Thiết kế nút cho khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường và động đất (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - VÕ NGUYỄN HẢI YẾN THIẾT KẾ NÚT CHO KHUNG PHẲNG BTCT CHỊU TẢI TRỌNG THƯỜNG VÀ ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - VÕ NGUYỄN HẢI YẾN KHÓA 2013-2015 THIẾT KẾ NÚT CHO KHUNG PHẲNG BTCT CHỊU TẢI TRỌNG THƯỜNG VÀ ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHÙNG NGỌC DŨNG Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Để có kết nghiên cứu này, tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo Khoa đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả học viên khóa CH13X3 hoàn thành tốt chương trình học tập thực luận văn Tác giả gửi lời cảm ơn đặc biệt đến TS Phùng Ngọc Dũng tận tình bảo hướng dẫn để tác giả hoàn thành tốt kết nghiên cứu Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn đến người đóng góp nhiều ý kiến quý báu trình hoàn thành luận văn! Dù cố gắng kiến thức hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp để hoàn thiện kết nghiên cứu TÁC GIẢ LUẬN VĂN Võ Nguyễn Hải Yến LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ 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 Võ Nguyễn Hải Yến MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu: Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu 1.2 Tổng quan nghiên cứu ứng xử nút khung phẳng BTCT 1.2.1 Nút góc 1.2.4 Các nghiên cứu Việt Nam ứng xử nút khung phẳng BTCT chịu tải trọng động: 42 Chương 2: Tính toán nút khung theo tiêu chuẩn 352R-02 51 2.1 Giới thiệu 51 2.2 Một số định nghĩa phân loại mối nối dầm cột 52 2.3 Các tham số dùng thiết kế mối nối 55 2.3.1 Lực thiết kế khả chịu lực 55 2.3.2 Tiết diện giới hạn 55 2.3.3 Cường độ chịu uốn cấu kiện 56 2.3.4 Trạng thái giới hạn nút 60 2.4 Các yêu cầu cấu tạo điều kiện cường độ nút theo ACI 352R-02 61 2.4.1 Các yêu cầu cấu tạo 61 2.4.2 Điều kiện cường độ chịu cắt cho nút 71 2.4.3 Kiểm tra điều kiện cường độ chịu uốn mặt nút 77 Chương 3: Các ví dụ tính toán 79 3.1 Thiết kế khung bê tông cốt thép nghiên cứu 79 3.2 Thiết kế nút điển hình cho khung BTCT chịu tải trọng thường: 81 3.2.1 Ví dụ tính nút khung góc khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 82 3.2.2 Ví dụ tính nút khung vị trí cột biên dầm khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 87 3.2.3 Ví dụ tính nút khung khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 93 3.3 Thiết kế nút điển hình cho khung BTCT chịu tải trọng động đất: 97 3.3.1 Ví dụ tính nút khung góc khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất 97 3.3.2 Ví dụ 2, tính nút khung biên khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất 102 3.3.3 Ví dụ 3, tính nút khung khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112 Kết luận 112 Kiến nghị 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải ký hiệu Đơn vị tính Ag diện tích bê tông cột in2 Ash tổng diện tích tiết diện ngang theo in2 hướng đai bb bề rộng dầm in bc chiều rộng cột (ngang với hướng lực cắt) in be bề rộng cánh chịu kéo hiệu in bj bề rộng hữu hiệu nút fy ứng suất chảy dẻo xác định thép psi fyh Cường độ chảy dẻo xác định cốt thép đai psi xoắn hb Chiều cao dầm in hc Chiều cao cột in ldh Chiều dài đoạn thép uốn móc in ldt Chiều dài đoạn kéo dài tối thiểu in Mn Mômen danh nghĩa cấu kiện psi Mpr Môment tăng cường cấu kiện dùng a psi >0 sh Khoảng cách từ tâm đến tâm cốt đai in Vn Lực cắt danh nghĩa nút psi Vu Lực cắt tính toán cột psi a Hệ số nhân thêm vào ứng suất g Hệ số tăng cường lực cắt nút cấu kiện bên rs Hàm lượng cốt thép f Hệ số giảm tải DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng biểu Tên bảng biểu Bảng 2.1 Các giá trị γ cho