Nội dung bài viết trình bày các kết quả tính toán hệ số uốn dọc của một số cột liên hợp thép bê tông nằm ngoài phạm vi giới hạn mà tiêu chuẩn châu Âu đã đưa ra. Để mô phỏng sự làm việc của cấu kiện này sử dụng mô hình phi tuyến vật liệu và hình học, cũng như dùng phần mềm SAFIR để phân tích kết cấu. Qua các kết quả tính toán đưa ra một số nhận xét và khuyến nghị.
KHOA HC & CôNG NGHê H s un dc ca cột liên hợp thép - bê tông Buckling factor of composite steel and concrete columns Nguyễn Lệ Thủy, Chu Thị Bình Tóm tắt Trong tính tốn kết cấu nói chung kết cấu liên hợp thép – bê tơng nói riêng, khả chịu lực cấu kiện chịu nén cần xét đến ảnh hưởng uốn dọc Hiện tiêu chuẩn Việt Nam chưa có phần thiết kế kết cấu liên hợp thép- bê tông ảnh hưởng uốn dọc lên cấu kiện chịu nén vật liệu này, nên thường phải dùng tiêu chuẩn châu Âu Để tính tốn ảnh hưởng uốn dọc tới khả chịu nén cột liên hợp thép-bê tông tiêu chuẩn châu Âu đưa đường cong uốn dọc (European buckling curves) song giới hạn phạm vi áp dụng Nội dung báo trình bày kết tính tốn hệ số uốn dọc số cột liên hợp thép bê tơng nằm ngồi phạm vi giới hạn mà tiêu chuẩn châu Âu đưa Để mô làm việc cấu kiện sử dụng mơ hình phi tuyến vật liệu hình học, dùng phần mềm SAFIR để phân tích kết cấu Qua kết tính tốn đưa số nhận xét khuyến nghị Từ khóa: Cột, liên hợp thép- bê tông, uốn dọc Abstract The effect of buckling is always required to be considered in calculation of load capacity of compression elements Currently, design of composite steel and concrete structures has still not been enclosed in Vietnamese design standards; hence Eurocodes is usually applied in designing of this type of structures Eurocodes proposes the European buckling curves to take into account the effect of buckling to compression resistance of composite steel and concrete column, however, this method has its scope of application This paper presents the calculation results of buckling factor of some type of composite steel and concrete columns which are beyond the application of Eurocodes Material and geometric non-linear model in structural analysis software SAFIR was used From calculation results, some comments and recommendations were proposed Key words: Column, composite steel and concrete, buckling Giới thiệu chung Trong tính tốn khả chịu lực cấu kiện chịu nén, ảnh hưởng uốn dọc quan trọng Với cấu kiện liên hợp chịu nén tâm, khả chịu lực cấu kiện phụ thuộc vào hệ số uốn dọc Với cấu kiện liên hợp chịu nén lệch tâm, hệ số uốn dọc kể đến thông qua biểu đồ tương tác tiết diện có kể đến vùng giảm khả chịu mô men uốn dọc Hiện nay, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép- bê tơng, để tính tốn cấu kiện sử dụng tiêu chuẩn châu Âu EC4 Tiêu chuẩn châu Âu EN 1993-1-1 [1] đưa công thức tính hệ số uốn dọc (ký hiệu χ) phụ thuộc loại tiết diện ngang độ mảnh quy ước cột Hệ số tính tốn đơn giản dựa đường cong ổn định cột (European buckling curves) có kể đến tính dẻo vật liệu, khơng hồn chỉnh hình học ứng suất dư Bảng trích tiêu chuẩn EN 1994-1-1 (EC4) [2] cho biết loại đường cong uốn dọc áp dụng độ cong ban đầu quy đổi cột liên hợp thép bê tông Như vậy, tiêu chuẩn châu Âu chưa có dẫn thiết kế cho loại tiết diện cột Hình Vấn đề đặt đây, với cột có tiết diện (chưa có dẫn thiết kế tiêu chuẩn tiêu châu Âu) dùng loại đường cong uốn dọc hợp lý? Để giải vấn đề này, nhóm nghiên cứu tính tốn hệ số uốn dọc cột có tiết diện Hình 1, sử dụng phần mềm phân tích kết cấu SAFIR [3] có kể đến tính phi tuyến hình học vật liệu Kết tính tốn theo phần mềm SAFIR so sánh với kết tính theo dẫn dùng đường cong uốn dọc theo tiêu chuẩn châu Âu Từ đưa nhận xét khuyến nghị Giới thiệu đường cong uốn dọc cột theo tiêu chuẩn châu Âu (European buckling curves) Khả chịu nén tâm cột NRd xác định sau: NRd = χ Npl, Rd Trong Npl, Rd khả chịu nén tiết diện, tổng khả chịu nén thành phần: ống thép bao ngồi, bê tơng cốt thép bên N pl , Rd = Aa f yd + Ac f cd + As f sd χ hệ số uốn dọc (reduction factor) χ= Φ + Φ2 − λ = Φ 0,5[1 + α (λ − 0, 2) + λ ] λ độ mảnh quy ước (relative slenderness) tính cơng thức: ThS Nguyễn Lệ Thủy PGS.TS Chu Thị Bình Bộ môn Kết cấu Thép - Gỗ, Khoa Xây dựng Email: nlthuy.hau@gmail.com ĐT : 0903226382 λ= N pl , Rk N cr Trong đó: Npl, Rk: Khả chịu nén tiết diện tính với hệ số vật liệu 1; Ngày nhận bài: 01/06/2017 Ngày sửa bài: 05/06/2017 Ngày duyệt đăng: 05/07/2018 34 Ncr: Lực dọc tới hạn gây ổn định đàn hồi cho cột α: Hệ số kể tới khơng hồn chỉnh hình học vật liệu cột Hệ số phụ thuộc vào loại tiết diện cột (ví dụ bảng 1) TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG C273x5 C168.3x10 C219.5x5 S120x10 S200x5 HEB120 C219.5x5 C193.1x10 Hình Một số tiết diện cột liên hợp thép- bê tông Hệ số uốn dọc χ a) bê tông Độ mảnh quy ước λ (khơng thứ ngun) Hình Các đường cong uốn dọc cột chịu nén a) Mơ hình cột b) cốt thép Hình Mối quan hệ ứng suất- biến dạng bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn châu Âu [2] b) Mơ hình tiết diện ngang ống thép tròn nhồi bê tơng cốt thép bê (mơ 1/4 tiết diện có tính đối xứng) Hình Mơ hình tính cột phần mềm SAFIR S¬ 31 - 2018 35 KHOA H“C & CôNG NGHê Bng Loi ng cong un dc (buckling curve) cột liên hợp thép- bê tông [2] Mặt cắt ngang Giới hạn Trục uốn dọc Đường cong uốn dọc Độ võng ban đầu y-y b L/200 z-z c L/150 y-y b L/200 z-z c L/150 ρs ≤ 3% a L/300 3% ≤ ρs ≤ 6% b L/200 y-y b L/200 z-z b L/200 b L/200 Bê tơng bọc thép hình Một phần thép hình bọc bê tơng Tiết diện thép ống tròn chữ nhật Tiết diện thép ống tròn với tiết diện I Bê tông bọc thép chữ thập tạo thép chữ I Tiêu chuẩn Eurocodes [1] đưa giá trị α (Hình 2) 3.2 Mơ hình phần tử α =0.13 cho đường cong α =0.21 cho đường cong α =0.34 cho đường cong α =0.49 cho đường cong α =0.76 cho đường cong Ở nghiên cứu này, cột chia thành 10 phần tử (Hình 4a) để kể đến sơ đồ biến dạng Mỗi phần tử gồm thớ (fibres) song song mà thớ loại vật liệu Do tiết diện bê tông cốt thép liên hợp thép-bê tơng dễ dàng mơ (Hình 4b) Dựa vào nguyên lý chập chuyển vị, phương trình cân giả thiết Bernoulli xác định biến dạng tứng thớ hai mặt cắt ngang điểm đầu phần tử dầm “a0” “a” “b” “c” “d” Mơ hình tính cột dùng phần mềm phân tích kết cấu SAFIR SAFIR phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu điều kiện nhiệt độ thường nhiệt độ cao Phần mềm kiểm chứng qua nhiều công bố [4,5,6] Phần trình bày mơ hình tính cột liên hợp thép- bê tông điều kiện nhiệt độ thường 3.1 Mơ hình vật liệu (Hình 3) 36 Tải trọng tăng dần theo bước để xét đến ảnh hưởng biến dạng tới mô men cột Tất sai số hình học, vật liệu ứng suất dư thép qui đổi thành độ cong ban đầu cột Giá trị độ võng lớn cột L/500 chọn Do giá trị độ võng ban đầu có ảnh hưởng lớn đến làm việc cột kể tới ảnh T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG hng P-delta nờn giỏ trị L/500 kiểm chứng cách tính tốn với cột ống thép tròn nhồi bê tơng hình 4, hàm lượng cốt thép bên từ đến 6% Cột tương ứng với loại cột tiết diện thép ống tròn bảng Khoảng 50 cột với chiều cao khác (từ 2m đến 7m), cường độ bê tông khác lượng cốt thép bên khác tính tốn phần mềm SAFIR so sánh với số liệu đưa tiêu chuẩn châu Âu (bảng 1) Các hình từ hình đến hình 10 có trục tung tỉ số khả chịu nén cột có ảnh hưởng uốn dọc khả chịu nén tiết diện (reduction factor), trục hoành độ mảnh quy ước cột (relative slenderness) Kết tính số phần mềm SAFIR cho thấy với cột có hàm lượng cốt thép từ đến 3%, kết gần với đường cong uốn dọc a tiêu chuẩn EC4 đưa (Hình 5) Khi hàm lượng cốt thép từ 3% Hình Kết tính cột có hàm lượng cốt thép 3% Hình Kết tính cột có hàm lượng cốt thép 3% Hình Kết tính cột vng bao bọc thép chữ I Hình : Kết tính cột tròn bao bọc ống thép tròn Hình 9: Kết tính cột tròn bao bọc ống thép vng Hình 10 Kết tính cột tròn bao bọc ống thép tròn rỗng (xem tiếp trang 43) S¬ 31 - 2018 37 ... Một số tiết diện cột liên hợp thép- bê tông Hệ số uốn dọc χ a) bê tông Độ mảnh quy ước λ (khơng thứ ngun) Hình Các đường cong uốn dọc cột chịu nén a) Mơ hình cột b) cốt thép Hình Mối quan hệ. .. 31 - 2018 35 KHOA H“C & CôNG NGHê Bng Loi ng cong un dc (buckling curve) cột liên hợp thép- bê tông [2] Mặt cắt ngang Giới hạn Trục uốn dọc Đường cong uốn dọc Độ võng ban đầu y-y b L/200 z-z... với cột ống thép tròn nhồi bê tơng hình 4, hàm lượng cốt thép bên từ đến 6% Cột tương ứng với loại cột tiết diện thép ống tròn bảng Khoảng 50 cột với chiều cao khác (từ 2m đến 7m), cường độ bê tông