự làm việc chung của cốt thép trên sàn, bê tông sàn và dầm thép, nhờ có cốt thép làm việc chung, mà mối nối có thể xoay một góc nhất định, đồng thời vẫn tạo ra khả năng kháng mômen. a) Mối nối dầm – cột b) Mối nối dầm – dầm Hình 9.1. Minh họa chi tiết liên kết liên hợp (nửa cứng) Mô hình hóa các nút liên kết : Theo phương pháp cổ điển, các nút liên kết nói chung thường ở hai dạng: dạng khớp (không có độ cứng) và dạng ngàm (có độ cứng tuyệt đối). Hình 9.2. Nút đơn giản dạng khớp NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 207 Hình 9.3. Nút dạng ngàm (liên tục) Theo phương án cải tiến , cũng như tăng hiệu quả kinh tế đối vối loại kết cấu liên hợp, nhưng vẫn đảm bảo cho mối nối có khả năng chịu mômen nhất định, Eurocode 4 đưa ra mô hình liên kết nửa cứng Hình 9.4. Nút nửa cứng (semi continuous) 2. PHƯƠNG ÁN CẤU TẠO HỆ NÚT SÀN 1 . Liên kết composite (nửa cứng) 2 . Liên kết khớp 3 . Liên kết composite (nửa cứng) 4 . Liên kết khớp NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 208 A – dầm chính B, C – dầm phụ Hình 9.5. Phương án cấu tạo hệ kết cấu sàn dầm cột. Một lời khuyên khi cấu tạo liên kết là đối với các mối nối vào bụng dầm hoặc bụng cột thì nên cấu tạo là mối nối khớp để tránh mất ổn định cục bộ của bản bụng. Liên kết dầm chính vào cánh cột nên là liên kết nửa cứng. 3. ĐẶC TRƯNG MỐI NỐI 3.1. Phương pháp phân tích Eurocode 4 phân tích tính toán mối nối theo phương pháp từng phần (component method) bằng việc chia nhỏ mối nối và xác định ứng xử của các phần chia nhỏ đó bằng mô hình lò xo chuyển vị có quan hệ phi tuyến giữa lực – biến dạng , sau cùng xác định ứng xử của nút đạt được bằng cách lắp ráp tất cả các thành phần của nút dựa trên mô hình thành phần (componet model) . Mô hình thành phần của nút liên hợp được tạo nên từ cách chia nhỏ nút phức tạp thành những phần hợp lý được đặc trưng bởi nội lực và mômen, do đó nó trở thành nguyên nhân của biến dạng. Vì vậy, theo phương ngang cần phân biệt vùng liên kết và vùng không liên kết, theo phương đứng cần phân biệt vùng chịu kéo, chịu nén, hay chịu cắt. tổng cộng trong một nút sẽ hình thành sáu vùng như hình 9.6 Hình 9.6. Các nhóm của mô hình thành phần Nhóm 1 Vùng không liên kết chịu kéo 2 Vùng không liên kết chịu cắt 3 Vùng không liên kết chịu nén 4 Vùng liên kết chịu kéo 5 Vùng liên kết chịu cắt 6 Vùng liên kết chịu nén Mô hình nút trên do Innsbruck tạo ra, tại đây sự tương tác giữa các thành phần rất thật, và bất kỳ loại mối nối nào cũng mô hình được bởi mô hình này, tuy nhiên, sự NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 209 tương tác lẫn nhau này rất phức tạp, đòi hỏi quá trình tính toán phải lặp lại nhiều lần, vì thế Eurocode 4 đã phát triển một mô hình đơn giản hóa, dựa trên mô hình thành phần này như hình 9.7 bên dưới . Hình 9.7. Mô hình thành phần cải tiến nút liên hợp Đối với nút liên hợp,chỉ cần thêm vào thành phần bu lông để phân tích, khi tính toán mối nối sử dụng bản thép đầu dầm và bu lông, các thành phần của nút bê dưới sẽ được đề cập đến. Thành phần Mô hình k 1 Bụng cột chịu cắt k 2 Bụng cột chịu nén k 3 Bụng cột chịu kéo NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 210 k 4 Cánh cột chịu uốn k 5 Bản nối chịu uốn k 7 Cánh và bụng dầm chịu nén k 8 Bụng dầm chịu kéo k 10 Bulong chịu kéo k 13 Thép dọc trong sàn chịu kéo 3.2. Phương pháp sắp xếp các lò xo Mô hình độ cứng các thành phần của nút như là các lò xo. Sắp xếp các lò xo này sao cho thỏa mãn tốt nhất các điều kiện về biến dạng, và cường độ. Có hai dạng sắp xếp cơ bản các lò xo độ cứng là mắc song song và mắc nối tiếp. NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 211 parallel springs F w 1 2 F 1 F + F 1 F 2 2 