Nghiên cứu sự phân bố ứng suất dưới bản để thiết kế chân cột thép dùng diện tích hữu hiệu

BÙI PHƯỚC HẢO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - BÙI PHƯỚC HẢO KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ THIẾT KẾ CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP KHỐK32TV Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - BÙI PHƯỚC HẢO NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ THIẾT KẾ CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG Đà Nẵng – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khoa học khác Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2018 Tác giả luận văn BÙI PHƯỚC HẢO ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU 1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 2.MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Tính thực tiễn đề tài CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP VÀ CHÂN CỘT THÉP 1.1.TỔNG QUAN VỀ CỘT THÉP 1.1.1.Đặc điểm chung 1.1.2.Chiều dài tính tốn làm việc loại cột 1.2.TỔNG QUAN VỀ CHÂN CỘT THÉP 1.2.1.Sơ đồ liên kết mơ hình phân tích kết cấu 1.2.2.Chân cột liên kết khớp với móng 1.2.3.Chân cột liên kết ngàm với móng 1.3.BẢN ĐẾ CHÂN CỘT THÉP 1.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BẢN ĐẾ HIỆN HÀNH 1.5.KẾT LUẬN CHƯƠNG 11 CHƯƠNG 2.SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ TÍNH TỐN CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU 12 2.1.PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ 12 2.2.DIỆN TÍCH HỮU HIỆU VÀ CƯỜNG ĐỘ ÉP MẶT CỦA BÊ TÔNG 13 2.3.TÍNH CỘT CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 15 2.3.1 Kiểm tra khả chịu ép mặt bê tơng móng 16 iii 2.3.2 Kiểm tra bền thép đế 16 2.4.TÍNH CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM 16 2.4.1 Bản đế chân cột chịu nén lệch tâm – Phương pháp thành phần 17 2.4.2 Trường hợp lực nén lệch tâm bé 18 2.4.3 Trường hợp lực nén lệch tâm lớn 20 2.5.KẾT LUẬN CHƯƠNG 28 CHƯƠNG 3:MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT CỤ THỂ 29 3.1 TÍNH TỐN CHÂN CỘT ĐƠN GIẢN CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 29 3.2.CỘT CHỊU NÉN – UỐN ĐỒNG THỜI 33 3.3.CHÂN CỘT CÓ SƯỜN GIA CƯỜNG 40 3.4.KẾT LUẬN CHƯƠNG 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 iv TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ THIẾT KẾ CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU Học viên:BÙI PHƯỚC HẢO Khóa: K32TV Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số:60.58.02.08 Trường: Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt -Chân cột thép thường có cấu tạo gồm đế liên kết neo vào móng bê tơng cốt thép, thiết kế với nhiều quan điểm khác Đối với cột có tải trọng khơng lớn, số tiêu chuẩn AISC cho phép thiết kế với quan niệm ứng suất đế phân bố đàn hồi tuyến tính, chấp nhận móng bê tơng chảy dẻo phân phối lại ứng suất tương tự tiết diện bêtông cốt thép Tuy nhiên, đế chân cột ln có độ mềm định bề dày hạn chế, phần tiết diện chân cột thép tiếp xúc với đế nhỏ (chẳng hạn tiết diện cột hình chữ H) ứng suất phân bố đế thường phân bố không bị giới hạn vùng định xung quanh tiết diện cột Một số tiêu chuẩn Eurocode sử dụng phần diện tích gọi diện tích hữu hiệu để thiết kế chân cột Phương pháp đơn giản sát với thực tế làm việc chân cột Trong luận văn này, trình bày mối quan hệ khả chịu lực nén giới hạn mômen chịu uốn giới hạn chân cột, phụ thuộc vào chiều dày đế, mác thép loại bê tông.Kết nghiên cứu ứng dụng việc thiết kế chân cột thép (như lựa chọn chiều dày đế, mác bê tông, ) trường hợp chịu tải trọng khác kết nghiên cứu phát triển tương lai Từ khóa - chân cột; diện tích hữu hiệu; đế; độ bền chịu nén bêtông; ứng suất đế STRESS DISTRIBUTION UNDER THE BASE PLATE ANDDESIGN OF STEEL COLUMN BASE USING EFFECTIVE AREA APPROACH Abstract -Steelcolumn base,usually consists of base plate anchored to concrete foundation,is designed by different methods For columns