Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khung hỗn hợp thép bê tông cốt thép trong công trình công nghiệp (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRẦN HỮU HIẾU NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU KHUNG HỖN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRẦN HỮU HIẾU KHÓA 2014-2016 NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU KHUNG HỖN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD & CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ HOÀNG HIỆP TS DƯƠNG QUANG HÙNG Hà Nội – năm 2016 LỜI CẢM ƠN Trước xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới tất thầy cô giáo khoa Sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội giúp đỡ dẫn hữu ích trình học tập tiến hành làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Vũ Hoàng Hiệp thầy giáo TS Dương Quang Hùng tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn đưa nhiều ý kiến quý báu, tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp nhiều tài liệu đông viên tác giả trình hoàn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn bạn đồng nghiệp giúp đỡ qua trình học tập nghiên cứu Tác giả luận văn Trần Hữu Hiếu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ công trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Tác giả luận văn Trần Hữu Hiếu MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng, biểu Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài NỘI DUNG CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG HỖN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP 1.1 Các dạng kết hợp khung thép bê tông cốt thép 1.1.1 Dạng kết hợp theo phương ngang 1.1.2 Dạng kết hợp theo phương đứng 1.1.3 Kết cấu hỗn hợp cột bê tông dầm, dàn thép 1.2 Lý sử dụng kết cấu khung hỗn hợp 11 1.3 Đặc điểm vật liệu liên kết [8] 11 1.3.1 Đặc điểm vật liệu 11 1.3.2 Dạng liên kết khung hỗn hợp thép – bê tông cốt thép [18] 24 1.4 Tiêu chuẩn thiết kế [9],[10] 32 1.5 Một số vấn đề tồn thiết kế kết cấu khung hỗn hợp 33 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH KẾT CẤU KHUNG HỖN HỢP THÉP - BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 Sơ đồ kết cấu khung hỗn hợp theo phương ngang 34 2.2 Sơ đồ kết cấu dầm thép - cột bê tông cốt thép [18] 37 2.3 Sơ đồ kết cấu khung hỗn hợp theo phương đứng [18] 40 2.4 Liên kết độ cứng liên kết 42 2.4.1 Liên kết dầm thép - cột thép 42 2.4.2 Liên kết chân cột thép với cột bê tông với móng BTCT 49 2.5 Độ cứng cấu kiện BTCT 59 2.5.1 Cơ sở tính toán 59 2.5.2 Khảo sát giá trị độ cứng cấu kiện bê tông cốt thép đưa vào phân tích kết cấu 66 2.6 Phân tích kết cấu hỗn hợp 71 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT NỘI LỰC VÀ CHUYỂN VỊ KẾT CẤU 75 KHUNG HỖN HỢP 75 3.1 Khảo sát kết cấu khung hỗn hợp theo phương ngang 75 3.1.1 Quan niệm sơ đồ tính thông thường, bỏ qua cột biên BTCT 79 3.1.2 Sơ đồ tính đề xuất, độ cứng đề xuất 81 3.1.3 So sánh kết tính toán sơ đồ tính toán 87 3.2 Khảo sát kết cấu khung hỗn hợp theo phương đứng 88 3.2.1 Quan niệm sơ đồ tính, độ cứng thông thường 94 3.2.2 Sơ đồ tính toán với liên kết đàn hồi, độ cứng cấu kiện bê tông cốt thép đề xuất 99 3.2.3 So sánh kết tính toán hai sơ đồ tính toán 102 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình Hình 1.1 Dạng kết hợp khung hỗn hợp theo phương ngang Hình 1.2 Xưởng may khu công nghiệp Quảng Nam Hình 1.3 Khán đài sân vận động Hoài Đức Hình 1.4 Dạng kết hợp theo phương đứng Hình 1.5 Nhà máy Yamaha II khu công nghiệp Nội Bài Hình 1.6 Nhà máy Yamaha II khu công nghiệp Nội Bài Hình 1.7 Dạng kết hợp theo phương ngang Hình 1.8a Trung tâm hội nghị Mường La Hình 1.8b Liên kết dầm thép cột bê tông Hình 1.9 Các kiểu mẫu thử kéo bê tông Hình 1.10 Đồ thị ứng suất biến dạng mẫu thử lăng trụ chịu nén Hình 1.11a Đồ thị ứng suất – biến dạng (σ – ε) Hình 1.11b Đồ thị biến dạng – thời gian (σ – ε) Hình 1.12 Trạng thái ứng suất biến dạng dầm sau xuất vết nứt Hình 1.13 Sơ đồ để xác định độ cong trục dầm Hình 1.14 Biểu đồ kéo kim loại Hình 1.15 Mô hình cấu liên kết chân cột thép Hình 1.16 Cấu tạo liên kết chân cột Hình 1.17 Biểu đồ mô men góc quay thiết kế nút Hình 2.1 Khung thép nhà công nghiệp Hình 2.2 Kết cấu khung hỗn hợp theo phương ngang Hình 2.3 Khung thép kết hợp cột chèn tường Hình 2.4 Chi tiết liên kết cột bê tông cột thép Hình 2.5 Kết cấu dầm thép – cột BTCT Hình 2.6 Sơ đồ tính toán kết cấu dạng dầm thép – cột BTCT Hình 2.7 Phân loại mô hình theo nút Hình 2.8 Cấu tạo liên kết mối quan hệ mô men - góc xoay tương ứng Hình 2.9 Kết cấu khung hỗn hợp theo phương đứng Hình 2.10 Sơ đồ tính kết cấu khung hỗn hợp theo phương đứng Hình 2.11 Chi tiết chân cột, liên kết với hai đến bốn bulông neo Hình 2.12 Đường đặc tính quan hệ mô men góc xoay theo EC3 Hình 2.13 Phân loại liên kết dựa quan hệ m  EC3 Hình 2.14 Sơ đồ hình học liên kết có tiết diện dầm cột Hình 2.15 Neo bu lông đế Hình 2.16 Mô hình chân cột Hình 2.17 Cánh tay đòn để ước lượng sơ độ cứng chống uốn Hình 2.18 Phân loại độ cứng gối tựa theo độ cứng chống uốn Hình 2.19 Khung hỗn hợp dạng kết hợp theo phương ngang Hình 2.20 Sơ đồ phần tử khung Hình 2.21 Tải trọng thân Hình 2.22 Hoạt tải sử dụng Hình 2.23 Hình 2.24 Hệ số khí động Mô Hình hóa khung hỗn hợp dạng kết cấu theo phương ngang Hình 2.25 Mô biểu đồ mô men khung Hình 2.26 Cấu tạo số liên kết chân cột thường gặp Hình 3.1 Mặt Kiến trúc Hình 3.2 Mặt cắt Kiến trúc Hình 3.3 Mặt kết cấu Hình 3.4 Sơ đồ tải trọng gió tác động vào công trình Hình 3.5 Sơ đồ tiết diện dầm cột khung thép thông thường Hình 3.6 Biểu đồ mô men Hình 3.7 Biểu đồ lực dọc Hình 3.8 Biểu đồ lực cắt Hình 3.9 Sơ đồ chuyển vị nút khung Hình 3.10 Sơ đồ tiết diện Hình 3.11 Biểu đồ mô men khung Hình 3.12 Sơ đồ phần tử Hình 3.13 Biểu đồ mô men khung Hình 3.14 Biểu đồ lực dọc khung Hình 3.15 Biểu đồ lực cắt khung Hình 3.16 Sơ đồ chuyển vị nút khung Hình 3.17 Biểu đồ mô men Hình 3.18 Biểu đồ lực dọc Hình 3.19 Biểu đồ lực cắt Hình 3.20 Biểu đồ chuyển vị Hình 3.21 Mặt kết cấu tầng Hình Hình 3.14 3.22 Mặt kết cấu khung Hình 3.23 Sơ đồ tiết diện kết cấu khung hỗn hợp theo phương đứng Hình 3.24 Sơ đồ tĩnh tải tác động vào khung Hình 3.25 Sơ đồ hoạt tải tác động vào khung Hình 3.26 Sơ đồ tải trọng gió tác động vào khung Hình 3.27 Sơ đồ phần tử khung Hình 3.28 Biểu đồ mô men Hình 3.19 Biểu đồ lực dọc Hình 3.30 Biểu đồ lực cắt Hình 3.31 Biểu đồ chuyển vị hệ Hình 3.32 Biểu đồ mô men Hình 3.33 Biểu đồ lực dọc Hình 3.34 Biểu đồ lực cắt Hình 3.35 Biểu đồ chuyển vị hệ Hình 3.36 Biểu đồ mô men Hình 3.37 Biểu đồ lực dọc Hình 3.38 Biểu đồ lực cắt Hình 3.39 Biểu đồ chuyển vị hệ DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Số hiệu bảng, biểu Tên bảng, biểu Cường độ tiêu chuẩn bê tông nặng Rbn, Rbtn cường độ Bảng 1.1 tính toán bê tông nặng tính theo trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser, Rbt,ser(MPa) Bảng 1.2 Cường độ tiêu chuẩn bê tông nặng Rb, Rbt cường độ tính toán tính theo trạng thái giới hạn thứ (MPa) Bảng 1.3 Mô đun đàn hồi số loại cốt thép Bảng 2.1 Phân loại theo độ cứng tương đối liên kết Bảng 2.2 Các đặc trưng liên kết đàn hồi Bảng 2.3 Kết nội lực dầm, cột Bảng 2.4 Độ cứng ban đầu liên kết Bảng 2.5 Đánh giá liên kết chân cột Bảng 2.6 Mô men quán tính hiệu dụng cấu kiện theo tiêu chuẩn ACI 318 - 05 Mô men quán tính hiệu dụng cấu kiện theo Bảng 2.7 NZS 3101 Mô men quán tính hiệu dụng cấu kiện theo Bảng 2.8 CSA-A2.3-04 Mô men quán tính hiệu dụng cấu kiện theo Bảng 2.9 SP52 – 103 – 207 Bảng 2.10 Bảng tính độ cứng cấu kiện Bảng 3.1 Bảng tổng hợp nội lực chuyển vị khung hỗn hợp Bảng 3.2 Bảng tổng hợp nội lực chuyển vị khung hỗn hợp Bảng 3.3 Bảng tổng hợp nội lực chuyển vị khung hỗn hợp Bảng 3.4 So sánh đánh giá kết nội lực chuyển vị khung hỗn hợp Bảng 3.5 Bảng tổng hợp nội lực chuyển vị khung hỗn hợp Bảng 3.6 Bảng tổng hợp nội lực chuyển vị khung hỗn hợp Bảng 3.7 Bảng tổng hợp nội lực chuyển vị khung hỗn hợp Bảng 3.8 So sánh đánh giá kết nội lực chuyển vị khung hỗn hợp MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, kinh tế Việt Nam có bước phát triển mạnh mẽ Quá trình công nghiệp hóa, đại hóa tạo điều kiện cho ngành xây dựng nước phát triển nhanh, công trình xây dựng ngày thiết kế với quy mô ngày lớn, hình thức, công năng, vật liệu phong phú, đa dạng, đòi hỏi nội dung thiết kế kết cấu phải áp dụng tiến khoa học, công nghệ để vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vừa phải hạ chi phí xây dựng Ngày nay, Công trình xây dựng công nghiệp sử dụng nhà thép tiền chế phổ biến Ứng dụng nhà thép tiền chế đa dạng, từ nhà để xe đến nhà chứa máy bay với độ 100m không cột giữa, trung tâm thương mại, kho tàng, nhà xưởng đảm bảo đáp ứng mặt Kiến trúc công sử dụng Việc mô hình tính hóa để tính toán hệ kết cấu sử dụng khung thép tiền chế thường kể đến làm việc độc lập khung mà chưa kể xem xét đến làm việc đồng thời hệ khung kết cấu thứ cấp khác cột chèn tường, kết cấu bao che, chưa tiết kiệm thiết kế, giảm vật liệu sử dụng chi phí đầu tư xây dựng Ngoài ra, hình thức kết cấu khung thép bê tông cốt thép (BTCT) hỗn hợp khác như: Dầm thép, cột bê tông cốt thép; Một số tầng sử dụng khung BTCT liên kết với số tầng khung thép để kết hợp ưu điểm kết cấu, thỏa mãn điều kiện sử dụng dùng công trình công nghiệp Kết cấu hỗn hợp dạng có đặc thù vật liệu, liên kết cấu kiện cần xem xét mức độ ảnh hưởng đến kết phân tích kết cấu Do đó, việc tìm hiểu, nghiên cứu làm việc đồng thời số dạng kết cấu khung thép bê tông cốt thép hỗn hợp sử dụng nhà công nghiệp có tính thực tiễn Việt Nam giới, phục vụ trực tiếp cho công việc chuyên môn học viên nói riêng, tài liệu tham khảo cho công tác thiết kế nói chung Mục tiêu nghiên cứu đề tài Tìm hiểu sơ đồ tính toán kết cấu khung hỗn hợp thép - bê tông cốt thép công trình công nghiệp; Giải toán làm việc đồng thời cột bê tông khung thép; Xem