increase of resistance increase of stiffness minimum of deformation capacity F = F + F 1 2 C = C + C 1 2 w = min ( w , w ) u1 u2 u C w u1 w u2 w u Hình 9.8. Sắp xếp lò xo mắc song song serial springs F w w 1 1 2 w 2 w + w 1 2 minimum of resistance decrease of stiffness increase of deformation capacity F = min ( F , F ) 1 2 1/C = 1/C + 1/C 1 2 w = w + w 1 2 u C F 1 F 2 Hình 9.9. Sắp xếp lò xo mắc nối tiếp Dựa trên các điều kiện về biến dạng và cường độ, có cách thức sắp xếp các lò xo độ cứng ở trường hợp bản nối sử dụng liên kết bulong như sau. Hình 9.10. Sắp xếp lò xo mối nối liên hợp sử dụng bản thép nối 3.3. Cơ bản về xác định độ cứng của nút NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 212 Độ cứng của nút được xác định từ độ cứng của các thành phần cấu tạo nên nút. Độ cứng mỗi thành phần được biểu diễn là một lò xo với quan hệ lực- biến dạng như sau: i i i F Ek w Với : F i là lực tác dụng lên thành phần thứ i; E là module đàn hồi của thép; k i là độ cứng thành phần thứ i; w i là biến dạng của thành phần thứ i. Những thành phần này sau đó được tổ hợp với nhau để tạo ra một mô hinh hoàn chỉnh của nút. Chẳng hạn như mô hình nút giản lược dưới đây cho trường hợp liên kết có bản tiếp xúc không sử dụng liên kết bulong. z F Rd F Rd k 13  j M j k 1 k 2 Hình 9.1. Mô hình liên kết Độ cứng ban đầu của nút được định nghĩa như sau: j j inij M S   , Với M j là moment tác dụng vào nút,  j là góc xoay của nút. Moment M j quan niệm do một cặp ngẫu lực kéo và nén đặt tại tâm của vùng kéo và nén gây ra. Hai lực này cách nhau một đoạn z. Do đó zFM j  Góc xoay của nút dược xác định một cách đơn giản từ tổng các biến dạng của mỗi thành phần theo phương của biến dạng. Theo ví dụ hình 8.6 thì: zwww j /)( 1321                 1321 2 1321 , 111 /)( kkkE F zF zwww zF M S j j inij  hay tổng quát:   j inij k Ez S 1 2 , Hệ số hiệu chỉnh độ cứng  Quan hệ moment- góc xoay chỉ tuyến tính ở đoạn đầu khi moment và góc xoay còn nhỏ. Độ cứng của nút ở giai đoạn này gọi là độ cứng ban đầu S j,ini . Khi moment vượt qua khoảng 2/3 cường độ của nút, quan hệ này trở nên phi tuyến. Khi đó độ cứng cắt tuyến tương ứng với mức moment M j,Ed là:           Rdj Edj inij j M M S S , , , 5.1 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 213  là hệ số phụ thuộc dạng liên kết của nút, chẳng hạn với bản nối dùng liên kết bulong lấy  = 2.7 Hình 9.12. Đường đặc trưng moment- góc xoay của một nút Sử dụng quan hệ moment- góc xoay dạng phi tuyến gây khó khăn rất lớn trong phân tích kết cấu. Do đó người ta thường đơn giản hóa đường đặc trưng moment- góc xoay bằng các đường thẳng, và thay cho độ cứng ban đầu, sử dụng độ cứng danh định * j S . M Rd S j,ini  Cd  M Rd S j,ini  Cd S j,ini  Cd non-linear tri-linear bi-linear a) b) c) Hình 9.13. Đường đặc trưng moment- góc xoay lí tưởng hóa Độ cứng danh định của nút sử dụng cho tất cả các giá trị moment nhỏ hơn cường độ chịu moment của nút. Độ cứng danh định có thể tính toán đơn giản bằng cách lấy độ cứng ban đầu chia cho hệ số hiệu chỉnh độ cứng .  inij j S S , *  Hệ số  phụ thuộc vào dạng liên kết của nút, đối với liên kết bản nối dùng liên kết bulong, lấy  = 2. 4. CÁC BƯỚC THIẾT KẾ Trong luận văn này, mối nối liên hợp loại bản thép nối đầu dầm được sử dụng. Nguyên tắc tính toán , công thức và các bước thực hiện được tóm tắt trong bảng sau và bảng tính liên kết bên dưới . NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 214 KÍ HIỆU Cấu kiện Cường độ Module đàn hồi Hệ số an toàn Bụng dầm f ywb E sb Thép kết cấu : Cánh dầm f yfb E sb γ M0 = 1,1 Bụng cột f ywc E sc Cốt thép : Cánh cột f yfc E sc γ s = 1,15 Bản thép nối f yp E sp Bê tông : Đường hàn f uw - γ c = 1,5 Bu lông f ub - Đường hàn : Cốt thép f sk E s γ Mw = 1,25 Bê tông sàn f cks E cs Bu lông Bê tông cột f ckc E cc γ Mb = 1,25 ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC  Mối nối  Dầm [...]