mối nối dầm cột Bảng 3.1 Tải trọng tác dụng lên khung tính toán DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Hình 1.1 Tên hình vẽ Các tác động chi tiết nút khung biên chịu tác động mô men đóng (a) Các vết nứt điển hình; (b) Nội lực ; (c) Các vết nứt cắt ; (d) Các vết nứt chẻ ; (e) Các đai vòng chồng lên ; (f) Các sườn chéo ; (g) Các chịu ép mặt ngang Hình 1.2 Cốt thép phụ góc khung phẳng Hình 1.3 Các tác động chi tiết nút khung biên chịu tác động mô men mở (a) Các vết nứt điển hình; (b) Nội lực ; (c) Hợp lực gây bẻ góc ; (d) Hợp lực dọc theo đường chéo nút Hình 1.4 Các góc thí nghiệm Swann Hình 1.5 Các góc thí nghiệm Swann 1-3 (Các chi tiết dùng để tránh mở rộng góc) Hình 1.6 Thép nút góc chịu tải trọng đảo chiều Hình 1.7 Các tác động nút dầm-cột khung phẳng (a) hợp lực (b) mô hình nứt lực dính Hình 1.8 Nút dầm-cột 1-11 (a) Các vết nứt chéo ngang qua lõi nút vết nứt chẻ dọc theo cốt thép cột bên (b) vết nứt mở rộng chịu tải trọng lặp ảnh hưởng tới neo thép cột (c) phá hoại bê tông bảo vệ Hình 1.9 Mẫu thí nghiệm nút dầm cột bé trường đại học Canterbury Hình 1.10 Mối quan hệ lực chuyển vị cho mẫu nút dầm cột Hình 1.11 Mối quan hệ lực chuyển vị cho mẫu nút dầm cột với dầm stub Hình 1.12 Sự giảm cường độ mẫu nút dầm-cột với độ dẻo tích lũy Hình 1.13 Hình dạng biến dạng nút dầm-cột thí nghiệm đỉnh lực đàn hồi Hình 1.14 Các tác động lên nút khunng phẳng nhiều tầng Hình 1.15 Ứng xử lý tưởng nút dầm-cột bên (a) Nội lực mẫu vết nứt (b) Lực cắt truyền chế nén (c) Các lực cốt thép (d) Lực cắt truyền chế dàn Hình 1.16 Sự phân bố lý tưởng hóa lực lõi nút với lực nén lên cột Hình 1.17 Mẫu vết nứt nút dầm cột bên 1-.44 (a) Tại vị trí Mmax (b) Tại vòng thứ 12 tải trọng Hình 1.18 Chi tiết mẫu thí nghiệm 1-19 (a) Hệ tải (b) Các kích thước (c) Tiết diện cột (d) Tiết diện dầm Hình 1.19 Mối quan hệ mô men – độ cong trung bình đo cho khớp dẻo dầm 1-44 Hình 1.20 Mối quan hệ chuyển vị-mô men dầm đo mặt cột Hình 1.21 Biến dạng khung tác dụng tải trọng ngang Hình 1.22 Lực tác dụng nút khung Hình 1.23 Mô hình giàn ảo cho nút khung giữa- Bề rộng chống xiên Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 1.26 Sự phân bố ứng suất hình thành khe nứt nút góc Chi tiết neo cốt thép nút góc trường hợp eo £ 0.25 h Chi tiết neo cốt thép nút góc trường hợp 0.25 £ eo £ h Hình 1.27 Chi tiết neo cốt thép nút góc có nách Hình 1.28 Chi tiết neo cốt thép nút biên Hình 1.29 Chi tiết thép nút với tiết diện dầm cột thay đổi Hình 1.30 Cấu tạo nút khung Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Khung phẳng bê tông cốt thép đối tượng nghiên cứu giới hạn đề tài - Phạm vi nghiên cứu: Dựa theo tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài, nghiên cứu ứng xử nút khung BTCT nước Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tìm hiểu phá hoại nút khung BTCT chịu tải trọng thường động đất dựa vào nghiên cứu Việt Nam nước - Nghiên cứu tính toán nút khung theo tiêu chuẩn ACI 352R-02 - Thông qua ví dụ tính toán cụ thể, xây dựng quy trình tính toán nút khung BTCT chịu tải trọng thường động đất Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Năng cao trình độ thân người nghiên cứu, giúp cho người nghiên cứu có thêm hiểu biết lý thuyết tính toán khả chịu lực cấu tạo nút khung chịu tải trọng thường động đất - Dùng làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư thiết kế, giáo viên sinh viên ngành XD, dễ dàng ứng dụng vào công tác học tập, nghiên cứu, tính toán thiết kế nút khung BTCT chịu tải trọng thường chịu động đất Cấu trúc luận văn Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu 1.2 Tổng quan nghiên cứu ứng xử nút khung phẳng BTCT Chương 2: Tính toán nút khung theo tiêu chuẩn ACI 