xét ảnh hưởng đặc trưng vật liệu liên kết hai loại kết cấu đến kết phân tích So sánh kết nhận với kết tính toán hệ kết cấu hỗn hợp độ có độ cứng đề xuất với hệ kết cấu hỗn hợp có độ cứng thông thường Từ kết thu kết hợp với công trình nghiên cứu Việt Nam, bước đầu đưa nhận xét làm việc khung hỗn hợp thép bê tông cốt thép nhà công nghiệp Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu nghiên cứu nêu cần sử dụng tổ hợp phương pháp nghiên cứu sau: Phương pháp thu thập tài liệu, nghiên cứu lý thuyết; Phương pháp phân tích; Phương pháp khảo sát số, so sánh Nội dung nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu làm việc kết cấu khung hỗn hợp thép – bê tông cốt thép công trình công nghiệp” Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết nghiên cứu đề tài cung cấp cho kỹ sư số liệu phù hợp suy giảm độ cứng cấu kiện độ cứng liên kết để áp dụng tính toán kết cấu khung hỗn hợp thép – bê tông cốt thép công trình công nghiệp THÔNG BÁO Để xem phần văn 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: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 104 KẾT LUẬN Kết hợp khung kết cấu thép - BTCT mang lại hiệu công trình công nghiệp, vừa linh hoạt việc đáp ứng không gian, công sử dụng khác nhau, vừa tận dụng ưu điểm loại vật liệu, tối ưu tiến độ thi công giải pháp hạ giá thành công trình Khi phân tích hệ kết cấu khung hỗn hợp nhà công nghiệp, quan niệm tính đơn giản hóa bỏ qua làm việc tổng thể hai thành phần khung làm tốn vật liệu sử dụng gây hư hỏng cục bộ, cần hạn chế sử dụng giả thiết đơn giản hóa công cụ phân tích kết cấu phát triển Hai vấn đề liên quan trực tiếp đến kết phân tích kết cấu nghiên cứu đề tài độ cứng cấu kiện độ cứng liên kết cho thấy: +) Các cột bê tông cốt thép số khung nhà công nghiệp hỗn hợp lấy hệ số suy giảm độ cứng 0,6 để phân tích +) Độ cứng liên kết chân cột thép với khung bê tông cốt thép tính toán theo công thức phát triển từ Tiêu chuẩn châu Âu EC3 +) Nút khung thép phân loại theo cấu tạo liên kết để đưa độ cứng khoảng thích hợp vào phân tích kết cấu, sau thiết kế liên kết kiểm tra lại phù hợp với thiết kế thực hành Với việc sử dụng sơ đồ tổng thể kết hợp hai loại khung, thông số đầu vào nghiên cứu đề tài gây chênh lệch đáng kể mô men phần tử khung so với sơ đồ đơn giản hóa, ví dụ khảo sát lên đến 25%, điều chứng tỏ việc xem xét kỹ lưỡng làm việc chung hai loại khung sử vật liệu thép bê tông cốt thép cần thiết 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Quốc Anh, Chu Thị Hoàng Anh (2012), Xác định hệ số chiều dài tính toán cho cột khung thép có xét đến đàn hồi khung thép, Trường đại học Kiến trúc; Vũ Quốc anh, Tính toán thiết kế khung thép liên kết đàn hồi, Nhà xuất xây dựng Đỗ Tiến Đông, Chu Quốc Thắng ( 2006), Khảo sát khung phẳng nửa cứng với liên kết chân cột nửa cứng, Tạp chí KH&CN tập số 1; Bùi Bảo Hiệp, Nghiên cứu làm việc khung thép mái công trình bê tông cốt thép Nguyễn Tiến Hùng, Nguyễn Tiến Chương, Tính toán khung thép có liên kết nửa cứng theo mô hình đàn – dẻo, Viện KHCN xây dựng; Nguyễn Tiến Hùng, Nguyễn Tiến Chương, Tính toán khung thép có liên kết nửa cứng phi tuyến chịu tải đứng tải trọng ngang thay đổi, Trường đại học Kiến trúc Hà Nội; Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Lưu Văn Tường, Kết cấu thép, Nhà xuất khoa học kỹ thuật; Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2013), Kết cấu bê tông cốt thép – Phần cấu kiện bản, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội; TCVN 5574:2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế; 10 TCVN 5575:2012 Kết cấu thép – tiêu chuẩn thiết kế; 11 Nguyễn Quang Viên (9/2007), Ổn định cột vát khung thép nhà tiền chế, Tạp chí khoa học công nghệ xậy dựng số 01; 106 Tiếng Anh 12 AISC, Specification for structural steel buildings 13 AISC, Load and resistance factor design specification for structural steel buildings, december 27, 1999; 14 Akshay gupta, Helmut Krawinkler, Seismic demands for performance evaluation of steel moment resisting frame structures; 15 Bing li, Initial stiffness of reinforced concrete columns and walls, school of civil and environmental engineering, Nanyang technological University Singapore; 16 Cameron P.chasten, Robert B.Fleischman, Le Wu Lu, George C.Briscoll, Semi-rigid steel connections and their effects on structural steel frame, ATLSS report No 87-02, May 1987; 17 S.O.Degertekin, M.S.Hayalioglu, Design of linear semi-regid steel frames with semi-rigid column bases, electronic journal of structural engineering, 4(2004); 18 Erocode 3, Design of steel structural; 19 K.J.Elwood and M.O.Eberhard, Efective stiffness of reinforced concrete columns; 20 N.Kishi, W.F.Chen, Y.Goto and K.G.Matsuoka, Design aid of semi – regid conections for frame analysis,1993; 21 Ed Moore D.B.,Wald F, Design of structural connections to Eurocode3Frequently asked questions; 22 L.H Martin Bsc, PhD, CEng FICE, J.A.Purkiss Bsc (Eng), PhD, Structural design of steelwork to EN 1993 and EN 1994; 23 Phil M.Ferguson, Reinforced concrete fundamentals with emphasis on ultimate strength; 24 C.W.Roeder, Seinsmic resistant conections for mixed construction; 107 25 Prof J.W.B Stark, Where structural steel and concrete meet, Delft University of Technology / Stark Partners Delft; 26 U.Starossek, T.lÖhning, J.schenk, Nonlinear analysis of reinfored concrete frames by a combined method, Electronic journal of structural engineer, 9(2009); 27 Tauquir Mubammad sheikh, B.SC, B.S, Moment connections between steel beams and concrete columns, the university of texas at austin, december,1987; 28 Ulrike Kuhlmann Frantisek Walk Jan Hofmann et al, Design of steel to concrete joint design manual II, European convertion for constructional steel work, February 2014 Tiếng Nga 29 ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ МОНОЛИТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ СП 52 - 103 -2007  ... TÍCH KẾT CẤU KHUNG HỖN HỢP THÉP - BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 Sơ đồ kết cấu khung hỗn hợp theo phương ngang 34 2.2 Sơ đồ kết cấu dầm thép - cột bê tông cốt thép [18] 37 2.3 Sơ đồ kết cấu khung hỗn. .. TRẦN HỮU HIẾU KHÓA 2014-2016 NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU KHUNG HỖN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD & CN Mã số: 60.58.02.08... số, so sánh Nội dung nghiên cứu đề tài Nghiên cứu làm việc kết cấu khung hỗn hợp thép – bê tông cốt thép công trình công nghiệp Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết nghiên cứu đề tài cung cấp