... Trong đó : co  2 z1 Nếu : Fc,Rd < FRd,13 z = z1 z MỐI NỐI Độ cứng ban đầu : S j ,ini  2 a eq Ez 1 1 1      k k keq  2  1  Độ cứng danh định : S S j  j ,ini 2 FRd  min  FRd ,1; Fc ,Rd ; FRd ,13  Ft ,Rd  Mômen kháng đàn hồi : 2 M e, Rd  FRd z 3 Mômen kháng dẻo : M Rd  FRd z 2 19 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 220 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG KHẢ NĂNG CHỊU CẮT 1 Khả năng chịu cắt của đường hàn VRd,1... a ksc : độ cứng của 1 chốt liên kết chịu cắt leff,b : chiều dài của dầm trong vùng mômen âm Ia : mômen quán tính của tiết diện dầm N : Số liên kết chịu cắt trong chiều dài leff,b Bụng cột chịu cắt k1  ka,wp,s  kc,wp,s với ka,wp.s 0.38 Avc   z kc , wp, s  0.06 Ecm bc hc Ea   z F Rd ,1  Vwp , Rd  Vwp,Rd Va,wp,Rd  Vc,wp,Rd 0 ,9 Avc f ywc Va ,wp , Rd  3 M 0 218 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG kt  1...NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG As = As,l + As,r : diện tích cốt thép trong mối nối As μ% =  %  : hàm lượng cốt thép gia cường  beff ,b  bc  deff Trong đó : As,l , As,r lần lượt là diện tích cốt thép gia cường bên trái và bên phải tiết diện dầm liên hợp eL : Khoảng cách từ trục của phần bụng cột đến trọng tâm của nhóm cốt thép... FRd ,8  beff ,t ,wbtwb f ywb M0 beff,t,wb = leff,p 217 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG Bu lông chịu kéo k10  1.6 As ,bolt Lb 1  hn  hh  2 hn : chiều cao đai ốc hh : chiều cao đầu bu lông Lb=t p  t fb  Cốt thép dọc chịu kéo k13  ks.t kr As Es 1   E hc   K  a  2  1 kr  E k 1  s s t K sc k s ,t  K     4,3 2  8 ,9  7, 2    0 ,9 fub As ,b Bt , Rd  As,b lông  Mb : là diện tích chịu... dọc gia cường ở một bên, 0,7bc ≤ eL ≤ 2,5bc eT : Khoảng cách từ mép ở phần cánh của cột thép đến trọng tâm nhóm cốt thép ngang gia cường ở mỗi bên, eL ≤ eT ≤ 1,5eL  Cột 215 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG THÀNH PHẦN Bụng cột chịu nén ĐỘ CỨNG k2  ka,wc,c  kc,wc,c với ka.wc.c  kc.wc.c 0,7beff ,c ,wctwc d wc 0,5 bel bc Ecm.c  hc Ea CƯỜNG ĐỘ FRd,2 = Fa ,wc.c ,Rd + Fc ,wc.c ,Rd k b t f Fa ,wcc , Rd  wc ,a c... cột chịu kéo k3  0.7 beff ,t , wc twc d wc FRd ,3  Với : β t  t beff ,t ,wctwc f ywc M0 = 1 : 1 1  1,3  beff ,t ,wctwc / Avc  2 t  1 β = 0 : beff ,t ,wc  min  2 m;4m  1,25e  216 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG Cánh cột chịu uốn k4  0.85 leff ,t , fc t 3 fc m3 FRd ,4  min  Ffc, Rd ,t1; Ffc, Rd ,t 2  Ffc , Rd ,t1  Ffc , Rd ,t 2  8n  2ew  leff ,t , fc mpl , fc k fc 2mn  ew  m  n  2leff... 2(hb – 2(tfb + s)) fu Và f vwd  3 w Mw Trong đó fu cường độ tới hạn của thép kết cấu Giá trị βw tra trong bảng sau Cấp thép Cường độ tới hạn S235 360 N/mm2 S275 430 N/mm2 S355 510 N/mm2 βw 0,8 0,85 0 ,9 2 Khả năng chịu cắt của bu lông VRd,2 = 2(1+ζ)Fv,Rd Trong đó Fv,Rd : là khả năng chịu cắt của một bu lông f A Fv , Rd  ub s ,b  Mb Với α = 0,6 cho bu lông cấp độ bề 4.6, 5.6, 8.8 ζ =0,28 nếu hàng . CHƯƠNG 9 NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 206 1. GIỚI THIỆU Mục đích của chương này chủ yếu trình bày tiếp cận lý thuyết tính toán mối nối liên hợp theo tiêu. 1 . Liên kết composite (nửa cứng) 2 . Liên kết khớp 3 . Liên kết composite (nửa cứng) 4 . Liên kết khớp NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 208 A – dầm chính B, C – dầm phụ Hình 9. 5. Phương. nối liên hợp sử dụng bản thép nối 3.3. Cơ bản về xác định độ cứng của nút NÚT LIÊN HỢP NỬA CỨNG 212 Độ cứng của nút được xác định từ độ cứng của các thành phần cấu tạo nên nút. Độ cứng