352R-02 2.1 Giới thiệu 2.2 Một số định nghĩa phân loại mối nối dầm cột 2.3 Các tham số dùng thiết kế nối 2.4 Các yêu cầu cấu tạo điều kiện cường độ nút theo tiêu chuẩn ACT 352R02 Chương 3: Các ví dụ tính toán 3.1 Thiết kế khung bê tông cốt thép nghiên cứu 3.2 Thiết kế nút điển hình cho khung BTCT chịu tải trọng thường 3.3 Thiết kế nút điển hình cho khung BTCT chịu tải động đất Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo 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 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Ứng xử nút khung phẳng BTCT phụ thuộc nhiều vào dạng tải trọng tác dụng lên nút vào việc cấu tạo cốt thép nút, đặc biệt cốt đai đường kính việc uốn cong cốt thép dọc - Để có ứng xử hợp lý, nút khung BTCT nên tính toán cấu tạo cho: + Có ứng xử ngang khả chịu lực biến dạng cấu kiện mà liên kết vào nút đó, với cường độ thiết kế với tổ hợp tải trọng nguy hiểm mà cấu kiện liên kết vào nút phải tiếp nhận, lớn vài lần Cường độ nút không nên yếu tố khống chế cường độ kết cấu, ứng xử không nên cản trở phát triển cường độ giới hạn cấu kiện xung quanh + Đối với nút chịu tải trọng thường, đảm bảo điều kiện mặt cường độ thường đáp ứng yêu cầu thiết kế cho nút chúng chủ yếu làm việc giai đoạn đàn hồi Đối với nút chịu tác động địa chấn, đặc biệt cho khung có độ dẻo cao, nút làm việc miền đàn hồi, yêu cầu cường độ, yêu cầu biến dạng độ dẻo cần đáp ứng để kết cấu tổng thể đạt biến dạng yêu cầu tác động động đất + Cấu tạo nút cần phải dễ dàng cho việc thi công - Việc thiết kế nút khung áp dụng theo tiêu chuẩn ACI 352 R-02 Tùy thuộc vào điều kiện làm việc hay tải trọng tác dụng lên kết cấu mà nút khung tính toán cấu tạo phù hợp, theo nút dạng hay dạng - Việc kiểm tra cường độ cắt cho nút cần quan tâm - Chương cụ thể hóa việc tính toán thành bước để thiết kế nút khung điều kiện: chịu tải trọng thường tải trọng động đất 113 Kiến nghị - TCVN 5574:2012 nên bổ sung phần kiểm tra lực cắt cho nút - Các nghiên cứu tiếp theo, đặc biệt thực nghiệm mô hình số, cần thực để kể đến đóng góp cốt đai vào khả chịu cắt nút - Nghiên cứu kiểm tra phá hoại ứng suất nén nút cần thực 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt V1 TCVN 5574 : 2012, ‘Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế’, Nhà xuất xây dựng, 2012 V2 TCVN 9836:2012, ‘Thiết kế kết cấu chịu động đất’, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2012 V3 TCVN 198:1997, ‘Nhà cao tầng- Thiết kế bê tông cốt thép toàn khối’ V4 Cấu tạo BTCT – Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2004 V5 Trần Cao Thanh Ngọc, Mô hình giàn ảo cho nút khung Bê tông cốt thép tác động tải trọng động đất, Tạp chí Khoa học công nghệ xây dựng số 14/12-2012 V6 Ths Nguyễn Thế Anh, Tính toán nút khung BTCT chịu tác dụng tải trọng động, Tạp chí Tư vấn thiết kế, số 3/2007 Tiếng Anh E1 Tiêu chuẩn ACI 352R-02 E2 Tiêu chuẩn ACI 318 – 2012 E3 Design of concrete structures – Fourteenth edition – Arthur H Nilson, David Darwin, Charles W Dolen E4 Reinforced concrete structures – R Park and T Paulay E5 Eurocode 2, EN1992-1-1, ‘Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings’, 2004 E6 EN 1998-1:2004 (Eurocode 8) Design of structures for earthquake resistance 2004 Tài liệu trích dẫn: 1-1 Building Code Requirements for Reinforced Concrete ACI 318-71, “ American Concrete Insitute Detroit, 1971, pp.78 1-2 T Baumann and H Rusch, ‘ Schbversuche mit indirekter Krafteinleitung” Deutscher Ausschuss fur Stahlbeton, Bulletin N.210, Wihelm Ernst & sohn, Berlin 1970, pp – 1-41 115 1-3 P.M Ferguson and S.I.Husain, “Strength Effect of Cutting off tension Bars in Concrete Beams”, Research Report, 80-IF, University of Texas, Austin, 1967 1-4 F Leonhart and K T Teichen, “Druck-Stosse von Bewehrungsstaben,” Deutscher Ausschussfur Stahlbeton, Bullentin No.222 Wilhelmtrnst & Sohn, Berlin, 1972, pp.1-53 1-5 Bresler and P.H Gilbert, “Tie Requiement for Reinforced Concrete Columns” Journal ACI Vol 58, No.5, November 1961, pp.555-570 1-6 I.H.E Nilsson “ Ramhora av Armerad Betong med Positivt Moment Konstruktiv utforming av ramhorn med dragon insida” Report 68:2, Chalmers University of Technology Goteborg, 1968, 39 pp 1-7 H N Conner and P.H Kaar, “ Precast Rigid Frame Building – Component Test”, Bulletin D123, Portland Cement Association, Development Department 1967, 12 pp 1-8 V.V Bertero and G McClure, “ Behaviour of Reinforced Concrete Frame Subjected to Repeated Reverible loads”, Journal ACI, vol 61, No 10, October 1964, pp 1305-1330 1-9 F Beaufait and R.R Williams, “ Experimental study of Reinforced Concrete Frame Subjected to Alternating Sway Forces, Journal ACI, Vol 65, No.11, November 1968, pp 980-981=4 1-10 N.W.Hanson, Discussion of Ref 13.34, Journal ACI, Vol 66, No5, May 1969, pp 442-443 1-11 G.W Renton, “The Behaviour of Reinforced Concrete Beam – Column Joints under Cyclic Loading”, Master of Engineering thesis, University of Canterbury Christchurch, New Zeland, 1972, 181 pp 1-12 N.W Hanson and H.W Conner “Seimic Resistance of Reinforce Concrete Beam Column Joints” Proceding Structural Division ASCE, vol 93, ST5, October 1967, pp 533-560 116 1-13 “Recommended Lateral Force Requirements and Commentary” Seismology Committee Structural Engineers Association of California 1969, 1970, 1971 Revisions 1-14 L.M Megget “ Anchorage of Beam Reinforcementin Seismic Resitant Reinforced Concrete frame” , Master of Engineering thesis, University of Canterbury Christchurch, New Zeland, 1971, 85 pp 1-15 B.J Smith, “ Exterior Reinforced Concrete Joints with Low Axial Load under Seismic Loading” Master of Engineering thesis, University of Canterbury Christchurch, New Zeland, 1972, 103 pp 1-16 R Park anh T Paulay “ Behaviour of Reinforced Concrete External Beam – Column Joints Under Cyclic Loading”, Vol I, paper 88, Proceeding, Fifty World Conference on Earthquake Engineering, Rome, 1973, 10 pp 1-17 R N Patton “ Behaviour Under Seismic Loading of Reinforced Concrete Beam and Column Joints with Anchorage Blocks, Master of Engineering thesis, University of Canterbury Christchurch, New Zeland, 1972, 103pp 1-18 N.W Hanson “Seimic Resistance of Reinforce Concrete Frames with Grade 60 Reinforcement ” Journal of the structural division ASCE, vol 93, ST5, October 1967, pp 533-560 1-19 R Park and K.J Thompson, “ Behaviour of Prestressed, Partially pretressed and Reinforced Concrete Interior Beam – Column Assemblies under Cyclic loading: test results of Units to 7, Research Report 74 -9, Department of Civil Engineering, University of Canterbury, 1974, 42 pp 117 Phụ lục 1: Những hình ảnh nút khung BTCT bị phá hủy 118 119 120 121 122 Phụ lục 2: Những hình ảnh công trình bị phá hủy động đất 123 \ ... khung BTCT chịu tải trọng động đất: 97 3.3.1 Ví dụ tính nút khung góc khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất 97 3.3.2 Ví dụ 2, tính nút khung biên khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất ... tính nút khung vị trí cột biên dầm khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 87 3.2.3 Ví dụ tính nút khung khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 93 3.3 Thiết kế nút điển hình cho khung. .. 3.1 Thiết kế khung bê tông cốt thép nghiên cứu 79 3.2 Thiết kế nút điển hình cho khung BTCT chịu tải trọng thường: 81 3.2.1 Ví dụ tính nút khung góc khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường