Đánh giá hiệu quả của cột liên hợp thép - bê tông trong nhà công nghiệp tiền chế

Trong bài viết này trình bày cách tính toán cột liên hợp thép - bê tông theo tiêu chuẩn EN 1994-1-1, đưa ra các ví dụ tính toán với các phương án cột liên hợp khác nhau, so sánh kết quả tính toán với phương án sử dụng cột thép, đánh giá hiệu quả sử dụng cột liên hợp thép - bê tông cho nhà công nghiệp.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 13 (3V): 64–74 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CỘT LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP TIỀN CHẾ Nguyễn Đình Hòaa,∗, Nguyễn Quốc Cườnga a Khoa Xây dựng dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 10/03/2019, Sửa xong 21/06/2019, Chấp nhận đăng 01/07/2019 Tóm tắt Trong nhà cơng nghiệp tiền chế, tiết diện cấu kiện cột thép thường định trạng thái giới hạn sử dụng, bên cạnh đó, cột thép có khả chịu lửa chống ăn mòn thấp Để khắc phục vấn đề này, giải pháp cột liên hợp thép - bê tông cho nhà công nghiệp tiền chế xem xét sử dụng Mặc dù loại cột nghiên cứu ứng dụng phổ biến ngành xây dựng nhờ kết hợp đồng thời ưu điểm vật liệu thép bê tông, chủ yếu cơng trình nhà cao tầng, chưa áp dụng nhiều nhà công nghiệp Trong báo trình bày cách tính tốn cột liên hợp thép - bê tông theo tiêu chuẩn EN 1994-1-1, đưa ví dụ tính tốn với phương án cột liên hợp khác nhau, so sánh kết tính tốn với phương án sử dụng cột thép, đánh giá hiệu sử dụng cột liên hợp thép - bê tông cho nhà cơng nghiệp Từ khố: cột liên hợp thép-bê tơng; nhà công nghiệp tiền chế; tiết diện chữ H bọc khơng hồn tồn; tiết diện thép hộp nhồi bê tơng; tiết diện ống thép nhồi bê tông EVALUATE THE EFFECTIVENESS OF STEEL-CONCRETE COMPOSITE COLUMNS APPLICATION IN THE PRE-ENGINEERING INDUSTRIAL BUILDINGS Abstract In the pre-engineered industrial building, steel column sections are usually determined by the serviceability limit state, furthermore, fire resistance and corrosion resistance of steel columns are low To deal with these problems, the steel-concrete composite columns for pre-engineered industrial building are proposed Although this type of columns is widely applied in the construction industry due to the simultaneous advantages of steel and concrete, but its current applications are mainly in high-rise buildings, rarely in industrial buildings In this paper, the calculation of the steel-concrete composite columns according to EN 1994-1-1 is presented, examples of calculation of different types of composite column are proposed, comparison the results with the case of steel column, evaluation the efficiency of using composite columns for industrial building is presented Keywords: steel-concrete composite column; pre-engineered industrial building; partially concrete encased Isection; concrete filled rectangular hollow steel section; concrete filled circular hollow steel section https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(3V)-07 c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Hiện phát triển kinh tế dẫn đến nhu cầu xây dựng khu công nghiệp, nhà máy ngày nhiều Các cơng trình cơng nghiệp thường sử dụng giải pháp nhà thép tiền chế nhờ ưu điểm khả chịu lực tốt, gia công chế tạo lắp dựng nhanh, chi phí đầu tư khơng lớn [1] Tuy nhiên loại hình kết cấu có số nhược điểm khả chịu lửa thấp, dễ bị ăn mòn; đặc ∗ Tác giả Địa e-mail: hoand@nuce.edu.vn (Hồ, N Đ.) 64 Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng biệt với cơng trình có cầu trục, xây dựng vùng gió lớn kết cấu nhà phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái giới hạn sử dụng điều kiện theo trạng thái giới hạn khả chịu lực chưa đạt đến cường độ vật liệu Giải pháp sử dụng cột liên hợp thép - bê tông thay cho cột thép nhà tiền chế xem xét để khắc phục nhược điểm Nhờ làm việc liên hợp nên khả chịu lực, điều kiện ổn định, khả chịu lửa chống ăn mòn cột liên hợp lớn cột thép, chuyển vị ngang lại nhỏ Kết cấu liên hợp thép - bê tông ứng dụng ngày phổ biến giới, nhiên Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thiết kế, tài liệu [2–4] dựa theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1994-1-1 [5] nên việc áp dụng điều kiện Việt Nam hạn chế, loại hình kết cấu áp dụng chủ yếu cơng trình dân dụng mà sử dụng cho nhà công nghiệp Cột liên hợp thép - bê tông nhà công nghiệp tiền chế bắt đầu nghiên cứu ứng dụng Việt Nam năm gần đây: giải pháp dùng cột liên hợp tiết diện thép hình bọc bê tông để giảm chuyển vị ngang cho nhà công nghiệp [6]; xác định khả chịu lực, chuyển vị cột liên hợp thép-bê tơng bọc hồn tồn nhà công nghiệp [7]; đánh giá độ cứng chuyển vị ngang cột liên hợp thép-bê tơng bọc hồn tồn khơng hồn tồn nhà cơng nghiệp khơng cầu trục [8] Tuy nhiên nghiên cứu chưa khảo sát cột thép hộp nhồi bê tông cột ống thép nhồi bê tông, chưa đánh giá hiệu cột liên hợp so với cột thép truyền thống Bài báo giới thiệu cách tính cột liên hợp thép-bê tơng, khảo sát ví dụ số sử dụng cột liên hợp với hình dạng tiết diện cột khác nhau, từ so sánh với phương án sử dụng cột thép để đánh giá ưu điểm việc sử dụng cột liên hợp thép - bê tông cho nhà công nghiệp tiền chế Trong nghiên cứu này, cơng trình giả thiết xây dựng vùng có gió lớn động đất nhỏ, việc tính tốn kết cấu chịu động đất bỏ qua [9, 10] Cột liên hợp theo EN 1994-1-1 2.1 Phương pháp tính tốn Theo EN 1994-1-1, cột liên hợp tính tốn theo hai phương pháp sau: Phương pháp tổng quát: yêu cầu kể đến ảnh hưởng làm việc phi tuyến, sai số chế tạo hiệu ứng bậc hai, áp dụng cho cột có tiết diện khơng đối xứng, tiết diện thay đổi theo chiều dài cột Phương pháp thường sử dụng mô số không áp dụng công việc thiết kế thực tế Phương pháp đơn giản: sử dụng đường cong uốn dọc Châu Âu, cột có kể đến chế tạo khơng xác, hiệu ứng bậc hai Phương pháp áp dụng cho cột có tiết diện đối xứng theo hai phương không đổi theo chiều dài cột 2.2 Cấu tạo cột Cấu tạo cột liên hợp thép - bê tông gồm thép kết cấu bọc bê tơng hồn tồn (Hình 1(a)) khơng hồn tồn (Hình 1(b)); thép hộp chữ nhật thép ống tròn nhồi bê tơng bên (Hình 1(c), 1(d)); ngồi bố trí thêm cốt thép dọc để tham gia chịu lực, giảm co ngót tránh nứt vỡ bê tơng tác động nhiệt độ cao Để phù hợp với phương pháp tính tốn EN 1994-1-1, điều kiện ổn định cục thép kết cấu phải thỏa mãn Hình 1, ε = 235/ fy , fy (MPa) Hàm lượng cốt thép dọc cột liên hợp phải thỏa mãn: 0,3% ≤ A s /Ac ≤ 6% A s diện tích tiết diện ngang cốt thép dọc, Ac diện tích tiết diện bê tông 65 (1) Cấu tạo cột liên hợp thép - bê tông gồm thép kết cấu bọc bê tơng hồn t Cấu tạo cột liêntồn hợp thép - bê tôngthép gồmhộp thépchữ kết nhật cấu bọc bê ống tơng ình 1a) khơng hồn (Hình 1b); thép khơng hồn tồn (Hình 1b); thép hộp chữhộp nhậtchữ thép ống tròn nhồi bê 1a) khơng hồn tồn (Hình 1b); thép nhật thép ống tròn nhồt (Hình 1a) khơng hồn tồn (Hình 1b); thép hộp chữ nhật thép ống ng bên (Hình 1c, 1d); ngồi bố trí thêm cốt thép dọc để th (Hình 1c,(Hình 1d);trong ngồi ngồi có1c, thể1d); tríthểthêm cốt thép dọc để cốt tham bên 1c, 1d); rabốcóngồi bố trí thêm thép dọcthép đểgia tham giathac tơng bên (Hình bố cốt trí thêm dọc để Hòa, tránh Đ., Cường, N Q.vỡ / Tạp bê Khoa học Công nghệ Xây dựng u lực, giảm cogiảm ngót nứt tơng tác động nhiệt độ cao co vàcolực, tránh nứt vỡ bêN.nứt tơng tácchí động nhiệt cao.của chịu co ngót vàvỡ tránh nứt vỡ bê tơng tácđộđộng ực,ngót giảm ngót tránh bê tơng tác động nhiệt độ nhiệt cao độ cao min(40; b/6) ≤ cy ≤ 0,4bc min(40; h/6) ≤ cz ≤ 0,3hc b/tf £b44e / t f £ 44e h/t £ 52e h / t £ 52e d/t £ 90e2 d /t 0; b/6)c ≤b/6) cy ≤≤0,4b 0,4b in(40; cy ≤c 0,4b c b / t £ 44 e b / t f £ 44e d / t £ 90e d h / t £ 52e f h / t £ 52 e (a) (b) (c) (d) 0; h/6)c ≤h/6) cz ≤≤0,3h 0,3h in(40; cz kết ≤c 0,3h (a) (b) bê tông Liên cộtc với móng liên kết ngàm, cột với kết cấu mái là(c)liên kết cứng, cột (a) (a) (b) (c) (d) (b) (c) (d) (b) (c) chiều Một số tiết diệnVới thép kết cấuđiều cột liên hợp có tiết diện khơng thay đổi Hình theo cao kiện vậy, áp dụng Hình Một số tiết diện thép kết cấu cột liên hợp Hình Một số tiết thép kếtgiản cấu cột cách Hình tính tốn cột liên hợp theo phương pháp Một số tiết diện thépdiện kếttính cấuđơn cột liên hợpliên hợp Hình Một số tiết diện thép kết cấu cột liên hợp 1994-1-1, điều kiện ổn đ 3.1 Vật liệu cột liên hợp phù phương hợp Nhằm với pháp phương pháp toán ENnghiệp 1994-1-1, điều kiện định pể Để với toán EN điều ổn định cục bộ/ cục đảm bảotính điều kiện thi tính cơng, lắp dựng nhà cơng tiền chếkiện dễ dàng,ổn thép kết cấu phải thỏa mãn1994-1-1, Hình 1,nhanh , e =trong 235 fổn phù hợp với phương pháp tính tốn EN 1994-1-1, điều kiện phạm vikết bàiđược báo nghiên cứu vớiS460 ba loạitương tiết diện cột: cộtvới chữtrong H có thép haiđó trục đối xứngtrở bọclên khơng Mác thép cấu từ S235 đến đương mác CCT38 theo ép kết cấu phải thỏa mãn Hình 1, , f (MPa e= 235 / móng f y u phải thỏa mãn Hình 1, đónhồi ,cộtfyvới(MPa) e =bê 1, 235 / kết f hồncấu tồn, hộp thépđược rỗng chữthỏa nhật nhồi bê tơng ống thép tròn tơng Liên a thép kết phải mãn Hình Để Áp dụng liên hợp cho nhàpháp công nghiệp EN 1994-1-1 phùcộthợp vớidùng phương tínhtheo tốn EN y Hàm lượng cốt thép dọcđặctrong cột liêntương hợp phải thỏa tơng mãn:có cấp e =cao.bền 235 / f TCVN 5575:2012 [11]cộthoặc thép trưng học đương; liên kết ngàm, với kết cấu có mái liên kết cứng, cột có tiết diện khơngbê thay đổi theo chiềuđộ àm cốt thép dọc cột liên hợp phải thỏa mãn: , pháp[12]; 0,3% A A £5574:2012 6% cốt thépVớidọc cột liên hợp phải thỏa mãn: điều kiện vậy, áp dụng cách tính tốn cột£liên phương tính đơn từ lượng C20/25 tới C50/60 tương đương B25 đến B55 theo TCVN cốtgiản thép s hợp ctheo Hàm lượng cốt thép dọc cột liên hợp phải thỏa mãn: As £tương 6% dùng cho cộtđó gồm S220; S400 S500 [5] ,Accốt (1) bê 0,3% A0,3% Atheo ££ngang 6% Ascủa cột diện diện thép,đương dọc, Ac diện tích tiết diện 3.1 Vật liệu liên tích hợp £tiết y y , tiết diện bê tông 0,3% £ AsAcAlàc £diện 6%tích Atích diện tích tiếtcấu diện ngang cốt thép dọc, sKhả 3.2 chịu lực tiết diện ngang Mác thép kết từ S235 đến S460 tương đương với mác thép CCT38 trở EN lên theo TCVN iện tiết diện ngang cốt thép dọc, A diện tích tiết diện bê tơng Áp dụng cột liên hợp dùng cho cnhà công nghiệp theo 1994-1-1 5575:2012 [11] thép có đặc trưng học tương đương; bê tơng có cấp độ bền từ C20/25 tới diện b ng As diện tích tiết diện ngang cốt thép dọc, Ac diện tích tiết Đường cong tương tácB25 lực nén mômen được[12]; xáccốtđịnh cáchcộtgiả dụng cột liên hợp dùng cho nhà công nghiệp theo EN 1994-1-1 C50/60 tương đương đến B55 theo TCVN 5574:2012 thépbằng dùng cho gồmthiết S220; liên hợp dùng cho nhà công nghiệp theo EN 1994-1-1 s c Nhằm đảm bảo điều kiện thi công, lắp dựng nhà công nghiệp tiền chế n vàdạng S500 theo [5]chữ hoặcnhật tươngnhư đương khốidụng ứngS400 suất hình nhà Hình 2, có xétnghiệp đến lực cắt tính EN tốn V Ed, bỏ qua Áp cột liên hợp dùng cho công theo 1994-1-1 dàng, phạm vi báo nghiên cứu với ba loại tiết diện cột chữ H hằm đảm bảo điều kiện thi công, lắp dựng nhà công nghiệp tiền chế nhanh độ bền chịu kéonăng bê tông Ảnh hưởng lực cắt tới khả chịu uốnnhanh cột: chịuvà néndễ bảo điều thichịu công, dựng công nghiệp tiền chế 3.2 kiện Khả lực lắp tiết diện ngang nhà đối xứng bọc khơng hồn tồn, hộp rỗng chữ nhật nhồi bê tông ốnghai thé phạm vi bảo báo nghiên cứu ba loại tiết diện cột: cột chữ H có đảm điềuchỉ thi cơng, lắp dựng nhà nghiệp tiền dọc trục cột phải xétkiện đến cắtvới vượt độcông chịu cắt củaứng Vthép Đường congnghiên tương tác lực nénlực mômen xác định50% cách giả thiết khối mNhằm vi bàicủa báo cứu với ba loại tiết diện cột: cộtbền chữ Hcác có haithép trụcchế suất dạng hình chữ tồn, nhật nhưhộp Hình 2, có xét đếnchữ lực cắt tính tốn độ bền chịu kéothép tròn n ng khơng hồn thép nhật nhồi tơng ống ( V bọc ), cách giảm cường độrỗng tính tốn thépba (Hình 2) > 0,5 Vphạm (1Vloại -Edr,bê )bỏf qua ng, vi báo nghiên cứu với tiết diện cột: hơng hồn tồn, hộp thép rỗng chữ nhật nhồi bê tơng ống thép tròn cột nhồichữ i xứng bọc khơng hồn tồn, hộp thép rỗng chữ nhật nhồi bê tông ống t a,Ed a,Ed pl,a,Rd yd 3 Hình Đường tương tácgiữa lực nénnén mơmen uốn Hình Đường congcong tương tác lực mômen uốn Đường cong tương tác thay biểu 66 đồ đa giác nối từ điểm A đến E (Hình 3), điểm xác định phụ thuộc vào vị trí trục trung hòa dẻo, cơng thức chi tiết tính tốn khả chịu lực tiết diện cột liên hợp trình bày [3] Hình Đường cong tương tác lực nén mơmen u Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Đường cong tương tác thay biểu đồ đa giác nối từ điểm A bê tông Ảnh hưởng lực cắt tới khả chịu uốn chịu nén dọc trục cột phải xét đến xác phụ thuộc vị ),tríbằng củacách trụcgiảm trung hòa dẻo, cá lực cắt Va,Ed vượt điểm 50% độ bền chịu cắt định thép (Va,Ed > 0,vào 5V pl,a,Rd cường độ tính tốn thép − ρ)tốn fyd (Hình tiết (1 tính khả2) chịu lực tiết diện cột liên hợp trình bày Đường cong tương tác thay biểu đồ đa giác nối từ điểm A đến E (Hình 3), điểm xác định phụ thuộc vào vị trí trục trung hòa dẻo, cơng thức chi tiết tính tốn khả chịu lực tiết diện cột liên hợp trình bày [3] 3.3 Độ mảnh quy ước, độ cứng chống uốn hiệu Độ mảnh quy ước λ mặt phẳng uốn Hình Đường cong đượcbởi đơnđa giảngiác hố tính theo: Hình Đường cong tương tác3 đơntương giảntáchoá đa giác nối từ điểm A đến E λ = N pl,Rk /Ncr (2) N pl,Rk đại lượng đặc trưng cho khả chịu nén dẻo, sử dụng giá trị đặc trưng tiêu chuẩn thay cho cường độ tính tốn; Ncr lực tới hạn đàn hồi cột chịu uốn dọc, tính với độ cứng chống uốn hiệu (EI)e f f Độ cứng chống uốn hiệu (EI)e f f tiết diện cột liên hợp: (EI)e f f = Ea Ia + E s I s + Ke Ecm Ic (3) Ke hệ số hiệu chỉnh, lấy 0,6; Ia , Ic I s mơmen qn tính phần tiết diện thép kết cấu, phần bê tông không nứt cốt thép (nếu có) trục trung hồ tiết diện Cần tính đến ảnh hưởng tác động lâu dài tới độ cứng chống uốn hiệu Khi mơ đun đàn hồi bê tơng giảm xuống Ec,e f f theo biểu thức sau: Ec,e f f = Ecm 1 + (NG,Ed /NEd )ϕt (4) ϕt hệ số từ biến [5]; NEd lực nén tính tốn; NG,Ed phần dài hạn lực nén 3.4 Phương pháp phân tích sai số chế tạo Các tính tốn phải dựa phân tích đàn hồi tuyến tính bậc hai Xác định độ cứng chống uốn hiệu (EI)e f f,II sau: (EI)e f f,II = K0 (Ea Ia + E s I s + Ke,II Ecm Ic ) (5) Ke,II hệ số hiệu chỉnh, lấy 0,5; K0 hệ số định cỡ, lấy 0,9 Hiệu ứng bậc hai không xét đến nội lực hay mômen tương ứng biến dạng tăng không 10% tải trọng đàn hồi tới hạn tính theo độ cứng chống uốn (EI)e f f,II Ảnh hưởng sai số hình học cấu tạo tính sai số hình học tương đương Giá trị sai số tương đương tra Bảng 6.5 [5] Trong khoảng chiều dài cột, ảnh hưởng hiệu ứng thứ cấp tính đến cách nhân giá trị lớn mômen uốn thuộc hiệu ứng bậc với hệ số k: k = β/(1 − NEd /Ncr,e f f ) ≥ (6) Ncr,e f f lực nén tới hạn tương ứng với độ cứng (EI)e f f,II công thức (5) với chiều dài tính tốn chiều dài cột; β hệ số chuyển đổi mômen, lấy theo [5] 67 nối từ đ tính đến sai số cấu kiện Đối với cấu kiện chịu nén tâm, cần thoả mãn: (7) N / (cN ) £1, Ed pl,Rd Npl,Rd khả chịu nén dẻo dọc trục; c hệ số uốn dọc, phụ thuộc độ mảnh Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng quy ước ; đường cong dọc 3.5.l Điều kiện chịu nénuốn tâmvà hàm lượng cốt thép, lấy theo EN 1993 -1-1 [13] kiệnnén kiểm tra phân tích phi tuyến theo mục 6.7.3.6 [5] tính đến 3.6 Điều Các kiệncấuchịu lệch tâm phẳng sai số cấu kiện Đối với cấu kiện chịu nén tâm, cần thoả mãn: Điều kiện chịu nén lệch tâm phẳng đảm bảo khi: NEd /(χN pl,Rd ) ≤ (7) N pl,Rd khả chịu dọc trục; hệ pl,Rd số )uốn phụ thuộc độ mảnh quy ước λ;(8) M Ednén / Mdẻo =M /χ(µlàd M £ adọc, pl,N,Rd Ed M đường cong uốn dọc hàm lượng cốt thép, lấy theo EN 1993-1-1 [13] MEd giá trị lớn mômen ngàm mômen uốn lớn dọc theo chiều 3.6 Điều kiện chịu nén lệch tâm phẳng dài cột đếnlệch cáctâm saiphẳng số hiệu Điều kiện tính chịu nén đảmứng bảo thứ khi: cấp cần thiết; Mpl,N,Rd khả chịu uốn dẻo cột tính với lực dọc N , lấy µ M ) ≤(Hình 2); Mpl,Rd khả năng(8)chịu M /M Ed = M /(µ M α Ed pl,N,Rd Ed d d pl,Rdpl,Rd M uốn dẻo củađócột, điểm B Hình Đối với mác thép đến dài S355, hệ số MEd lấy giátheo trị lớn mômen ngàm mômen uốn lớn nhấttừ dọcS235 theo chiều cột saimác số vàthép hiệu ứng thứ cấp nếulấy cần 0,8 thiết; M pl,N,Rd khả chịu uốn dẻo cột bằngtính 0,9đếnvàcác với S420, S460 a M lấyđược tính với lực dọc NEd , lấy µd M pl,Rd (Hình 2); M pl,Rd khả chịu uốn dẻo cột, lấy theo Đối mác thép S235 đến S355, hệ số αM lấy 0,9 với máctính théptốn S420,của Giáđiểm trị Bµtrên (Hình 4), từ liên quan tới khả chịu mơmen dẻo =µHình µ dzvới d dy S460 lấy 0,8 Giá trị mặt µd = phẳng µdy hoặcuốn µdz (Hình liênGiá quantrị tới µ khả nănghơn chịu 1mơmen dẻo tính tốn cột M pl,Rd được4), xét lớn mômen uốn M Edcộtphụ d M pl,Rd mặt phẳng uốn xét Giá trị µd lớn mômen uốn MEd phụ thuộc trực tiếp thuộc trực tiếp NEd,uốn ví dụ uốn gây tâm lệch Ed lệch vào lực nénvào dọc lực NEd ,nén ví dụdọc mômen MEdmômen gây lực M nén NEd lực Cácnén trường hợptâm khácNEd cần thiết kiểm tra lại theo mụckiểm 6.7.1 (7) Các trường hợp khác cần thiết tracủa lại[5] theo mục 6.7.1 (7) [5] Thiết kế cột chịu nén nén vàvà uốn theotheo phương Hình 4.Hình Thiết kế cột chịu uốn phương Các ví dụ tính tốn Thực số ví dụ tính tốn khung ngang nhà cơng nghiệp tiền chế có chung yêu cầu thiết kế như: nhịp L = 24 m, bước khung B = m, nhịp cửa trời Lct = m, chiều cao cửa trời Hct = m, hai cầu trục hai dầm kiểu ZLK có sức nâng Q = 10 t chế độ làm việc trung bình, cao trình đỉnh ray H1 = m, chiều cao cột H = 10,9 m, vùng gió IIIB, địa hình B, mái dốc 12◦ Tĩnh tải mái (chưa kể trọng lượng thân kèo) mái tôn, hệ giằng xà gồ lấy 15kg/m2 (phân bố theo độ dốc mái) Vật liệu thép CCT34, mô đun đàn hồi E = 20600 kN/cm2 , hệ số điều kiện làm việc γc = Cột có liên kết ngàm với móng liên kết cứng với xà mái, giải pháp cột khác ví dụ tính tốn kết cấu phần thân lại 68 cầu thiết kế như: nhịp L = 24 m, bước khung B=6 m, nhịp cửa trời Lct = m, chiều cao cửa trời Hct = m, hai cầu trục hai dầm kiểu ZLK có sức nâng Q=10 t chế độ làm việc trung bình, cao trình đỉnh ray H1 =8 m, chiều cao cột H=10,9 m, vùng gió IIIB, địa hình B, mái dốc 12o Tĩnh tải mái (chưa kể trọng lượng thân kèo) mái tôn, hệ giằng xà gồ lấy 15kg/m2 (phân bố theo độ dốc mái) Vật liệu thép CCT34, mô đun đàn hồi E=20600 hệ số điều liên kết ngàm với dựng móng = Cột Hòa,kN/cm N Đ.,2, Cường, N.kiện Q /làm Tạpviệc chígKhoa họccóCơng nghệ Xây c 4.1 Khung liên kết cứng với xà mái, giải pháp cột khác ví dụ tính tốn ngang công kết cấu thép cácnhà kết cấu phần nghiệp thân lạisử dụng Khung ngang nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép Tải trọng theo4.1.TCVN 2737:1995 [14] bao gồm tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng cầu trục Tải trọng theo TCVN 2737:1995 [14] bao gồm tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải tải trọng gió Phân tích nội lực thực phần mềm phân tích kết cấu ETABS, sau nhiều trọng cầu trục tải trọng gió Phân tích nội lực thực phần mềm phân tích lần điều chỉnh tiết để đảm bảo lần yêu cácđểtrạng thái hạn nhậntháiđược phương án kích kết diện cấu ETABS, sau nhiều điềucầu chỉnhcủa tiết diện đảm bảo yêu giới cầu trạng thước tiết diện cấu kiện khung ngang Hình giới hạn nhận phương án kích thước tiết diện cấu kiện khung ngang Hình 2000 12 o 2550 H-450x250x8x12 7200 H-700x250x12x14 10900 4640 4000 H-(650-450)x250x8x12 24000 A B Hình Sơ đồ khung ngang nhà cơng nghiệp Hình Sơ đồ khung ngang nhà cơng nghiệp Chiều dài tính tốn cột mặt phẳng khung L x = 16,94 m xác định phụ thuộc vào tỉ lệ độ cứng đơn vị xà cột, chiều dài tính tốn cột mặt phẳng khung Ly = 7,0 m lấy khoảng cách từ chân cột đến trục vai cột (do có dầm cầu trục, cột xem ngăn cản chuyển vị theo phương dọc nhà vị trí vai cột) Các đặc trưng hình học tiết diện cột thép độ mảnh cột thể Bảng Bảng Đặc trưng hình học tiết diện cột thép A (cm2 ) I x (cm4 ) Iy (cm4 ) W x (cm3 ) Wy (cm3 ) i x (cm) iy (cm) 150,6 112712,0 3655,5 3220,4 292,4 27,4 4,9 λx λy λx λy 61,9 142,1 1,96 4,49 Kết kiểm tra điều kiện chịu lực cột thép trình bày Bảng 2, trường hợp 1,2 lấy tổ hợp sau: trường hợp (tĩnh tải, hoạt tải mái, áp lực đứng cầu trục, lực hãm ngang); trường hợp (tĩnh tải gió ngang nhà); trường hợp (tĩnh tải, áp lực đứng cầu trục, lực hãm ngang gió ngang nhà) Kiểm tra cấu kiện khác khung khơng trình bày báo Chuyển vị ngang lớn đỉnh cột ∆max = 35,6 mm nhỏ chuyển vị cho phép đỉnh cột [∆] = H/300 = 36,3 mm nên điều kiện chuyển vị đỉnh cột đảm bảo Như điều kiện bền ổn định cột đảm bảo với hệ số an toàn cao chuyển vị ngang đỉnh cột gần giá trị cho phép, kích thước tiết diện cột định trạng thái giới hạn sử dụng, thực tế thiết kế nhà cơng nghiệp tiền chế 69 Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Kết kiểm tra điều kiện chịu lực cột thép Trường hợp N (kN) 238,5 1,9 165,9 M x (kNm) Điều kiện bền (kN/cm2 ) Ổn định mặt phẳng khung (kN/cm2 ) Ổn định mặt phẳng khung (kN/cm2) Giá trị giới hạn (kN/cm2 ) 95,2 386,2 370,1 4,54 12,00 12,59 4,65 8,31 21,00 21,00 21,00 3,52 8,40 13,43 4.2 Khung ngang nhà công nghiệp với giải pháp cột liên hợp Sử dụng số liệu thiết kế ví dụ 4.1 thay giải pháp cột thép cột liên hợp: cột có tiết diện chữ H đối xứng bọc bê tơng khơng hồn tồn; cột có tiết diện hộp chữ nhật nhồi bê tơng cột có tiết diện thép ống tròn nhồi bê tơng Vật liệu cột liên hợp gồm thép kết cấu S235 có fy = 235 MPa, hệ số an toàn vật liệu thép γa = 1,05; bê tơng C25 có fck = 25 MPa, hệ số an tồn vật liệu bê tơng γc = 1,5; cốt thép dọc CII có f sn = 295 MPa, hệ số an toàn vật liệu cốt thép γ s = 1,15 Tổ hợp tải trọng theo EN 1990:2002 [15], tiến hành kiểm tra cột theo điều kiện EN 1994-1-1 đảm bảo yêu cầu chuyển vị đỉnh cột ví dụ 4.1 Trong Bảng trình bày đặc trưng hình học tiết diện cột liên hợp với quy ước lại tiết diện cột có trục khỏe y, trục yếu z trục x dọc theo chiều dài cột [5] Bảng Đặc trưng hình học tiết diện cột liên hợp tính với trục khỏe y Loại cột Aa (cm2 ) Ia (cm4 ) Wa (cm3 ) A s (cm2 ) I s (cm4 ) W s (cm3 ) Ac (cm2 ) Ic (cm4 ) Wc (cm3 ) Cột 570×250×10×12 bọc bê tông (4Φ12) 114,6 60276,1 2419,3 4,524 2941,7 115,4 1310,4 322601 17772 Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tơng 181,4 73096,6 3218,0 - - - 978,6 252090 13602 Cột ống D552×8 nhồi bê tơng 136,7 50587,2 2367,7 - - - 2256,4 405162 25665 Lực cắt lớn cột liên hợp nhỏ 50% khả chịu cắt tiết diện thép nên bỏ qua ảnh hưởng lực cắt đến khả chịu nén uốn cột Các đường cong tương tác (Hình 6) thiết lập phương pháp đơn giản hóa thơng qua việc xác định điểm A, B, C, D E Hình cho thấy cột hộp nhồi bê tông cột ống nhồi bê tơng có khả chịu nén uốn cao cột thép chữ H bọc bê tông không hoàn toàn Các kết kiểm tra ổn định cục tiết diện cột liên hợp thể Bảng Nội lực gây nén lớn (tổ hợp tải trọng trường hợp gồm tĩnh tải, hoạt tải mái, áp lực đứng cầu trục lực hãm ngang), lực dọc tĩnh tải, chiều dài tính tốn cột ngồi mặt phẳng khung trình bày Bảng Điều kiện ổn định cột liên hợp chịu nén kiểm tra riêng phương trục khỏe y trục yếu z, tiết diện ống tròn nhồi bê tơng cần kiểm tra trục đối xứng Trên Bảng trình bày đặc trưng hình học tiết diện cột bọc bê tông cột hộp nhồi bê tông theo phương trục yếu z 70 Cột ống D552x8 nhồi bê tông 136,7 50587,2 2367,7 - - - 2256,4 405162 25665 Các đường cong tương tác (Hình 6) thiết lập phương pháp đơn giản hóa thơng qua việc xác định điểm A,B,C,D E Hình cho thấy cột hộp nhồi bê tông cột ống nhồi bê tơng có khả chịu nén uốn cao cột thép chữ H bọc bê tơng khơng Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng hồn tồn Hình6.6.Các Cácđường đườngcong congtương tươngtác táccủa củatiết tiếtdiện diện loại liên hợp Hình loại cộtcột liên hợp Các kết kiểm tra ổn định cục tiết diện cột liên hợp thể Bảng Bảng Kiểm tra ổn định cục cột liên hợp Bảng Kiểm tra ổn định cục cột liên hợp Loại cột Loại cột Cột H570x250x10x12 bọc bê tông Cột hộp 580x200x12 nhồi bê tông Cột ống D552x8 nhồi bê tông Cột H570×250×10×12 bọc bê tơng Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tơng Cột ống D552×8 nhồi bê tơng Điều kiện ổn định cục Điều kiện ổn định cục Giá trị kiểm tra Giá trị giới hạn b/tf =20,8 44 Giá trị kiểm tra 52 Giá h/t =48,3 D/t =69,0 90 b/t f = 20,8 trị giới hạn h/t = 48,3 D/t = 69,0 44 52 90 Bảng Nội lực chiều dài tính tốn cột Loại cột Lực nén lớn NEd (kN) Lực nén tĩnh tải NG,Ed (kN) Hệ số từ biến Nϕ Chiều dài tính tốn Ly (m) Chiều dài tính tốn Lz (m) Cột H570×250×10×12 bọc bê tơng Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tơng Cột ống D552×8 nhồi bê tơng 381,9 378,1 416,0 108,4 104,5 142,6 1 16,42 16,52 16,26 7 Bảng Đặc trưng hình học tiết diện cột liên hợp trục yếu z Loại cột Ia,z (cm4 ) I s,z (cm4 ) Ic,z (cm4 ) Cột H570×250×10×12 bọc bê tơng Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tơng 3129,6 13406,8 408,3 - 70681,0 25260,0 Kết tính tốn ổn định cột chịu nén trình bày Bảng Kiểm tra cột chịu đồng thời lực nén uốn phẳng (uốn quanh trục khỏe y): Các cặp nội lực chưa kể đến hiệu ứng bậc sai số chế tạo tương ứng cho giải pháp cột khác trình bày Bảng 8, giá trị lực dọc mơmen lấy theo tổ hợp gồm tĩnh tải, áp lực đứng 71 Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Bảng Kiểm tra ổn định cột chịu nén Lực tới hạn, Ncr (kN) N pl,Rk (kN) Cột H570×250×10×12 trục y 1787410238 bọc bê tông trục z 175043528 5854,5 3525,7 5611,2 0,98 (b), α = 0,34 1,112 0,610 1,26 (c), α = 0,49 1,556 0,405 0,138 < 0,208 < Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tông trục y 1896425436 trục z 317754905 6089,9 6400,2 6710,2 1,05 (a), α = 0,21 1,140 0,631 1,02 (a), α = 0,21 1,110 0,649 0,105 < 0,102 < Cột ống D552×8 nhồi bê tơng 1614500481 5530,4 8854,0 1,27 (a), α = 0,21 1,412 0,490 0,124 < Loại cột Độ cứng EIe f f (kN.cm2 ) Đối với Đường cong châu Âu, α λ Hệ số χ φ Kiểm tra NEd ≤1 χN pl,Rd cầu trục, lực hãm ngang gió ngang nhà Kết tính ổn định cột chịu đồng thời lực nén uốn phẳng thể Bảng Chuyển vị cho phép đỉnh cột [∆] = H/300 chuyển vị ngang đỉnh cột ∆max phương án cột liên hợp Bảng 10 Từ Bảng 10, cột liên hợp đảm bảo yêu cầu chịu lực chuyển vị (gần đạt đến giá trị giới hạn) Bảng Nội lực tính ổn định cột chịu đồng thời nén uốn phẳng Loại cột NEd (kN) MEd (kNm) Cột H570×250×10×12 bọc bê tơng Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tơng Cột ống D552×8 nhồi bê tơng 283,7 280,0 317,8 523,8 525,0 524,5 Bảng Kiểm tra ổn định cột chịu đồng thời lực nén uốn phẳng Loại cột Độ cứng EIe f f,II (kNcm2 ) Lực tới Mômen e0 hạn Ncr,e f f sai số chế tạo k1 (cm) (kN) ∆MEd (kNm) k2 MEd,max (kNm) µd M pl,Rd (kNm) Điều kiện MEd,max ≤ 0, µd M pl,Rd 1515176966 4962,8 5,3 15,11 1,061 539,8 667,6 0,809 Cột hộp 580×200×12 1633457813 nhồi bê tơng 5245,4 3,6 9,94 1,056 535,5 817,6 0,655 Cột ống D552×8 nhồi 1339946356 bê tông 4589,9 3,6 11,28 1,074 536,6 652,5 0,822 Cột 570×250×10×12 bọc bê tơng 4.3 Đánh giá hiệu cột liên hợp thép - bê tông nhà cơng nghiệp Kết tính tốn với phương án cột khác tổng hợp Bảng 11 Từ Bảng 11, nhận thấy chuyển vị ngang đỉnh cột đạt đến gần với giá trị cho phép điều kiện chịu lực cột thép H700×250×12×14 dư nhiều, chưa tận dụng hết khả vật liệu (hơn 60%) Trong 72 Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng 10 Kiểm tra điều kiện chuyển vị Loại cột ∆max (mm) [∆] (mm) Cột H570×250×10×12 bọc bê tơng Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tơng Cột ống D552×8 nhồi bê tông 36,1 35,7 35,9 36,3 Bảng 11 Thống kê kết Điều kiện chuyển vị Điều kiện chịu lực Diện tích tiết diện thép Loại cột Giá trị tính tốn Giá trị cho phép % Cột thép H700×250×12×14 13,43 kN 21,00 kN Cột H570×250×10×12 bọc bê tơng 0,809 0,9 Cột hộp 580×200×12 nhồi bê tơng 0,655 0,9 Cột ống D552×8 nhồi bê tơng 0,822 0,9 A (cm2 ) Điều kiện ∆ 63,9 Ổn định mặt phẳng 35,6 98,1 150,6 89,9 Chịu nén uốn đồng thời 36,1 99,5 119,1 72,8 Chịu nén uốn đồng thời 35,7 98,3 181,4 91,3 Chịu nén uốn đồng thời 35,9 98,9 136,7 [∆] % 36,3 cột liên hợp phát huy hiệu làm việc vật liệu (điều kiện chịu lực đạt tới 90%) Các cột tiết diện thép chữ H bọc bê tông không hồn tồn cột ống thép nhồi bê tơng có diện tích thép (bao gồm cốt thép dọc cột) nhỏ đáng kể so với cột thép (từ 10% đến 20%) Do điều kiện ổn định cục quy định EN 1994-1-1 nên chiều dày thép hộp chọn lớn so với chiều dày cần thiết theo u cầu chịu lực, từ diện tích tiết diện thép cột hộp nhồi bê tông cao cột khác Kết luận Bài báo trình bày hiệu sử dụng vật liệu thép thay cột thép túy nhà công nghiệp tiền chế cột liên hợp thép - bê tông Nghiên cứu rút kết luận sau: - Sử dụng giải pháp cột liên hợp thép - bê tông làm tăng độ cứng khung, nâng cao khả chịu lực so với cột thép túy - Thiết kế cột liên hợp thép – bê tông nhà công nghiệp tiền chế đảm bảo trạng thái giới hạn khả chịu lực trạng thái giới hạn sử dụng đạt hiệu cao, khắc phục nhược điểm cột thép tiết diện cột thường định trạng thái giới hạn sử dụng điều kiện chịu lực an tồn - Đối với nhà cơng nghiệp tiền chế, sử dụng cột liên hợp tiết diện chữ H bọc bê tơng khơng hồn tồn cột ống thép nhồi bê tông tiết kiệm vật liệu thép kết cấu so với cột thép túy cột hộp chữ nhật nhồi bê tơng 73 Hòa, N Đ., Cường, N Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Ngoài việc sử dụng cột liên hợp thép - bê tơng đảm bảo khả chịu lửa, chống ăn mòn tốt cột thép Tuy nhiên, cần có nghiên cứu thêm giá thành vật liệu, chi phí gia cơng chế tạo, thi cơng lắp dựng, để đánh giá đầy đủ yếu tố kinh tế - kĩ thuật giải pháp sử dụng cột liên hợp thép - bê tông nhà công nghiệp tiền chế Lời cảm ơn Các tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ tài trường Đại học Xây dựng cho đề tài “ Tính tốn cột liên hợp thép - bê tơng theo tiêu chuẩn EN 1994-1-1 đánh giá hiệu sử dụng nhà thép tiền chế mái nhẹ”, mã số 75-2017/KHXD Tài liệu tham khảo [1] Viên, N Q., Tư, P V., Quang, H V (2011) Kết cấu thép, nhà dân dụng công nghiệp Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Hội, P V (2006) Kết cấu liên hợp thép - bê tông, dùng nhà cao tầng Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Hội, P V., Linh, N N., Tuấn, V A., Đức, H N., Thu, P T N., Tuyền, N M (2016) Kết cấu liên hợp thép - bê tông, nhà cao tầng siêu cao tầng Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [4] Tuan, V A (2017) Steel - concrete composite structures Slabs, beams and columns for buildings Construction Publishing House, Hanoi [5] EN 1994-1-1 (2004) Design of composite steel and concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings European Committee for Standardization [6] Oanh, T V (2013) Giải pháp giảm chuyển vị ngang cho nhà công nghiệp mái nhẹ dùng cột liên hợp thép - bê tông Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Xây dựng [7] Anh, N Q (2017) Tính tốn cột liên hợp thép - bê tơng theo EN 1994-1-1 nhà công nghiệp mái nhẹ Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Xây dựng [8] Tuấn, V A (2017) Áp dụng cột liên hợp thép - bê tông nhà thép tiền chế mái nhẹ Tạp chí Xây dựng Việt Nam, 2:140–144 [9] Thuật, Đ V., Việt, Đ Q., Sơn, N V (2016) Một số vấn đề xác định tải trọng động đất tác dụng lên khung ngang nhà công nghiệp tầng thép có cầu trục Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 10(1):17–24 [10] Thuật, Đ V., Chương, H V., Hòa, N Đ (2017) Đánh giá tác dụng tải trọng động đất tĩnh ngang gió lên khung ngang nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 11(1):11–18 [11] TCVN 5575:2012 Kết cấu thép Tiêu chuẩn thiết kế Bộ Khoa học Công nghệ [12] TCVN 5575:2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép Bộ Khoa học Công nghệ [13] EN 1993-1-1 (2005) Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings European Committee for Standardization [14] TCVN 2737:1995 Tải trọng tác động Tiêu chuẩn thiết kế Bộ Khoa học Công nghệ [15] EN 1990:2002 (2005) Basis of structure design European Committee for Standardization 74 ... luận sau: - Sử dụng giải pháp cột liên hợp thép - bê tông làm tăng độ cứng khung, nâng cao khả chịu lực so với cột thép túy - Thiết kế cột liên hợp thép – bê tông nhà công nghiệp tiền chế đảm bảo... diện tích tiết diện thép cột hộp nhồi bê tông cao cột khác Kết luận Bài báo trình bày hiệu sử dụng vật liệu thép thay cột thép túy nhà công nghiệp tiền chế cột liên hợp thép - bê tông Nghiên cứu... nhồi bê tông, chưa đánh giá hiệu cột liên hợp so với cột thép truyền thống Bài báo giới thiệu cách tính cột liên hợp thép- bê tơng, khảo sát ví dụ số sử dụng cột liên hợp với hình dạng tiết diện cột