Thiết kế sàn bê tông cốt thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp khung tương đương

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH TIẾN KHANG THIẾT KẾ SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG HỆ KẾT CẤU LIÊN KẾT VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG Ch

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH TIẾN KHANG

THIẾT KẾ SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG HỆ KẾT CẤU LIÊN KẾT VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 85 80 201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: PGS.TS TRẦN QUANG HƢNG

Phản biện 2: TS NGUYỄN HUY GIA

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà

Nẵng vào ngày 09 tháng 11 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học

Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp, Trường

Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các công trình nhà cao tầng ở Việt Nam vẫn chủ yếu

sử dụng các kết cấu truyền thống là kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép Một giải pháp kết cấu mới và hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt

kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình Hệ kết cấu kết hợp giữa cột ống thép nhồi bê tông (CFST) và sàn phẳng bê tông cốt thép là giải pháp hiệu quả thay thế cho kết cấu truyền thống vì những ưu điểm vượt trội về mặt kỹ thuật và thi công của cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép như:

+ Với cột CFST: sự bố trí của thép và bê tông trong mặt cắt ngang tối ưu hóa cường độ và độ cứng của tiết diện Thép nằm ở chu vi bên ngoài, nơi nó làm việc hiệu quả nhất trong việc chịu kéo và chống lại mô men uốn Độ cứng của cột CFST được tăng cường đáng kể vì thép có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông và nằm xa trọng tâm, nơi nó đóng góp lớn nhất vào mô men quán tính Bê tông tạo thành một lõi lý tưởng để chịu được tải trọng nén và nó làm trì hoãn, ngăn chặn sự vênh cục bộ của ống thép, đặc biệt là trong các cột CFST hình chữ nhật Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình

+ Kết cấu sàn phẳng được xem là giải pháp sàn hợp lý vì nó làm giảm được chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng như thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng

Như vậy, hệ kết cấu sàn phẳng và cột ống thép nhồi bê tông phù hợp để sử dụng làm kết cấu cho nhà cao tầng Hiện nay, các nghiên cứu

về liên kết sàn - cột đã được thực hiện Tuy nhiên, việc ứng dụng vào thực tế vẫn còn khó khăn vì chưa có các hướng dẫn thiết kế chi tiết Sự

có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố độ cứng của sàn gây khó khăn cho tính toán thiết kế sàn Hơn nữa, các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000 chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn

- cột CFST để thực hiện phân tích Do đó, luận văn sẽ nghiên cứu giải pháp thiết kế sàn theo hướng thực hành Đấy là lý do để thực hiện đề

tài: “Thiết kế sàn bê tông cốt thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp khung tương đương”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, sàn phẳng , các phương pháp thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép

- Nghiên cứu thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép theo phương pháp khung tương đương có xét đến ảnh hưởng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông – sàn phẳng BTCT

- Thực hiện tính toán thiết kế sàn phẳng theo phương pháp khung tương đương trong hệ kết cấu cột CFST – sàn phẳng BTCT

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu kết hợp cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép

- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế sàn phẳng BTCT theo phương pháp khung tương đương cho khung trục giữa có xét đến chi tiết liên kết cột CFST – sàn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép sử dụng khung tương đương trong hệ kết cấu kết hợp cột CFST – sàn phẳng BTCT sử dụng chi tiết liên kết Shear head

5 Kết quả dự kiến

3

- Thiết lập trình tự thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép theo phương pháp khung tương đương có xét đến ảnh hưởng của liên kết cột

ống thép nhồi bê tông – sàn phẳng BTCT

- Ví dụ tính toán thiết kế sàn cho khung trục giữa

6 Bố cục đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BTCT

1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông

1.1.2 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 1.1.3 h n ng áp dụng

1.2 Sàn phẳng bê tông cốt thép

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng lực trước

1.2.3 Sàn nấm (sàn phẳng có mũ cột)

1.3 Tính toán nội lực trong sàn phẳng

1.3.1 Phương pháp phân phối trực tiếp

1.3.2 Phương pháp khung tương đương

1.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn

1.4 Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG THIẾT KẾ SÀN

TRONG HỆ KẾT CẤU KẾT HỢP CỘT ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

Như đã phân tích trong chương 1, hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông - sàn phẳng BTCT là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Điều kiện để kết hợp hai loại kết cấu này là vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng Do đó, với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến

sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết gây ảnh hưởng đến ứng xử của sàn khác với sàn phẳng BTCT Hơn nữa, các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000, SAFE chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột CFST để thực hiện phân tích Với các phương pháp thiết kế sàn hiện nay, phương pháp khung tương đương là hợp lý cho việc xác định nội lực sàn khi chịu tải trọng đứng và có thể áp dụng được cho hệ kết hợp cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng Chương 2 sẽ trình bày cách xác định nội lực sàn phẳng liên kết với cột CFST sử dụng Shear head bằng phương pháp khung tương đương và đề xuất việc xác định nội lực trong sàn sử dụng phần mềm SAP2000

2.1 Phân tích khung tương đương trong hệ kết cấu kết hợp cột ống

thép nhồi bê tông với sàn phẳng

2.2 Tính toán độ cứng và sự truyền các mô men ngàm

a) Khung tương đương với cột CFST - sàn

c) Mặt cắt ngang được sử dụng tính I - Mặt cắt A-A

I = 8

E I c c

I = 8

Biểu đồ độ cứng của cột

2.5 Các cấu kiện xoắn và cột tương đương

Hình 2.10 Hoạt động của khung và sự xoắn của cấu kiện biên

K ec = M/ gĩc quay trung bình của dầm biên (2.2)

D A

a) Khung cột bản Cấu kiện

chịu xoắn liên kết

A

A' C

b) Cột và mép của bản

b) Sự phân bố góc xoắn trên chiều dài đơn vị dọc theo đường tâm cột

c) Biểu đồ mô men xoắn

T=1/2

b) Sự phân bố góc xoắn trên chiều dài đơn vị dọc theo đường tâm cột

c) Biểu đồ mô men xoắn

Với trường hợp có shear head, khả năng chịu xoắn của tiết diện được nâng cao Lúc đó hệ số C được tính cho cả tiết diện bê tông và tiết diện ngang của shear head Để đơn giản cho tính toán, tiết diện shear head được quy đổi vể tiết diện bê tông tương đương Hình 2.14 minh họa cách xác định C cho trường hợp tiết diện có Shear head

Hình 2.14 Xác định C cho trường hợp tiết diện xoắn có Shear head

Vậy hằng số xoắn C xác định cho trường hợp tiết diện xoắn có Shear head là:

2 1 2

0.5

v CFST

C l

Trong đó: C1 là hệ số xoắn cho tiết diện bê tông (Hình 2.14); C2

hệ số xoắn xác định cho tiết diện Shear head quy đổi; lv là chiều dài shear head

2.6 Sự phân chia mô men cho các dải cột, dải giữa

Thông số xác định độ cứng tương đối của dầm và bản sàn được xác định theo biểu thức:

cb b

cs s

E I α

Khả năng liên kết kháng xoắn của dầm được phản ánh qua thông

số βt

cb t

cs s

E C β

9

Bảng 2.3 Mô men dải cột [8]

(Tính bằng % tổng mô men tại tiết diện tới hạn)

2.7 Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000

Do sự phân bố độ cứng dọc theo dầm khác nhau, nên để mô phỏng khung tương đương trong phần mềm cần xác định độ cứng của từng đoạn kết cấu Để đơn giản ta cố định tiết diện bản sàn và thay đổi

mô đul đàn hồi trong từng đoạn để độ cứng tương ứng với từng đoạn như sau:

Hình 2.15 Mô hình khung tương đương dùng cho phân tích phần mềm

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN

Trong chương này sẽ sử dụng lý thuyết khung tương đương được phân tích trong chương 2 để xác định nội lực sàn khi chịu tải trọng đứng áp dụng cho hệ kết hợp cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng BTCT Thực hiện phân tích khung tương đương bằng phần mềm thiết

kế kết cấu như SAP2000 Bên cạnh đó thực hiện tính toán và cấu tạo

cốt thép cho sàn theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012

3.1 Ví dụ thiết kế sàn theo phương pháp khung tương đương

Cho một mặt bằng sàn như Hình 3.1 gồm 4 nhịp theo phương X

và 3 nhịp theo phương Y với mỗi nhịp rộng 9m Chiều cao tầng là 3,6 mét, có thiết kế lỗ mở cho 1 cầu thang máy ở giữa Giải pháp kết cấu sử dụng gồm sàn phẳng bê tông ứng lực trước và cột ống thép nhồi bê tông Chi tiết liên kết sàn – cột sử dụng hệ Shear head tiết diện chữ H được hàn trực tiếp vào bề mặt cột Kích thước của hệ Shear-head được chọn thỏa mãn yêu cầu về khả năng chống chọc thủng cho sàn như Hình 3.2

11

Hình 3.2 Các chi tiết liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCTC

Chiều dày sàn được lựa chọn bằng 1/40~1/45 nhịp hs = 200mm Tiết diện cột ống thép nhồi bê tông chọn là 0.5m × 0.5m Kích thước Shear

head được vươn ra khỏi mặt cột một đoạn l v = 400mm Tiết diện ngang shear head được chọn thép hình chữ H số hiệu H100 được bố trí vào giữ của chiều cao sàn

Yêu cầu: Xác định nội lực theo phương pháp khung tương đương

(EFM) cho khung trục 4 Tính toán và bố trí cốt thép cho sàn Bước 1

Hình 3.3 Quy đổi chu vi tới hạn của Shear head

Thực hiện quy đổi tiết diện ngang của shear head thành tiết diện bê tông tương đương Điều kiện quy đổi dựa trên sự phân bố độ cứng tương đương

Tỉ số mô đul đàn hồi giữa thép và bê tông là: n E s/E c 7.78

300

840 420 420

13 Diện tích tiết diện ngang Shear head quy đổi về tiết diện bê tông:

Bước 2: Tính các hệ số phân phối mô men dầm – bản

Hình 3.4 Mô tả khung tương đương trục 4

Trong nhịp A4-B4: Có c 1 =500mm, l 1 =l 2 = 9000mm, c 2 = 500mm

- Tỉ số: 1 2

500 0.0555 9000

- Nội suy bảng tra 3.2 được:

- Mơ men ngàm: 2

2 1 0.084

- Hệ số truyền là: COF B4C4 COF C4 B4 0.50381

- Với mơ men quán tính I1 được tính cho tiết diện chữ nhật tại giữa nhịp cĩ kích thước l2 ×h = 9000×200(mm)

2 1

- Xác định mặt cắt ngang của cấu kiện chịu xoắn

Hình 3.5 Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột biên

2 1

Tiết diện bê tông Tiết diện Shear head

quy đổi về tiết diện bê tông

c c

EI K

l , COF = 0.54

Vì có hai cột (một cột ở trên sàn và một cột dưới sàn) có độ cứng như nhau nên:

17

Hình 3.6 Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột giữa

Bước 4: Tính tốn các hệ số phân bố mơ men

Bước 5: Tính tốn mơ men ngàm cho các nhịp

Với tải trọng phân bố đều trên sàn w = g + p = 8kN/m2, giá trị mơ men ngàm tính được như sau:

Tiết diện bê tông Tiết diện Shear head

quy đổi về tiết diện bê tông

+

500

170.3 Cột giữa

Bước 6: Phân phối mô men cho khung tương đương

Bảng 3.4 Phân phối mô men

bố giữa hai cột theo tỉ lệ độ cứng Kc Vì các cột phía trên và phía dưới

có độ cứng bằng nhau nên chia cho mỗi cột một nữa mô men Mô men còn ở đầu còn lại được xác định theo tỉ số truyền mô men Kết quả nội lực được thể hiện qua biểu đồ Hình 3.8

Hình 3.8 Biểu đồ mô men khi tính theo khung tương đương

Bước 7: Phân phối mô men cho dải nhịp và dải cột

Độ cứng tương đối của dầm và bản sàn (không có dầm biên):

Khung t öông ñöông

25.5

58.44 12.85

232.0

116.0

58.44 12.85

572.4 521.4

25.5 25.5 116.0

cs s

E C

2E I

Bảng 3.5.Bảng phân phối mômen cho dải cột và dải nhịp khung trục 4

Mô men âm trục A

Hình 3.9 Biểu đồ mô men phân phối cho dải cột (b c = 4500mm)

Hình 3.10 Biểu đồ mô men phân phối cho dải nhịp (b nh = 4500mm)

Bước 8: Tính toán cốt thép chịu mô men cho sàn

232.0

130.72

143.1 130.35

143.1 130.35

Hình 3.11 Bố trí côt thép cho khung tương đương

3.2 Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000

Đoạn 1-2 (3-4; 4-5): Tiết diện tính toán độ cứng có kích thước b×h

= 9000×200mm, chiều dài đoạn 1-2 là 240mm

Diện tích tiết diện ngang Shear head quy đổi về tiết diện bê tông:

Þ14a200

Þ12a200

Þ14a80 Þ14a200

Tiết diện bê tông quy đổi được đặt tại giữa chiều cao sàn với kích thước tương ứng là b×h = 170.38 × 100(mm)

Mô men quán tính của tiết diện bê tông: 9000 2003 9 4

6.1012

Độ cứng của tiết diện: EcI1-2 = 6.02×109Ec

→ Mô đul đàn hồi tương đương: E1-2 = EcI1-2/Ic = 1.03Ec

Đoạn 2-3: Tiết diện tính toán độ cứng có kích thước b×h =

9000×200mm, chiều dài đoạn 2-3 là 8090mm

Tính mômen quán tính tiết diện bê tông:

3

9000 200

6.1012

sc

Tiết diện chỉ có bê tông nên mô đul đàn hồi E2-3 = Ec

Cột tương đương: Tiết diện cột 0.5×0.5m

Độ cứng của cột ống thép nhồi bê tông:

c

9000

23

Hình 3.13 Biểu đồ mô men khung tương đương sử dụng SAP2000

Bảng 3.7 Bảng so sánh mô men khung tương đương so với SAP2000

Qua kết quả so sánh giữa mô hình tính sàn trong hệ kết cấu kết hợp cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép theo phương pháp khung tương đương và phương pháp phần tử hữu hạn SAP2000 cho kết quả chênh lệch không nhiều và kết quả mô men thiên về hướng an toàn nên

mô hình tính khung tương đương là phù hợp cho tính toán sàn cho hệ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông - sàn phẳng BTCT là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Sự có mặt của chi tiết liên kết cột CFST –sàn sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết ảnh hưởng đến ứng xử của sàn Hiện nay, các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000, SAFE chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột CFST để thực hiện phân tích Luận văn đã thực hiện nghiên cứu phương pháp tính toán sàn phẳng bằng phương pháp khung tương đương trong hệ kết cấu cột CFST với sàn phẳng Kết quả nghiên cứu nhận được như sau:

- Luận văn đã thực hiện tổng quan các giải pháp thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép trong hệ kết cấu sàn – cột bê tông cốt thép truyền thống

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương pháp khung tương đương để tính toán sàn phẳng trong hệ kết cấu cột CFST – sàn phẳng BTCT Nghiên cứu chỉ ra được:

+ Đề xuất ảnh hưởng của Shear head đến cấu kiện xoắn của cột tương đương

+ Cách tính toán độ cứng của cột liên hợp theo ACI 318-11; + Xác định diện tích ảnh hưởng của shear head đến độ cứng của vùng sàn gần cột và xem sự có mặt của shear head làm việc như mũ đầu cột;

+ Xây dựng các bước tính toán cụ thể để xác định nội lực trong sàn bằng phương pháp khung tương đương

- Thực hiện ví dụ trình bày cách xác định nội lực sàn bằng phương pháp khung tương đương và phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng SAP2000) cho khung trục giữa Kết quả cho thấy giá trị mô men khi tính toán theo hai trường hợp không chênh lệch nhiều và phương pháp khung tương đương cho kết quả thiên về giá trị an toàn Điều đó chứng tỏ phương pháp khung tương đương cho hệ kết cấu này là phù hợp cho việc sử dụng tính toán thiết kế sàn trong hệ kết cấu kết hợp sử dụng Shear head