Hơp lý hóa tiết diện dầm liên tục liên hợp theo mômen bền dẻo

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRỊNH HÙNG MẠNH HỢP LÝ HÓA TIẾT DIỆN DẦM LIÊN TỤC LIÊN HỢP THEO MÔMEN BỀN DẺO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP ĐÀ NẴNG, 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRỊNH HÙNG MẠNH HỢP LÝ HÓA TIẾT DIỆN DẦM LIÊN TỤC LIÊN HỢP THEO MÔMEN BỀN DẺO Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số : 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học GS.TS PHẠM VĂN HỘI ĐÀ NẴNG, 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết Luận văn trung thực chưa công b bt k cụng trỡnh no khỏc Tác giả luận văn Trịnh Hùng Mạnh LI CM N Lun Thạc sĩ kỹ thuật với Đề tài “Hợp lý hóa tiết diện dầm liên tục liên hợp theo mômen bền dẻo” thực với kiến thức thu thập suốt trình học tập trường Cùng với cố gắng thân giúp đỡ, động viên thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp gia đình suốt trình học tập thực luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô môn Xây dựng dân dụng công nghiệp, người cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập công tác Xin gửi lời cảm ơn đến học viên chuyên ngành Xây dựng dân dụng công nghiệp khóa 31 năm 2015, người bạn đồng hành giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.TS Phạm Văn Hội, Người thầy nhiệt tình hướng dẫn, động viên Tơi suốt q trình thực luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến Sư đồn Khơng qn 372, nơi tơi cơng tác, tạo điều kiện nhiều thời gian để tơi hồn thành q trình học tập Cuối cùng, Tơi xin cảm ơn Gia đình động viên tạo điều kiện tốt cho tinh thần thời gian năm tháng học tập trường Luận văn hồn thành khơng thể tránh thiếu sót hạn chế Rất mong nhận đóng góp quý Thầy Cô, bạn bè đồng nghiệp để lun c hon thin hn Tác giả luận văn Trịnh Hùng Mạnh MC LC M U 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Bố cục Luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG 1.1 Kết cấu liên hợp Thép – Bêtông 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp Thép – Bêtông 1.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp Việt Nam 1.1.3 Đặc điểm kết cấu liên hợp Thép – Bêtông 1.2 Dầm liên hợp Thép – Bêtông 1.2.1 Ưu nhược điểm dầm liên hợp Thép- Bêtông 1.2.2 Phân loại tiết diện dầm thép hình 12 1.3 Tình hình ứng dụng kết cấu liên hợp thép bêtơng cơng trình xây dựng dân dụng 15 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 20 CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG 21 2.1 TÍNH TỐN DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊTƠNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 21 2.1.1 Trạng thái giới hạn kiểm tra Dầm thép liên hợp 21 2.1.2 Khảo sát khả chịu lực dầm với mômen uốn 23 2.1.3 Kiểm tra trạng thái sử dụng dầm thép 30 2.1.4 Tính tốn chốt liên kết 31 2.1.5 Phân tích phân bố nội lực dầm liên tục 32 2.2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU LIÊN HỢP 34 2.2.1 Cốt thép 34 2.2.2 Bê tông 35 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38 CHƯƠNG TÍNH TỐN HỢP LÝ HĨA TIẾT DIỆN DẦM LIÊN TỤC LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG THEO MÔMEN BỀN DẺO 39 3.1 Đặt vấn đề 39 3.2 Xác định mômen bền dẻo dầm liên tục liên hợp 40 3.2.1 Các giả thiết tính tốn mơmen bền dẻo theo Eurocode 40 3.2.2 Thiết lập cơng thức tính toán cho dầm liên tục 40 3.3 Ví dụ tính tốn 46 3.3.1 Vật liệu 46 3.3.2 Đặc trưng hình học dầm thép hình 47 3.3.3 Tính tốn mơmen bền dẻo với nhịp dầm khác 48 3.4 Nhận xét kết 63 3.5 Kết luận chương 63 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) HỢP LÝ HÓA TIẾT DIỆN DẦM LIÊN TỤC LIÊN HỢP THEO MÔMEN BỀN DẺO Học viên: Trịnh Hùng Mạnh Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN Mã số: 60 58 02 08 Khóa: 31.XDD Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Cùng với xu hội nhập Quốc tế Việt Nam, năm gần nhu cầu xây dựng nhà cao tầng, cơng trình thể thao văn hóa có nhịp lớn bùng nổ mạnh mẽ Nước ta, đặc biệt khu đô thị lớn Hà Nội, Đà Nẵng thành phố Hồ Chí Minh Khi thiết kế đòi hỏi Người thiết kế phải nghiên cứu đưa giải pháp kết cấu hợp lý cho kích thước cấu kiện kết cấu Trong Eurocode thường thiết kế cho dầm thép hình đối xứng khơng đổi từ dẫn đến chịu mơmen dương dầm liên tục thường thừa khả chịu lực mà mômen âm lại không đủ khả chịu lực Khi chịu mơmen âm cốt thép bêtơng Vấn đề đặt cần phần cấu tạo tiết diện cho nhịp gối mômen bền dẻo sát với nội lực tính tốn Luận văn “Hợp lý hóa tiết diện dầm liên tục liên hợp theo mơmen bền dẻo” tập trung vào việc khảo sát tính tốn mơmen bền dẻo dầm liên tục liên hợp thép – bêtơng sở tính tốn theo Tiêu chuẩn Eurocode với mong muốn tìm giải pháp hợp lý cho việc lựa chọn tiết diện dầm Từ khóa - Tiêu chuẩn Eurocode 4, TCVN 5574-2012, dầm liên hợp liên tục, Mômen bền dẻo; RATIONALIZATION OF CONTINUOUS COMPOSITE BEAM CROSS-SECTION BASED ON THE PLASTICITY MOMENT Abstract - Along with the trend of international integration of Vietnam, in recent years, the demand for building high-rises, cultural and sports buildings with great spans is booming in our country, especially in large urban areas such as Ha Noi, Da Nang and HCMC When designing, the designer must research to provide a reasonable structural solution for the size of structural components Eurocode is typically designed for constant symmetric steel beams, which leads to excessive bearing capacity under positive moments and inadequate bearing capacity under negative moments onto the steel rod in the concrete slab of the continuous beams It is necessary to design the section structure to have the plasticity moment at both spans and bridge bearing pads close to the internal force calculation The thesis “Rationalization of continuous composite beam cross-section based on the plasticity moment” focuses on investigating the calculation of plasticity moment in continuous composite steel-concrete beam based on the calculation in accordance with Eurocode to draw a logical solution for selecting beam sections Key words - Eurocode 4; TCVN 5574-2012; Continuous composite beam; plasticity moment DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nội dung Aa Diện tích thép hình As Diện tích cốt thép Aeq Diện tích tương đương tiết diện liên hợp Abn Diện tích thực thân bulơng Ared Diện tích quy đổi tiết diện Es Mô đun đàn hồi thép hình Eb Mơ đun đàn hồi cát tuyến bê tơng Fa Sức bền dẻo thép hình chịu kéo Fc Sức bền dẻo bê tông chịu nén Ia Mơmen qn tính uốn thép hình Ld Chiều dài dầm M+pl.Rd Mômen bền theo hợp lực vùng bêtông chịu nén Mapl, Rd Mômen bền dẻo tiết diện dầm thép b+eff Bề rộng hiệu sàn tiết diện chịu mômen dương bbf Bề rộng cánh tiết diện thép hình fck Cường độ đặc trưng nén bêtông fct Cường độ trung bình bê tơng tuổi 28 ngày fys Giới hạn chảy vật liệu cốt thép fyp Giới hạn chảy vật liệu làm tôn sàn fu Sức bền kéo đứt thép làm chốt fbt Cường độ tính tốn chịu kéo bulơng h Chiều cao tổng thể tiết diện liên hợp Chiều cao tiết diện thép hình hc Chiều dày bê tơng sàn hp Chiều cao sóng tơn h1 Khoảng cách từ trọng tâm thép hình đến mép ngồi cánh h2 Khoảng cách từ trọng tâm thép hình đến mép ngồi cánh hfyc Chiều cao cần thiết đường hàn liên kết lw Chiều dài tính tốn đường hàn phía cánh ngồi ttf Chiều dày cánh tiết diện thép hình Ia Momen quán tính tiết diện trục trung hòa Sf Momen tĩnh trục trung hòa phần tiết diện bị trượt tbf Chiều dày cánh tiết diện thép hình δf Độ võng dầm tải trọng gây λ Độ mảnh λ LT Độ mảnh tính tốn tiết diện dầm thép kiểm tra z Khoảng cách từ trục trung hòa tới mặt sàn zw Khoảng cách từ trục trung hòa tiết diện tới trọng tâm dầm thép γc Hệ số an tồn vật liệu bêtơng γa Hệ số an tồn vật liệu cho thép hình γs Hệ số an toàn vật liệu cho thép γap Hệ số an tồn cho vật liệu tơn sàn μs Hàm lượng cốt thép Prd Sức bền chốt liên kết DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng phân loại tiết diện 15 2.1 2.2 2.3 Giá trị giới hạn độ võng thẳng đứng cho dầm sàn Ứng suất cho phép lớn cốt thép Tỷ lệ phần trăm lớn phân phối lại mômen gối Giá trị giới hạn chảy fy, giới hạn bền fu đặc trưng thép 23 31 34 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 cán nóng Giá trị fcm bê tơng tuổi 28 ngày theo Eurocode Lớp độ bền bê tông E4 với TCVN 5574: 2012 Hệ số đặc tính riêng bê tơng γc Lựa chọn kích thước tiết diện dầm thép hình Lựa chọn thép tròn bêtơng Xác định vị trí trục trung hòa dẻo Tính tốn mômen bền dẻo tiết diện gối tựa Bảng mối quan hệ dầm thép hình, thép tròn với mơmen Lựa chọn kích thước tiết diện dầm thép hình Tính tốn mơmen bền dẻo nhịp dầm Lựa chọn kích thước tiết diện dầm thép hình Lựa chọn thép tròn bêtơng Xác định vị trí trục trung hòa dẻo Tính tốn mơmen bền dẻo tiết diện gối tựa Bảng mối quan hệ dầm thép hình, thép tròn với mơmen Lựa chọn kích thước tiết diện dầm thép hình Tính tốn mơmen bền dẻo nhịp dầm Lựa chọn kích thước tiết diện dầm thép hình Lựa chọn thép tròn bêtơng Kiểm tra vị trí trục trung hòa dẻo nằm bụng dầm thép Tính tốn mơmen bền dẻo tiết diện gối tựa Bảng mối quan hệ dầm thép hình, thép tròn với mơmen Lựa chọn kích thước tiết diện dầm thép hình Tính tốn mơmen bền dẻo nhịp dầm 35 37 37 37 49 50 50 50 51 52 52 54 54 54 55 55 56 57 58 58 59 59 60 62 62 61 Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ thay đổi tiết diện dầm thép mômen gối * Kiểm tra điều kiện ổn định bụng dầm thép: - Phần chiều cao chịu nén bụng có khả bị cong vênh ổn định cục là: αd = d/2 + zw = 50/2 + 12,8 = 37,8 => α = 37,8/40 = 0,75 > 0,5 - Kiểm tra điều kiện: d/tw ≤ (456.ε)/(13.α – 1) Trong đó: ε = 235/ f y = 235 / 240 =0,989 (456.ε)/(13.α – 1)= (456.0,989)/(13.0,75-1) = 46,79 => d/tw = 500/12 = 41,6 < 46,68 Như tiết diện thuộc loại (có khả phát triển mômen bền dẻo) nên giá trị mômen bền dẻo xác định hoàn toàn đắn Nhận xét: Ta nhận thấy diện tích cánh dầm thép hình giảm 25%, tăng hàm lượng thép tròn bêtơng tham gia chịu lực từ 0,6% đến 0,9% mơmen bền dẻo tiết diện gối tăng lên so với tiết diện dầm đối xứng mà đảm bảo an toàn cho dầm làm việc b Sức bền tiết diện mômen dương (tại nhịp) - Bề rộng hữu hiệu b+eff bêtông vùng mômen dương (tại nhịp): 62 b+eff = 2.Min( l0/8, bi)= 0,7.(L)/4 = 0,7.(15)/4 =2,625(m) - Để tính tốn so sánh hiệu việc làm tăng hay giảm mômen bền dẻo nhịp dầm, ta thay đổi tiết dầm thép hình (thay đổi kích thước cánh trên, cánh dầm chữ I) cách lập bảng Excel tính tốn tự động gồm Sheet (kích thước dầm thép, tính tốn xác định trục trung hòa dẻo, tính tốn xác định mơmen bền dẻo tiết diện) Bảng 3.20 Lựa chọn kích thước tiết diện dầm thép hình Cánh dầm (cm2) Bản bụng (cm2) Cánh dầm (cm2) Tỷ lệ diện tích cánh trên/ cánh (%) Diện tích dầm thép (cm2) Aw btf ttf Atf bbf tbf Abf α = Atf/Abf Aa 50,0 1,2 60,0 20,0 1,2 24,0 20,0 1,2 24,0 100,0 108,0 50,0 1,2 60,0 19,0 1,2 22,8 20,0 1,2 24,0 95,0 106,8 50,0 1,2 60,0 18,0 1,2 21,6 20,0 1,2 24,0 90,0 105,6 50,0 1,2 60,0 17,0 1,2 20,4 20,0 1,2 24,0 85,0 104,4 50,0 1,2 60,0 16,0 1,2 19,2 20,0 1,2 24,0 80,0 103,2 50,0 1,2 60,0 15,0 1,2 18,0 20,0 1,2 24,0 75,0 102,0 hw tw Bảng 3.21 Tính tốn mơmen bền dẻo nhịp dầm ya = h1 hc b+eff fc Fa Điều kiện để TTHD bêtông cm cm cm (kN) (kN) Fc>Fa z M+pl.Rd 26,2 10,0 262,5 3.718,8 2.592,0 Thỏa mãn 0,697 92.927,08 26,5 10,0 262,5 3.718,8 2.563,2 Thỏa mãn 0,689 92.641,76 26,8 10,0 262,5 3.718,8 2.534,4 Thỏa mãn 0,682 92.356,22 27,1 10,0 262,5 3.718,8 2.505,6 Thỏa mãn 0,674 92.070,45 27,4 10,0 262,5 3.718,8 2.476,8 Thỏa mãn 0,666 91.784,47 27,7 10,0 262,5 3.718,8 2.448,0 Thỏa mãn 0,658 91.498,26 Khoảng cách (cm) Mômen bền dẻo nhịp (kN.cm) 63 Nhận xét: Ta nhận thấy diện tích cánh dầm thép hình giảm 25% mơmen bền dẻo tiết diện nhịp giảm 1,54% so với tiết diện dầm đối xứng, giảm lượng dư thừa mômen bền dẻo nhịp, làm tăng mômen bền dẻo gối tựa, bảo đảm an toàn dầm chịu tải trọng tác dụng Tiết kiệm vật liệu làm dầm thép hình, giảm kích thước tiết diện trọng lượng thân dầm thép hình 3.4 NHẬN XÉT KẾT QUẢ Qua kết thực từ ví dụ, ta nhận thấy: - Khi giảm diện tích tiết diện cánh dầm thép hình đồng thời tăng hàm lượng thép tròn bêtông tham gia chịu lực từ 1,1% đến 1,7% mơmen bền dẻo tiết diện gối tăng lên từ 10% đến 11,7% so với tiết diện dầm thép hình đối xứng mà đảm bảo an tồn tiết diện mômen bền dẻo nhịp dầm làm việc Tiết kiệm vật liệu làm thép hình, tận dụng khả tham gia chịu lực thép tròn sàn bê tơng - Khi tiết diện thép dùng tiết diện đối xứng khơng có lợi dùng tiết diện khơng đối xứng 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày cụ thể q trình thiết lập cơng thức tính tốn hợp lý hóa tiết diện dầm liên tục liên hợp thép- bêtơng Ví dụ tính tốn cụ thể với trường hợp, từ đưa nhận xét việc áp dụng tiết diện hợp lý thiết kế dầm liện tục liên hợp thép bêtơng cơng trình dân dụng công nghiệp 64 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Kết luận Tác giả nghiên cứu nội dung tính toán dầm liên hợp theo Eurocode 4, Eurocode thường thiết kế cho dầm thép hình đối xứng khơng đổi từ dẫn đến chịu mơmen dương dầm liên tục thường thừa khả chịu lực mà mômen âm lại không đủ khả chịu lực Vấn đề đặt cần phần cấu tạo tiết diện cho nhịp gối mômen bền dẻo sát với nội lực tính tốn Sau thực ví dụ ta thu kết sau: Khi tiết diện thép dùng tiết diện đối xứng khơng có lợi dùng tiết diện không đối xứng Tại vùng mômen âm, thường mômen bền dẻo không đủ, để tăng khả chịu lực tiết diện ta tăng hàm lượng thép tròn bêtông sàn từ 0,6% đến 1,7% đồng thời giảm diện tích tiết diện cánh từ 25% đến 33,3% so với tiết diện đối xứng để thỏa mãn tiết diện mômen âm mômen dương Bề rộng tối thiểu cánh nén dầm thép hình trường hợp tiết diện chịu mômen dương phụ thuộc vào việc chọn đường kính thân chốt liên kết bêtơng với thép hình liên kết hồn tồn đồng thời khơng nhỏ hơn: 3,5d + 40(mm) Quá trình thiết lập cơng thức tính tốn mơmen bền dẻo dầm liên tục vào yêu cầu thực tế trình thiết kế nhằm tăng khả chịu lực mà bảo đảm yếu tố kinh tế, áp dụng loại sơ đồ kết cấu Đối với tiết diện chữ I khơng cánh, từ cơng thức tính tốn mơmen bền dẻo ta nhận cơng thức tính tốn cho tiết diện chữ I cánh theo tiêu chuẩn Eurocode cho diện tính cánh Để có tiết diện hợp lý, qua ví dụ cho ta thấy, dạng tiết diện hợp lý dầm liên tục liên hợp giảm bề rộng cánh để tăng khả chịu lực sát với nội lực chỗ mômen âm tăng cường cốt thép để chịu mômen dương Nên chọn bề rộng cánh tối thiểu theo điều kiện cấu tạo tăng hàm lượng cốt thép tròn thơng thường từ 0,6% đến 1,7% Kiến nghị Theo kết khảo sát số Luận văn thực tế dầm liên tục nên dùng tiết diện I không đối xứng tăng cường hàm lượng cốt thép tròn Trong khuôn khổ luận văn, kết rút từ số ví dụ Cần làm nhiều nghiên cứu để có hướng dẫn cụ thể cấu tạo hợp lý 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt PGS.TS Phạm Văn Hội (2006), Kết cấu liên hợp thép – bê tông dùng nhà cao tầng, Nhà xuất khoa học & kỹ thuật, Hà Nội PGS.TS Phạm Văn Hội (chủ biên), PGS.TS Nguyễn Quang Viên, Ths Phạm Văn Tư, KS Lưu Văn Tường (2009), Kết cấu thép cấu kiện bản, NXB KHKT, Hà Nội PGS.TS Phạm Văn Hội (2010), Thiết kế kết cấu liên hợp thép– bêtông, qui định chung thiết kế cơng trình nhà theo Eurocode dùng cho TCXDVN, 10 11 12 13 14 Hà Nội PGS.TS Phạn Văn Hội, NCS Phạm Anh Tuấn (2009), tính tốn mơmen bền dẻo dựa sơ tiêu chuẩn Eurocode 4, tạp chí T12/2009 Bộ xây dựng TS Nguyễn Bình Hà, Nguyễn Minh Hùng (2004), sở thiết kế ví dụ tính tốn cầu dầm cầu giàn thép, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội Trần Quốc Khánh (2005), Giải pháp hợp lý hóa cho sàn liên hợp thép bê tông, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Hà Nội GS.TS Đồn Đình Kiến, PGS.TS Phạm Văn Hội (2001), Ổn định kết cấu thép kết cấu thép nhẹ, Tủ sách sau đại học, Hà Nội PGS.TS Phan Quang Minh, PGS.TS Ngơ Thế Phong, GS.TS Nguyễn Đình Cống (2006), Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện bản, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội PGS.TS Nguyễn Quang Viên (2008), Kết cấu thép cơng trình cao Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCVN 5571:1991; TCXDVN 338:2005 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCXDVN 356:2005 Tiêu chuẩn 5574-2012, Kết cấu bê tông cốt thép-Tiêu chuẩn thiết kế Website Bách khoa toàn thư mở Wikipedia, www.wikipedia.org Tiếng Anh Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-1:General rules and rules for building 2004 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures Website: www.staticstools.eu ... tiết diện cho nhịp gối mômen bền dẻo sát với nội lực tính tốn Luận văn Hợp lý hóa tiết diện dầm liên tục liên hợp theo mômen bền dẻo tập trung vào việc khảo sát tính tốn mơmen bền dẻo dầm liên. .. CHƯƠNG TÍNH TỐN HỢP LÝ HÓA TIẾT DIỆN DẦM LIÊN TỤC LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG THEO MÔMEN BỀN DẺO 39 3.1 Đặt vấn đề 39 3.2 Xác định mômen bền dẻo dầm liên tục liên hợp 40 3.2.1... tính tốn Luận văn Hợp lý hóa tiết diện dầm liên hợp liên tục theo mômen bền dẻo tập trung vào việc khảo sát tính tốn mơmen bền dẻo dầm liên tục liên hợp thépbêtơng sở tính tốn theo Tiêu chuẩn