Tài liệu Tính toán cấu kiện chịu uốn và chịu nén trên tiết diện thẳng góc dựa vào biến dạng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LA CƯỜNG QUỐC TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN VÀ CHỊU NÉN TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC DỰA VÀO BIẾN DẠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ THUẬT XÂY DỰNG C NG TR NH DD & CN HÀ NỘI – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LA CƯỜNG QUỐC KHÓA 2013 - 2015 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN VÀ CHỊU NÉN TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC DỰA VÀO BIẾN DẠNG CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ C NG NGHIỆP MÃ SỐ: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN HOA HỌC: TS. PHÙNG NGỌC DŨNG HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành nhờ những kiến thức quý báu má tập thể Thầy, Cô đã dành nhiều thời gian quý báu để truyền đạt cho chúng em trong suốt thời gian qua tại Vĩnh Long. Đồng thời cũng nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các Thầy trong Ban giám hiệu, Thầy, Cô khoa đào tạo sau đại học trường Đại học iến trúc Hà Nội trong suốt khóa học. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong Tiểu ban iểm tra tiến độ luận văn, đã có nhiều ý kiến đóng góp thiết thực cho chúng em hoàn thành tốt luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Thầy TS. Phùng Ngọc Dũng, Người trực tiếp hướng dẫn khoa học đã tận tình chĩ dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện tốt luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn tác giả của các tài liệu mà trong Luận văn tôi đã trích dẫn và tham khảo, trân trọng cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù bản thân đã có cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong được sự quan tâm đóng góp ý kiến của quý Thầy, Cô, các bạn đồng nghiệp để bản thân có thể hoàn thiện hơn về kiến thức và có bước nghiên cứu bổ sung phát triển. Hà Nội, ngày tháng 6 năm 2015 TÁC GIẢ LUẬN VĂN La Cường Quốc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. TÁC GIẢ LUẬN VĂN La Cường Quốc MỤC LỤC  Các ký hiệu trong Tiêu Chuẩn Euro Code 2  Các ký hiệu trong Tiêu Chuẩn Việt Nam 5574-2012 Phần mở đầu.................................................................................................... 1 1.Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:............................................... 2 2.1. Mục đích nghiên cứu: ....................................................................................... 2 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: .................................................................... 2 2.3. Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................. 2 Chương 1 ........................................................................................................ 3 Giới thiệu ........................................................................................................ 3 1.1. Tổng quan và đặt vấn đề nghiên cứu......................................................... 3 1.1.1 Tổng kết thiết kế tiết diện chữ nhật chịu uốn và nén theo cường độ trên tiết diện thẳng góc theo 5574 ......................................................................................... 4 1.1.1.1. Một số nguyên tắc chung ............................................................................ 4 1.1.1.2. Cấu kiện chịu uốn ....................................................................................... 6 1.1.1.3. Cấu kiện chịu nén ....................................................................................... 7 1.1.1.4 Trường hợp tổng quát .................................................................................. 8 1.1.2. Một số nhận xét và đặt vấn đề nghiên cứu.................................................... 10 1.1.2.1 Một số nhận xét khi thiết kế tiết diện theo 5574 ......................................... 11 1.1.2.2 Đặt vấn đề nghiên cứu ............................................................................... 13 1.2. Cấu trúc của luận văn ............................................................................. 13 1.3. Giới hạn nghiên cứu của đề tài. ....................................................................... 14 Chương 2: ..................................................................................................... 15 Tính toán cấu kiện chịu uốn và chịu nén trên tiết diện thẳng góc dựa vào biến dạng theo Eurocode 2 .............................................................................................. 15 2.1. Giới thiệu ............................................................................................... 15 2.2. Cấu kiện chịu uốn ................................................................................... 15 2.2.1 Quan hệ ứng suất và biến dạng. .................................................................... 16 2.2.2 Bêtông. ......................................................................................................... 16 2.2.3 Cốt thép. ....................................................................................................... 18 2.2.4 Phân bố ứng suất và biến dạng trên mặt cắt ngang do uốn. ............................ 19 2.2.5 Mô men uốn và khối ứng suất hình chữ nhật tương đương ............................ 21 2.2.6. Tiết diện BTCT đặt cốt đơn chịu uốn ở trạng thái giới hạn cực hạn. ............. 23 2.2.6.1. Các phương trình thiết kế cho uốn ............................................................ 23 2.2.6.2. Tiết diện cân bằng ..................................................................................... 24 2.2.7. Tiết diện hình chữ nhật chịu uốn với cốt thép chịu nén tại trạng thái giới hạn cực hạn – Tiết diện đặt cốt kép .............................................................................. 26 2.3. Cấu kiện chịu nén ................................................................................... 30 2.3.1 Tính toán tiết diện cho trường hợp chịu uốn nén tại trạng thái giới hạn cực hạn .............................................................................................................................. 30 2.3.2. Biểu đồ ứng suất hình chữ nhật- parabol. .................................................... 37 2.3.3. hối ứng suất tam giác. ............................................................................... 39 2.3.4. Tiết diện nứt ................................................................................................ 40 2.3.5 hối ứng suất tam giác - Tiết diện không nứt .............................................. 42 2.4.Đề xuất quy trình tính toán tiết diện dựa trên tiếp cận về biến dạng theo TCVN 5574-2012.......................................................................................... 44 Chương 3 ...................................................................................................... 48 VÍ DỤ TÍNH TOÁN ..................................................................................... 48 3.1 Giới thiệu ................................................................................................ 48 3.2 Cấu kiện chịu uốn .................................................................................... 49 3.2.1 Tiết diện đặt cốt đơn ..................................................................................... 49 1. Bài toán thiết kế ................................................................................................. 49 a. Thiết kế tiết diện theo 5574:............................................................................... 50 b. Thiết kế tiết diện theo EC2 ................................................................................ 56 2. Bài toán kiểm tra và phân tích khả năng chịu lực của tiết diện ........................... 58 a. Tính theo Euro code 2 : ..................................................................................... 58 3.2 Cấu kiện chịu nén .................................................................................... 62 3.3 Kết luận ................................................................................................... 94 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO  Các ký hiệu trong Tiêu Chuẩn Euro Code 2 A diện tích tiết diện ngang Ac diện tích tiết diện ngang của bê tông As diện tích tiết diện cốt thép vùng chịu kéo A’s diện tích tiết diện cốt thép vùng chịu nén Asmin diện tích tiết diện tối thiểu cốt thép Ec mô đun đàn hồi của bê tông thông thường Ecd = fcd/c3 - độ cứng hay giá trị mô đuyn tính toán khi tính toán tiết diện Es Mô đun đàn hồi của cốt thép Fcc là hợp lực của toàn bộ ứng suất vùng chịu nén của bê tông, đặt tại trọng tâm của khối ứng suất Fsc là lực nén của bê tông cốt thép trong tiết diện A’s và điểm đặt tại trọng tâm tiết diện Fs là lực kéo và nén trên tiết diện BTCT và điểm đặt tại trọng tâm tiết diện L chiều dài k1 là hệ số phụ thuộc cấp độ bền của bê tông k2 là hệ số phụ thuộc vào lực dọc trục và độ mãnh M momen uốn Mgh moment giới hạn của tiết diện MEd giá trị tính toán của nội lực mô men uốn N Lực dọc trục NEd giá trị tính toán của lực dọc trục ( kéo hoặc nén) R độ bền S Nội lực và mô men S mô men tĩnh của diện tích a khoảng cách Δa độ lệch ( sai số ) b chiều rộng toàn bộ tiết diện ngang bw bề rộng sườn dầm chữ T d đường kính d chiều cao tính toán của tiết diện ngang e độ lệch tâm fc cường độ chịu nén của bê tông fcd cường độ chịu nén tính toán của bê tông fck cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu trụ bê tông ở 28 ngày tuổi fcm giá trị trung bình cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu trụ bê tông fy cường độ chảy dẻo ( giới hạn chảy ) của cốt thép fyk cường độ chảy dẻo đặc trưng của cốt thép fyd cường độ chảy dẻo tính toán của cốt thép ftk cường độ chịu kéo đặc trưng của cốt thép h chiều cao h chiều cao toàn bộ tiết diện k hệ số l chiều dài m khối lượng r bán kính l/r độ cong của đoạn cấu kiện t chiều dày x chiều cao trục trung hòa z cánh tay đòn α góc; tỷ số β góc; tỷ số; hệ số γ hệ số riêng γc hệ số riêng cho bê tông γs hệ số riêng cho cốt thép hoặc thép ứng suất trước εc biến dạng nén của bê tông εc3 biến dạng nén giới hạn của bê tông εcu3 biến dạng nén cực hạn của bê tông εs biến dạng nén của cốt thép εst biến dạng của cốt thép trong vùng kéo εsc biến dạng của cốt thép trong vùng nén εy biến dạng chảy thiết kế của cốt thép εsu biến dạng nén giới hạn của cốt thép εuk biến dạng đặc trưng của cốt thép σc ứng suất nén trong bê tông σcu ứng suất nén trong bê tông tại biến dạng nén giới hạn ε cu  Các ký hiệu trong Tiêu Chuẩn Việt Nam 5574-2012. b chiều rộng tiết diện chữ nhật h chiều cao tiết diện a, a’ khoảng cách từ hợp lực trong cốt thép tương ứng với S và S’ đến biên gần nhất của tiết diện h0, h0’ chiều cao làm việc của tiết diện tương ứng bằng h-a, h-a’ x chiều cao vùng bê tông chịu nén ξ chiều cao tương đối của vùng bê tông chịu nén, bằng x/h0 e0 độ lệch tâm của lực nén trước P đối với trọng tâm tiết diện quy đổi l nhịp cấu kiện l0 chiều dài tính toán của cấu kiện d đường kính danh nghĩa của cốt thép As, A’s diện tích cốt thép không căng S và cốt thép căng S’ Asw diện tích tiết diện của cốt thép đặt trong mặt phẳng vuông góc với trục dọc cấu kiện và cắt qua tiết diện nghiêng µ hàm lượng cốt thép xác định như tỉ số giữa diện tích tiết diện cốt thép S và diện tích tiết diện ngang của cấu kiện bh0, không kể đến phần cánh chịu nén và kéo A diện tích toàn bộ tiết diện ngang của bê tông Ab diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu nén Abt diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu kéo Ared diện tích tiết diện quy đổi của cấu kiện F ngoại lực tập trung M mô men uốn Mt mô men xoắn N lực dọc Rb, Rb,ser cường độ chịu nén tính toán dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai Rbn cường độ chịu nén dọc trục của bê tông ứng với trạng thái giới hạn thứ nhất Rbt, Rbt,ser cường độ chịu kéo tính toán dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai Rbtn cường độ chịu kéo tiêu chuẩn dọc trục của bê tông ứng với trạng thái giới hạn thứ nhất Rs, Rs,ser cường độ chịu kéo tính toán dọc trục của cốt thép ứng với các trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai Rsw cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ngang Rsc cường độ chịu nén tính toán của cốt thép ứng với trạng thái giới hạn thứ nhất Eb mô đun đàn hồi của bê tông Es mô đun đàn hồi của cốt thép 1 Phần mở đầu 1.Lý do chọn đề tài Việc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) chịu nén và chịu uốn theo trạng thái giới hạn về cường độ theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 5574-2012 được thực hiện với tiếp cận về ứng suất. Điều này dẫn đến nhiều khó khăn cho các kỹ sư kết cấu khi thiết kế các cấu kiện này trong vùng chịu động đất, khi mà các điều kiện về biến dạng của tiết diện cần được xác định rõ ràng để đảm bảo khả năng phân tán năng lượng thông qua các biến dạng ngoài đàn hồi của tiết diện và của kết cấu. Thông qua các giá trị biến dạng tương ứng với các mức độ biến dạng dẻo khác nhau của tiết diện, chúng ta có thể xác đinh độ dẻo của chúng. Độ dẻo là yếu tố cơ bản sử dụng để đánh giá khả năng chịu động đất của kết cấu nói chung và kết cấu khung bê tông cốt thép (BTCT) nói riêng.. Do vậy việc xác định biến dạng của tiết diện ứng với các cấp dẻo khác nhau của cấu kiện cơ bản đóng vai trò quan trọng trong thiết kế kháng chấn. Các yêu cầu về biến dạng dẻo theo tiêu chuẩn kháng chấn TCVN 9386-2012 (dựa trên Eurocode 8) cho cấu kiện dầm, cột là khá rõ ràng. Tuy nhiên, để tính toán độ dẻo của các cấu kiện cơ bản nói trên cho phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCVN 5574 – 2012 (gọi tắt là 5574) lại không phải là việc dễ dàng. Nguyên nhân chính của vấn đề này nằm ở chỗ, 5574 chưa có quy định rõ ràng về thiết kế tiết diện cho cấu kiện dầm hay cột (chịu uốn hay chịu nén lệch tâm) dựa trên tiếp cận về biến dạng, yếu tố chủ yếu để xác định độ dẻo cho dầm hay cột. Với mục đích làm cơ sở cho việc xác định độ dẻo dầm, cột theo 5574, việc thiết kế tiết diện chịu uốn và nén lệch tâm theo 5574 dựa trên tiếp cận về biến dạng sẽ được nghiên cứu. 2 2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: 2.1. Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu về tính toán tiết diện của dầm, cột khung phẳng bê tông cốt thép theo TCVN 5574-2012 dựa trên biến dạng. 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Các cấu kiện cơ bản dầm và cột trong khung phẳng bê tông cốt thép. 2.3. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, dựa trên tổng hợp các tiêu chuẩn nước ngoài về tính toán tiết diện theo biến dạng để đề xuất quy trình phù hợp với TCVN 5574-2012. THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 94 Kết luận và kiến nghị 1. ết luận Một số kết luận được rút ra như sau: - Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông và cốt thép là yếu tố quan trọng không chỉ trong việc phân tích, tính toán nội lực hay biến dạng của kết cấu mà còn trong việc tính toán và thiết kế tiết diện chịu uốn và nén. Do đó, trong hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng luôn được đề cập chi tiết với các giả thiết thiết kế khác nhau. - Việc thiết kế tiết diện dựa vào biến dạng giúp giải quyết một số vấn đề mà nếu chỉ dựa vào khối ứng suất rất khó thực hiện như xác định khả năng chịu lực của cấu kiện chịu uốn mà cốt thép vùng nén nhiều hơn hoặc bằng cốt thép vùng kéo hay xác định giá trị mô men tương ứng với cốt thép lúc bắt đầu chảy dẻo... - Thiết kế tiết diện dựa vào biến dạng giúp cho kỹ sư thiết kế có cái nhìn sâu hơn về ứng xử của tiết diện. Dựa vào biến dạng, quan hệ mô men độ cong của tiết diện được xác định, từ đó, chúng ta có thể xác định độ dẻo, khả năng biến dạng dẻo hay hệ số vượt cường độ của tiết diện. Đó là các tham số chính để đánh giá sự làm việc của tiết diện khi làm việc ngoài miền đàn hồi trong các trường hợp thiết kế kể đến tính phi tuyến của vật liệu hay chịu tác động động đất. 2. iến Nghị - Cần có nghiên cứu thực nghiệm để đưa quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông và cốt thép vào trong TCVN 5574-2012, phù hợp với điều kiện Viêt Nam - Cần có các nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm để có thể đưa biến dạng vào trong tiêu chuẩn 5574 khi thiết kế tiết diện chịu uốn và chịu nén trên tiết diện thẳng. 95 3. Hướng phát triển đề tài Nghiên cứu và đề xuất quy trình tính toán cấu kiện chịu uốn và chịu nén lệch tâm và các cấu kiện khác theo biến dạng áp dụng cho Tiêu chuẩn Việt Nam 5574. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Đình Cống (2009), Tính toán thực hành cấu kiện bê tông cốt thép theo Tiêu chuẩn TCXDVN 356-2005, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội [2] Nguyễn Trung Hòa (2006), Tiêu chuẩn Châu Âu EuroCode EN 1992-1-1 – Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội. [3] Phan Văn Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2008), ết câu bê tông cốt thép – Phần cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Phan Văn Minh, Ngô Thế Phong (2010), ết cấu bê tông cốt thép theo Tiêu chuẩn châu Âu, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [5] Tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, ết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế. [6] Trần Mạnh Tuân (2009), Tính toán cấu kiện bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-2012, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội. Tiếng Anh. [7] EN 1992 Eurocode 2; Design of the concrete structures. [8] ACI 318-2002: buiding code requirement for structural concrete and commentary.