Ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong thiết kế nhà công nghiệp 1 tầng

Kết cấu ống thép nhồi bê tông Concrete Filled steel Tube – CFT được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ Nhật Bản Hàn Quốc… Đặc tính của kết cấu này là độ cứng lớn cường độ cao độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn coffa rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình Với những ưu điểm này cho thấy kết cấu CFT sẽ phù hợp cho những công trình chịu tải trọng và vượt nhịp lớn như công trình nhà công nghiệp Tuy nhiên hiện nay việc sử dụng các kết cấu này vào trong thực tế xây dựng tại Việt Nam còn nhiều khó khăn do chưa có các tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế và cấu tạo các chi tiết liên kết cụ thể Luận văn này sẽ nghiên cứu trình tự tính toán thiết kế nhà công nghiệp một tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông theo các tiêu chuẩn châu Âu Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ cung cấp thêm một giải pháp kết cấu áp dụng vào công trình nhà công nghiệp bên cạnh các giải pháp truyền thống Bên cạnh đó cơ sở lý thuyết và ví dụ tính toán được xem là tài liệu tham khảo cho thiết kế nhà công nghiệp sử dụng cột ống thép nhồi bê tông nhằm đẩy mạnh việc áp dụng kiểu kết cấu này vào trong thực tế xây dựng hiện nay

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN THANH HÙNG ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng, Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN THANH HÙNG ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP TẦNG Chun ngành: Kĩ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng, Năm 2019 ii TÓM TẮT ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG Học viên: Nguyễn Thanh HùngChuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 8580201, Khóa: K35 Đà Nẵng, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled steel Tube – CFT) sử dụng phổ biến nhiều nước giới Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc… Đặc tính kết cấu độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo khả phân tán lượng lớn, mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công không tốn coffa, rút ngắn thời gian thi công xây dựng cơng trình Với ưu điểm cho thấy kết cấu CFT phù hợp cho công trình chịu tải trọng vượt nhịp lớn cơng trình nhà cơng nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng kết cấu vào thực tế xây dựng Việt Nam cịn nhiều khó khăn chưa có tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế cấu tạo chi tiết liên kết cụ thể Luận văn nghiên cứu trình tự tính tốn thiết kế nhà công nghiệp tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tiêu chuẩn châu Âu Kết nghiên cứu luận văn cung cấp thêm giải pháp kết cấu áp dụng vào công trình nhà cơng nghiệp bên cạnh giải pháp truyền thống Bên cạnh sở lý thuyết ví dụ tính tốn xem tài liệu tham khảo cho thiết kế nhà công nghiệp sử dụng cột ống thép nhồi bê tông nhằm đẩy mạnh việc áp dụng kiểu kết cấu vào thực tế xây dựng Từ khóa – CFST, Cột ống thép nhồi bê tông, liên kết, Eurocode APPLICATION OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE STRUCTURES IN ONE-STORY INDUSTRIAL BUILDING DESIGN Abstract – The structure of Concrete Filled steel Tube (CFT) is commonly used in many countries around the world such as the United States, Japan, Korea The characteristics of this structure are large hardness, high strength, flexibility and ability to disperse large energy, in terms of technology, concrete piles are easy to execute and not waste coffa, shortening construction time of works With these advantages, the CFST structure will be suitable for large-span and heavy-load constructions such as industrial buildings However, the current use of these structures in actual construction in Vietnam is still difficult due to the lack of standards to guide the design and construction of specific connections details This thesis will study the order of calculating the design of a one-storey industrial building using Concrete Filled steel Tube structure according to European standards The results of the thesis will provide an additional structural solution applied to industrial buildings in addition to traditional solutions In addition, the theoretical basis and calculation examples are considered as references for the design of industrial building using Concrete Filled steel Tube to promote the application of this type of structure in current construction now Keywords – CFST, Concrete filled steel tube column, Connection, Eurocode iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhà công nghiệp đặc điểm nhà công nghiệp thiết kế kết cấu 1.1.1 Tổng quan nhà công nghiệp 1.1.2 Các phận cấu tạo nhà công nghiệp 15 1.1.3 Đặc điểm nhà công nghiệp ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu 16 1.2 Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp tầng 17 1.3 Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 19 1.4 Kết luận chương 21 CHƯƠNG THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG SỬ DỤNG CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 22 2.1 Cấu tạo khung ngang nhà công nghiệp tầng 22 2.1.1 Sơ đồ khung ngang 22 2.1.2 Kích thước khung ngang 24 2.1.3 Bố trí khung ngang 26 2.2 Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp tầng nhịp 26 2.2.1 Chọn sơ kích thước tiết diện 26 2.2.2 Tính tốn tải trọng 27 2.2.3 Xác định nội lực tổ hợp nội lực 41 2.2.4 Thiết kế cột khung 43 2.2.5 Thiết kế xà ngang 48 2.2.6 Thiết kế vai cột 50 iv 2.2.7 Thiết kế chân cột 52 2.2.8 Thiết kế chi tiết liên kết cột xà ngang 54 2.3 Tóm tắt trình tự thiết kế 56 2.4 Kết luận chương 57 CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG MỘT NHỊP 58 3.1 Ví dụ thiết kế khung ngang nhà cơng nghiệp sử dụng cột CFST 58 3.1.1 Lựa chọn kích thước khung ngang 59 3.1.2 Sơ đồ kết cấu khung ngang 60 3.1.3 Tính tốn tải trọng tác dụng 62 3.1.4 Xác định nội lực 70 3.1.5 Tổ hợp tải trọng 77 3.1.6 Thiết kế cột nhà công nghiệp sử dụng cột ống thép nhồi bê tông 79 3.1.7 Thiết kế vai cột 86 3.1.8 Thiết kế chân cột 88 3.1.9 Thiết kế liên kết cột CFST với xà ngang 92 3.1.10 Kiểm tra chuyển vị ngang cao trình đỉnh cột 94 3.2 Kết luận chương 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFT C D E : Kết cấu ống thép nhồi bê tông : Hệ số với giá trị cố định : Chiều rộng đường kính ống thép : Mơ đun đàn hồi F I : Lực tác dụng : Mơ men qn tính K L (l) : Hệ số độ cứng : Chiều dài nhịp, chiều dài tính tốn ổn định M MRd : Mơ men uốn : Giá trị tính tốn mô men bền tiết diện uốn MSd N PR Q Rd Sd V : Giá trị tính tốn mô men ngoại lực : Lực dọc, số lượng liên kết : Sức bền chịu cắt liên kết : Hoạt tải : Sức bền tính tốn tiết diện : Nội lực tính tốn tải trọng gây : Lực cắt, lực trượt W a b d e f fck fsk fy : Mô men chống uốn : Khoảng cách : Chiều rộng : Đường kính, chiều cao : Độ lệch tâm : Cường độ : Cường độ đặc trưng nén bê tông : Giới hạn đàn hồi đặc trưng kéo thép : Giới hạn đàn hồi kéo thép kết cấu i k t α β ᵞ Η λ : Bán kính qn tính : Các hệ số tính tốn : Chiều dày : Gốc, hệ số : Gốc, hệ số : Hệ số an toàn : Hệ số : Độ mảnh vi σ : Ứng suất χ : Hệ số uốn dọc A : Diện tích mặt cắt ngang ống thép vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 2.1 3.1 Trọng lượng riêng số loại vật liệu theo Eurocode Giá trị vận tốc gió bản, áp lực gió quy đổi từ TCVN 2737:1995 sang EN 1991-1-4, Trang 27 66 3.2 Xác định áp lực gió EN 1991-1-4 66 3.3 Giá trị Ce(z) theo chiều cao dạng địa hình 67 3.4 Hệ số áp lực ngồi dọc tường cơng trình hình chữ nhật 67 3.5 Xác định nội lực trường hợp tải trọng 75 3.6 Nội lực trường hợp chất tải trọng 77 3.7 Tổ hợp tải trọng 79 3.8 Bảng xác định giá trị M, N dùng vẽ biểu đồ tương tác 81 3.9 Các cặp nội lực dùng kiểm tra khả chịu lực cột CFST 83 3.10 Kiểm tra ổn định cột CFST chịu nén 84 3.11 Kiểm tra ổn định cột CFST chịu mô men 85 3.12 Tổ hợp nội lực tính tốn chân cột 88 3.13 Kiểm tra khả chịu ép mặt móng 89 3.14 Kiểm tra chuyển vị đầu cột 94 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Nhà cơng nghiệp 1.2 Mặt cắt ngang khung nhà công nghiệp tầng nhịp 10 1.3 Cấu tạo cầu trục 11 1.4 Kết cấu nhà có độ nhỏ 14 1.5 Nhà có độ lớn 14 1.6 Kết cấu không gian nhà công nghiệp tầng 15 1.7 Các phận nhà công nghiệp 15 1.8 Nhà công nghiệp sử dụng cột BTCT 18 1.9 Khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép 19 2.1 Kết cấu khung nhà công nghiệp tầng (1- cột; 2- dàn kèo; 3- dầm cầu trục; 4- cửa mái; 5- hệ giằng) 22 2.2 Sơ đồ khung nhịp 23 2.3 Giải pháp kết cấu mái 24 2.4 Trục định vị cho nhà công nghiệp tầng 24 2.5 Các kích thước khung ngang 26 2.6 Sơ đồ chất tải để xác định Dmax 28 2.7 Đường cong tương tác lực nén mô men uốn 46 2.8 Phương pháp tính tốn cho cột chịu nén chịu uốn theo phương 47 2.9 Một số giá trị χn 48 2.10 Cấu tạo vai cột 51 2.11 Cấu tạo liên kết móng với cột CFST 52 2.12 Cấu tạo chi tiết liên kết cột xà 55 3.1 Sơ đồ hình học khung ngang 61 3.2 Sơ đồ kết cấu khung 61 3.3 Tiết diện ngang cột, xà ngang vai cột 62 94 2 2  294.8 106   35.15 103   M   V   hl           103.3MPa    W A 2856000 12000  w  w     → τhl = 103.3MPa < (βf w )  126MPa 3.1.10 Kiểm tra chuyển vị ngang cao trình đỉnh cột Các tổ hợp nội lực tính chuyển vị cột tổ hợp tính theo tải trọng tiêu chuẩn Các tổ hợp tải trọng xét gồm: TH1 = TT + HT + Dmax trai + Ttr + 0.6 Gtr TH2 = TT + HT + Dmax phai + Ttr + 0.6 Gtr TH3 = TT + HT + Dmax trai + Ttr + 0.6 Gph TH4 = TT + HT + Dmax phai + Ttr + 0.6 Gph TH5 = TT + 0.6 Dmax trai + Ttr + Gtr TH6 = TT + 0.6 Dmax phai + Ttr + Gtr TH7 = TT + 0.6 Dmax trai + Ttr + Gph TH8 = TT + 0.6 Dmax phai + Ttr + Gph Kiểm tra chuyển vị đầu cột theo: Δ  H 300 Trong đó: ∆ - chuyển vị ngang lớn đỉnh cột tổ hợp nguy hiểm tải trọng tiêu chuẩn gây H - chiều cao cột Bảng 3.14 Kiểm tra chuyển vị đầu cột Load Case/Combo UX (mm) Δ/H Kiểm tra Δ/H .-\ QAn r r\ Nr,v'\-)'.' \\q*'J.,' \\t"\ J\I "tcvw\ / "*\ a *) T;-l^ '* b ,