with small load, several current such as AISC allowed the design with the intellection that the stressunder the base plate linear elasticity distribution, or the acceptance of plasticized concrete foundation and the re-distribution of stresses similar to reinforced concrete cross section However, the base plate is always soft fixed to limited thickness, part section of the steel column base connection to the base plate is also very small (such as H-section) so the stress distribution right below the plate is often unevenly distributed and confined to a certain area around the column section Some standards such as Eurocode use this part area called effective area to design the column base This method is merely simple and well-closed to more practical work of the column In the thesis, the relationship between the limited compressive strength and the limited bending moment of the column shall be shown and it fully depends on the thickness of the base, the grade of the steel and the type of concrete.The study result will be applied for the design of steel column base (such as base thickness selection, concrete grade, ) in case of different bearing loads and the results of this study will be developed in the future Key words –steelcolumn; effective area; base plate; concrete bearing strength; stress under base plate v DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Tên bảng Tổng hợp moment thiết kế giới hạn Mj,Rd chân cột chịu nén lệch tâm Thiết kế sức kháng FT,Rd mép T-stub Chiều dài hữu hiệu cho lót Bảngtổng hợp sức chịu nén chân cột NRdứng với chiều dày đế t (từ t=18mm t=36mm), khảo sát với bê tông mác C20/25 bê tông mác C40/50 Bảngtổng hợp sức chịu nén chân cột NRd ứng với loại mác bê tông (từ C20/25 C50/60), khảo sát với t=30mm t=18mm Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd ứng với loại chiều dày đế t (từ t=18mm t=36mm), khảo sát với C25/30 C40/50 Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd ứng với loại mác bê tông (từ C16/20 C50/60), khảo sát với t=30mm t=18mm Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd ứng với loại chiều dày đế t (từ t=18mm  t=36mm), khảo sát mác C16/20 Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd ứng với loại chiều dày đế t (từ t=18mm  t=36mm)khảo sát mác C40/50 Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd ứng với loại mác bê tông (từ C16/20  C50/60), khảo sát t=30mm Bảngtổng hợp mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd ứng với loại mác bê tông (từ C16/20C50/60), khảo sát t=18mm Trang 25 25 27 31 32 37 38 44 46 47 49 vi DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Trang Tên hình 1.1 Cấu tạo cột thép 1.2 Liên kết chân cột thép 1.3 Cấu tạo liên kết chân cột 1.4 Phân tích đàn hồi móng cột thép thiết kế theo tải dọc trục moment uốn; a – giả định lý thuyết; 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 b – trạng thái thực tế Liên kết chân cột điển hình lựa chọn thành phần Ứng suất phân bố đế Vùng diện tích hữu hiệu (Hình 2.2a) ứng suất phân bố đế (Hình 2.2b) Mơ hình phần tử hữu hạn đế T-Stub khối bê tông chịu nén, lưới bị biến dạng không biến dạng ứng suất bê tơng Xây dựng mơ hình đế 10 12 13 13 13 2.6 Diện tích hữu hiệu tương đương tiết diện bị nén a – Bản đế hẹp; b – Bản đế rộng Vùng diện tích quy ước diện tích đế 2.7 Ứng suất phân bố đế chịu lực nén tâm 15 2.8 Các trường hợp xảy chân cột chịu nén lệch tâm 16 2.9 a) Trường hợp lực nén lệch tâm bé b) Trường hợp lực nén lệch tâm lớn 17 2.10 Mơ hình Eurocode – phân tích thành phần 18 2.11 Các trường hợp thiết kế đế: a – độ lệch tâm nhỏ (toàn chân đế chịu nén); b – độ lệch tâm lớn ( phần chân đế chịu kéo, phần lại chịu nén) 19 2.12 Chuyển vị nén cột mềm 22 2.13 Định nghĩa giá trị e, emin, rc m 23 2.14 Mơ hình hóa phần mở rộng đế phần T-stub riêng biệt 24 2.15 Kích thước emin, m tf mép T-stub 26 2.16 Giá trị α cho độ cứng mép cột