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

Các nghiên cứu của Việt Nam về ứng xử của nút trong khung phẳng BTCT chịu tải trọng động:.... Thiết kế các nút điển hình trong cho khung BTCT chịu tải trọng động đất: ..... Hình 2.1 Các

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

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 được kết quả nghiên cứu này, tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy,

Cô giáo Khoa đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả cùng các học viên khóa CH13X3 được hoàn thành tốt nhất chương trình học tập và thực hiện luận văn

Tác giả gửi lời cảm ơn đặc biệt đến TS Phùng Ngọc Dũng đã tận tình chỉ bảo

và hướng dẫn để tác giả có thể hoàn thành tốt nhất kết quả nghiên cứu Tác giả luận văn cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình hoàn thành luận văn!

Dù đã cố gắng nhưng do kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp để có thể hoàn thiện hơn kết quả nghiên cứu

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Võ Nguyễn Hải Yến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn này là trung thực và 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 các ký hiệu

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu: 1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Nội dung nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Cấu trúc của luận văn 2

NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về ứng xử của nút khung phẳng BTCT 6

1.2.1 Nút góc 7

1.2.4 Các nghiên cứu của Việt Nam về ứng xử của nút trong 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 và phân loại mối nối dầm cột 52

2.3 Các tham số dùng thiết kế mối nối 55

2.3.1 Lực thiết kế và khả năng chịu lực 55

2.3.2 Tiết diện giới hạn 55

2.3.3 Cường độ chịu uốn của các cấu kiện 56

2.3.4 Trạng thái giới hạn 2 của nút 60

2.4 Các yêu cầu cấu tạo và điều kiện cường độ của 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 tại mặt nút 77

Chương 3: Các ví dụ tính toán 79

3.1 Thiết kế các khung bê tông cốt thép được nghiên cứu 79

3.2 Thiết kế các nút điển hình trong cho khung BTCT chịu tải trọng thường: 81

3.2.1 Ví dụ 1 tính nút khung tại góc của khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 82

3.2.2 Ví dụ 2 tính nút khung tại vị trí giữa cột biên và dầm của khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 87

3.2.3 Ví dụ 3 tính nút khung giữa của khung phẳng BTCT chịu tải trọng thường 93

3.3 Thiết kế các nút điển hình trong cho khung BTCT chịu tải trọng động đất: 97

3.3.1 Ví dụ 1 tính nút khung tại góc của khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất 97

3.3.2 Ví dụ 2, tính nút khung biên của khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất 102

3.3.3 Ví dụ 3, tính nút khung giữa của khung phẳng BTCT chịu tải trọng động đất 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

1 Kết luận 112

2 Kiến nghị 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Diễn giải ký hiệu Đơn vị tính

Ag diện tích của bê tông cột in2

Ash tổng diện tích tiết diện ngang theo mỗi

hướng của mỗi đai

in2

bc chiều rộng của cột (ngang với hướng lực cắt) in

be bề rộng cánh chịu kéo hiệu quả in

bj bề rộng hữu hiệu của nút

fy ứng suất chảy dẻo xác định của thép psi

fyh Cường độ chảy dẻo xác định của cốt thép đai

xoắn

psi

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 của cấu kiện psi

Mpr Môment tăng cường của cấu kiện khi dùng a

>0

psi

sh Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các cốt đai in

Vn Lực cắt danh nghĩa của nút psi

Vu Lực cắt tính toán của cột psi

a Hệ số nhân thêm vào ứng suất

g Hệ số tăng cường lực cắt của nút bởi cấu

kiện bên

rs Hàm lượng cốt thép

f Hệ số giảm tải

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu bảng biểu Tên bảng biểu

DANH MỤC HÌNH VẼ

Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ

tác động của các mô men đóng (a) Các vết nứt điển hình; (b) Nội lực ; (c) Các vết nứt do cắt ; (d) Các vết nứt do chẻ ; (e) Các đai vòng chồng lên nhau ; (f) Các sườn chéo ; (g) Các thanh chịu ép mặt ngang

tác động của các 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 của nút

(Các chi tiết được dùng để tránh sự mở rộng tại góc)

phẳng (a) hợp lực (b) mô hình nứt và các lực dính

lõi nút và các vết nứt chẻ dọc theo cốt thép cột bên ngoài (b) vết nứt mở rộng chịu tải trọng lặp ảnh hưởng tới neo của thép cột (c) sự phá hoại của bê tông bảo vệ

Canterbury

stub

độ dẻo tích lũy

Hình 1.13 Hình dạng biến dạng của nút dầm-cột thí nghiệm tại đỉnh

của lực đàn hồi

và mẫu vết nứt (b) Lực cắt truyền bởi cơ chế nén (c) Các lực trong cốt thép (d) Lực cắt truyền bởi cơ chế dàn

Hình 1.16 Sự phân bố lý tưởng hóa của các lực trong lõi nút với lực

nén lên cột Hình 1.17 Mẫu vết nứt của nút dầm cột bên trong 1-.44 (a) Tại vị trí

Mmax (b) Tại vòng thứ 12 của tải trọng Hình 1.18 Chi tiết của mẫu thí nghiệm 1-19 (a) Hệ tải (b) Các kích thước

(c) Tiết diện cột (d) Tiết diện dầm

dẻo trong dầm 1-44

Hình 1.23 Mô hình giàn ảo cho nút khung giữa- Bề rộng của thanh

.

h

e o

Hình 1.29 Chi tiết thép tại nút giữa với tiết diện dầm và cột thay đổi

Hình 2.1 Các mối nối dầm cột điển hình (sàn không thể hiện)

nén; V = lực cắt; chỉ mục b thể hiện cho dầm, c cho cột và s cho sàn

giá cốt đai ngang trong nút

Hình 2.7 Tiết diện giới hạn để xác định đoạn kéo dài kết thúc trong

nút

khung BTCT chịu tải trọng thường

lực kéo, C= lực nén;

Hình 3.7 Cấu tạo thép tại nút khung vị trí biên và các mặt cắt dầm,

cột

nút tác dụng lên tiết diện giới hạn; T= lực kéo, C= lực nén

Hình 3-11 Chiều các momen tác dụng lên nút và các lực nút tại tiết

diện giới hạn tại nút góc; T= lực kéo, C= lực nén

Hình 3.13 Biểu đồ momen do tĩnh tải + hoạt tải + động đất gây ra

trong khung BTCT chịu tải trọng động đất

Hình 3.15 Chiều momen và các lực nút tại tiết diện giới hạn tại nút

góc; T= lực kéo, C= lực nén

và cột Hình 3.18 Chiều momen và các lực nút tại tiết diện giới hạn tại nút

góc; T= lực kéo, C= lực nén

Hình 3.20 Bố trí cốt thép tại vị trí nút giữa khung; các mặt cắt dầm cột Hình 3.21 Chiều momen và các lực nút tại tiết diện giới hạn tại nút

góc; T= lực kéo, C= lực nén

đó

Nguyên nhân chính của vấn đề này có thể do:

- Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 không cung cấp các tiêu chí cho việc thiết kế nút BTCT, TCVN 9836:2012 có cung cấp các tiêu chí khác nhau cho việc thiết kế nút BTCT trong vùng chịu động đất tuy nhiên việc áp dụng không dễ dàng

- Việc tính toán nút BTCT thường khó khăn hơn việc thiết kế các cấu kiện và thường tốn nhiều thời gian trong việc tính toán cũng như cấu tạo

- Thông qua thực nghiệm, cũng như qua ứng xử thực tế của các nút BTCT, đặc biệt là trong các vùng chịu tác động địa chấn trung bình và cao, việc không tính toán hoặc cấu tạo chi tiết hợp lý cho nút BTCT có thể dẫn đến những hư hỏng hoặc thậm chí phá hoại; sự phá hoại cục bộ này thường dẫn tới sự phá hoại tổng thể của

cả khung BTCT Chính vì những lý do trên mà các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT nói chung và trong vùng có động đất nói riêng thường quy định chặt chẽ về quy trình thiết kế nút khung

2 Mục đích nghiên cứu:

- Luận văn sẽ xây dựng quy trình thiết kế nút khung bê tông cốt thép toàn khối trong điều kiện làm việc bình thường và trong điều kiện chịu tác động động đất

2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Khung phẳng bê tông cốt thép là đối tượng nghiên cứu được giới hạn trong đề tài

- Phạm vi nghiên cứu: Dựa theo các tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài, các nghiên cứu về ứng xử nút khung BTCT trong và ngoài nước

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tìm hiểu sự phá hoại của các nút khung BTCT khi chịu tải trọng thường và động đất dựa vào các nghiên cứu của Việt Nam và nước ngoài

- Nghiên cứu tính toán nút khung theo tiêu chuẩn ACI 352R-02

- Thông qua các ví dụ tính toán cụ thể, xây dựng quy trình tính toán nút khung BTCT khi chịu tải trọng thường và động đất

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Năng cao trình độ của bản thân người nghiên cứu, giúp cho người nghiên cứu

có thêm hiểu biết về lý thuyết tính toán khả năng chịu lực và cấu tạo của các nút khung chịu tải trọng thường và động đất

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế, giáo viên và sinh viên ngành XD, có thể dễ dàng ứng dụng vào công tác học tập, nghiên cứu, tính toán thiết kế các nút khung BTCT khi chịu tải trọng thường và chịu động đất

7 Cấu trúc của luận văn

Chương 1: Tổng quan

1.1 Giới thiệu

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về ứng xử của nút khung phẳng BTCT

3

Chương 2: Tính toán nút khung theo tiêu chuẩn ACI 352R-02

2.1 Giới thiệu

2.2 Một số định nghĩa và phân loại mối nối dầm cột

2.3 Các tham số dùng thiết kế mỗi nối

2.4 Các yêu cầu cấu tạo và điều kiện cường độ của nút theo tiêu chuẩn ACT

352R-02

Chương 3: Các ví dụ tính toán

3.1 Thiết kế các khung bê tông cốt thép được nghiên cứu

3.2 Thiết kế các nút điển hình cho khung BTCT chịu tải trọng thường

3.3 Thiết kế các nút điển hình cho khung BTCT chịu tải động đất

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

THÔNG BÁO

Để xem được phần chính văn của 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

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

- Để có ứng xử hợp lý, nút khung BTCT nên được tính toán và cấu tạo sao cho: + Có ứng xử ít nhất là ngang bằng về khả năng chịu lực và biến dạng như các cấu kiện mà liên kết vào nút đó, với cường độ được thiết kế với các tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất mà các cấu kiện liên kết vào nút đó phải tiếp nhận, có thể lớn hơn vài lần Cường độ của nút không nên là yếu tố khống chế cường độ của kết cấu, và ứng xử của nó không nên cản trở sự phát triển cường độ giới hạn của các cấu kiện xung quanh

+ Đối với các nút chịu tải trọng thường, đảm bảo điều kiện về mặt cường độ thường đáp ứng được yêu cầu thiết kế cho nút khi chúng chủ yếu làm việc trong giai đoạn đàn hồi Đối với các nút chịu tác động địa chấn, đặc biệt cho các khung có độ dẻo cao, khi các nút có thể làm việc ngoài miền đàn hồi, ngoài yêu cầu về cường độ, yêu cầu về biến dạng và độ dẻo cần được đáp ứng để kết cấu tổng thể có thể đạt được các biến dạng yêu cầu do tác động động đất

+ Cấu tạo nút cần phải dễ dàng cho việc thi công

- Việc thiết kế nút khung có thể 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 được tính toán và cấu tạo phù hợp, theo nút dạng 1 hay dạng 2

- Việc kiểm tra cường độ cắt cho nút cần được quan tâm

- Chương 3 cụ thể hóa việc tính toán thành các bước để thiết kế nút khung trong 2 điều kiện: chịu tải trọng thường và tải trọng động đất

113

2 Kiến nghị

- TCVN 5574:2012 nên bổ sung phần kiểm tra lực cắt cho nút

- Các nghiên cứu tiếp theo, đặc biệt là thực nghiệm và mô hình số, cần được thực hiện để kể đến đóng góp của cốt đai vào khả năng chịu cắt của nút

- Nghiên cứu kiểm tra sự phá hoại do ứng suất nén trong nút cần được thực hiện

V3 TCVN 198:1997, ‘Nhà cao tầng- Thiết kế bê tông cốt thép toàn khối’

V4 Cấu tạo BTCT – Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2004

V5 Trần Cao Thanh Ngọc, Mô hình giàn ảo cho nút giữa của khung Bê tông cốt

thép dưới tác động của 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 của 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

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

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 1 to 7, Research Report 74 -9, Department of Civil Engineering, University of Canterbury, 1974, 42 pp