lót 27 2.5 14 15 vii 3.1 Thông số thiết kế chân cột 29 3.2 Vùng diện tích hữu hiệu bên đế 30 3.3 Bản vẽ thiết kế chân cột 30 3.4 3.5 Biểu đồ quan hệ sức chịu nén chân cột NRd với chiều dày đế, khảo sát C20/25 C40/50 Biểu đồ quan hệ sức chịu nén chân cột NRd với mác bê tông (C16/20→C50/60), khảo sát t=30mm t=18mm 31 32 3.6 Thông số thiết kế chân cột 33 3.7 Diện tích hữu hiệu bên đế 35 3.8 3.9 Biểu đồ quan hệ mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd với chiều dày đế t, khảo sát C20/25 C40/50 Biểu đồ quan hệ mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd với mác bê tông (từ C16/20 C50/60), khảo sát t=30mm t=18mm 38 39 3.10 Thiết kế chân cột 40 3.11 Diện tích hữu hiệu bên đế 42 3.12 Biểu đồ quan hệ sức chịu uốn chân cột MRd với chiều dày đế, khảo sát C16/20 C40/50 46 3.13 Biểu đồ quan hệ mômen chịu uốn giới hạn chân cột MRd với loại mác bê tông C16/20→C50/60, khảo sát t=30mm t=18mm 49 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Cùng với nhịp độ phát triển mạnh mẽ công nghiệp xây dựng nước ta nay, việc xây dựng cơng trình thép phát triển rộng rãi, ngày đa dạng phong phú phát triển vượt bậc vật liệu, thép cường độ cao ngày sử dụng nhiều dẫn đến khung nhà công nghiệp mảnh, nhẹ thẩm mỹ Đối với ngành công nghiệp đại, thép dùng làm vật liệu chủ yếu cho nhà xưởng, nhà máy, nhà kho, 90% việc xây dựng điều sử dụng thép, tín hiệu cho thấy tầm phổ biến nó, cịn dân dụng sử dụng rộng rãi cho nhà hát lớn, rạp chiếu bóng, Bên cạnh đó, kết cấu tháp cao sử dụng loại cột điện, cột ăngten vô tuyến, số loại kết cấu đặc biệt tháp khoan dầu, sử dụng thép kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp dựng Kiến thức kết cấu thép cần thiết cho kỹ sư, cán kỹ thuật xây dựng Trong tương lai, kết cấu thép loại kết cấu chủ yếu xây dựng đại Khi tính tốn thiết kế kết cấu thép cơng trình xây dựng, chân cột phận quan trọng phải có đủ độ cứng bền để truyền tải lực dọc, tiếp nhận tải trọng toàn cơng trình truyền xuống móng, ngồi liên kết hệ giằng, kèo, tạo độ cứng chắn cho công trình Vì chân cột thép khơng thiết kế cẩn thận, lắp dựng cách, cột có khả nhổ bu lơng neo gây đổ cột tác dụng gió Chân cột thép thường có cấu tạo gồm đế liên kết neo vào móng bê tơng cốt thép, thiết kế với nhiều quan điểm khác Đối với cột có tải trọng khơng lớn, số tiêu chuẩn AISC cho phép thiết kế với quan niệm ứng suất đế phân bố đàn hồi tuyến tính, chấp nhận móng bê tơng chảy dẽo phân phối lại ứng suất tương tự tiết diện bêtông cốt thép Tuy nhiên đế chân cột có độ mềm định bề dày hạn chế, phần tiết diện chân cột thép tiếp xúc với đế nhỏ (chẳng hạn tiết diện cột chữ H) ứng suất phân bố đế thường phân bố không bị giới hạn vùng định xung quanh tiết diện cột Một số tiêu chuẩn Eurocode sử dụng phần diện tích gọi diện tích hữu hiệu để thiết kế chân cột Phương pháp đơn giản tỏ sát với thực tế làm việc chân cột Vậy việc nghiên cứu phân bố ứng suất đế ứng với số trường hợp chịu lực khác thiết kế chân cột thép dùng phương pháp diện tích hữu hiệu vấn đề thực cần thiết, phương pháp đơn giản sát với thực tế làm việc chân cột Ngồi ra, đề tài cịn giúp thiết lập sở, dẫn cho kỹ sư việc thiết kế cột thép nhà công nghiệp cách tin cậy hiệu ... Dựa kết nghiên cứu số quy định Eurocode để thiết kế chân cột thép dùng phương pháp diện tích hữu hiệu ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Chân cột thép Phạm vi nghiên cứu: Phân. .. THIẾT KẾ BẢN ĐẾ HIỆN HÀNH 1.5.KẾT LUẬN CHƯƠNG 11 CHƯƠNG 2.SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ TÍNH TỐN CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU 12 2.1.PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ... liên kết; phương pháp lại dựa chế độ phá hoại ứng suất biến dạng sau đàn hồi 12 CHƯƠNG SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐẾ VÀ TÍNH TỐN CHÂN CỘT THÉP DÙNG DIỆN TÍCH HỮU HIỆU 2.1 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯỚI