CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG

Kết cấu ống thép nhồi bêtông được nghiên cứu, áp dụng xuất phát từ ý tưởng lợi dụng các đặc tính liên hợp của hai loại vật liệu bêtông và thép để cải thiện khả năng chịu nén và uốn của kết cấu. Kết cấu vỏ thép tạo ra hiệu ứng bó hay kiềm chế bêtông (concrete confinenment) và đồng thời tăng cường khả năng chịu uốn cục bộ của thép, tạo ra sự cùng làm việc (liên hợp) giữa hai thành phần vật liệu này....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG GS.Nguyễn viết Trung Chương 4: Lý thuyết tính toán kết cấu ông thép nhồi bê tông CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 4.1. THIẾT KẾ CƯỜNG ĐỘ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 4.1.1 Nhận xét chung Kết cấu ống thép nhồi bêtông được nghiên cứu, áp dụng xuất phát từ ý tưởng lợi dụng các đặc tính liên hợp của hai loại vật liệu bêtông và thép để cải thiện khả năng chịu nén và uốn của kết cấu. Kết cấu vỏ thép tạo ra hiệu ứng bó hay kiềm chế bêtông (concrete confinenment) và đồng thời tăng cường khả năng chịu uốn cục bộ của thép, tạo ra sự cùng làm việc (liên hợp) giữa hai thành phần vật liệu này. Để tính toán khả năng làm việc liên hợp của mặt cắt ống thép nhồi bêtông, các nước trên thế giới đã nghiên cứu biên soạn nhiều quy trình, quy phạm, tiêu chuẩn thiết kế. Tuy nhiên, các công thức tính toán khả năng chịu lực nén và chịu uốn của kết cấu đưa ra bởi các tiêu chuẩn này đều có các sự khác nhau. Cho đến nay, Việt nam chưa ban hành Tiêu chuẩn thiết kế chính thức cho loại kết cấu ống thép nhồi bê tông này. Tại Mỹ, các quy định tính toán cho kết cấu loại này được đề cập lần đầu tiên trong” Các yêu cầu của tiêu chuẩn xây dựng đối với bêtông cốt thép” do viện bêtông Mỹ ấn hành năm 1963 (Building Code Requirements for Reinforced Concrete, ACI 1963) và sau đó trong “Tiêu chuẩn thiết kế nhà kết cấu thép theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng” do Viện thép xây dựng ấn hành lần thứ nhất năm 1986 (Load and resistance factor design LRFD speccification for structure steel buildings, AISC LRFD 1986). Ở Bắc Mỹ, nhiều công trình nhà đã được thiết kế có hàng cột ống thép nhồi bêtông (Viest et al. 1997). Lúc đầu, các thiết kế này được tíên hành dựa trên các nguyên tắc thiết kế công trình cơ bản và có thể thiên về các phương pháp tính toán an toàn do chưa có các quy định cụ thể của Tiêu chuẩn. Tại Canada, các yêu cầu thiết kế đối với loại kết cấu này đã được đề cập trong Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn (Limit States Design of Steel Structures, CAN/CSAS 16.1-M94). Liên quan đến các công trình cầu có sử dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông, các quy định trong Tiêu chuẩn LRFD 1994 do AASHTO ấn hành năm 1994 đưa ra các công thức tính toán cấu kiện nén tương tự như kiến nghị của AISC nhưng không đề cập đến các điều kiện giới hạn đối với vật liệu hay kích thước hình học của mặt cắt như của AISC. Tại Canada, cấu kiện loại này được đề cập trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ ấn hành năm 1988 (CSA standard for thi design of highway bridges, CAN/CSA-S6-88, CSA 1988), cũng như trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu Ontario ấn hành năm 1991. Các lần xuất bản sau này của các cơ quan trên như AISC LRFD 1999 và CAN/CSAS 16.1-M94, các công thức tính toán kết cấu ống thép nhồi bêtông đã được đề cập đầy đủ. Tại châu Âu, các nội dung kiểm toán tương tự được quy định trong Tiêu chuẩn thết kế kết cáu ống thép liên hợp EC4. Trung Quốc, một trong số những nước có nhiều công trình cầu vòm ống thép nhồi bêtông, đã có được những thành tựu đáng kể trong viẹc nghiên cứu thiết kế, thi công kết cấu ống thép nhồi bêtông và cũng đã xây dựng được một hệ thống tiêu chuẩn thiết kế tương đối hoàn chỉnh. Các phương pháp và công thức kiểm toán kết cấu ống thép nhồi bêtông theo các tiêu chuẩn của các nước sẽ được đề cập trong chương này. 55 GS.Nguyễn viết Trung Chương 4: Lý thuyết tính toán kết cấu ông thép nhồi bê tông Các cột liên hợp là dạng kết hợp giữa cột thép và bêtông cốt thép. Tuy nhiên, triết lý thiết kế cho hai thành phần kết cấu cơ bản là khác nhau. Các cột thép được xét như cấu kiện chịu nén “đúng tâm” bởi vì cột thép chịu tải trọng tại trọng tâm của cột, nhưng thực ra trong khi tính toán đã giả thiết bỏ qua các ứng suất dư, tải trọng ban đầu đặt thẳng và độ lệch tâm nhỏ. Cơ sở của thiết kế cột thép là tính ổn định hoặc tính cong oằn, bên cạnh đó có tính đến một vài đặc tính quan trọng mà các tác động tại hai đầu cấu kiện được kết hợp chặt chẽ bằng biện pháp giảm tải trọng trục đi qua biểu đồ tương tác. Nghiên cứu cột bêtông cốt thép là hoàn toàn khác so với cột thép bởi vì tải trọng được xét lệch tâm với trọng tâm mặt cắt. Các hư hỏng thông thường không thường xuyên, đặc trưng cho cường độ (độ bền) mặt cắt, việc giảm các hệ số đã áp dụng để xét hiệu ứng thứ cấp mà nguyên nhân là do sự khuếch đại mô men trong các cột mảnh hơn, vì vậy cường độ (độ bền) cấu kiện có thể được dự báo trước. Do có đặc điểm giống như các cột liên hợp với cả hai loại cột thép và bêtông cốt thép, các loại này đã được nghiên cứu và cũng đã được nhiều nước áp dụng rộng rãi. Các cột liên hợp ngắn chịu ảnh hưởng bởi các phá hoại mặt cắt ngang, cột ngắn có khuynh hướng bị chi phối bởi độ ổn định. Trong Tiêu chuẩn Châu Au EC4 (Eurocode4), quá trình thiết kế cho các cột liên hợp đã đề cập là sự tổ hợp của cả hai phương pháp. Về cơ bản, nó sử dụng phương pháp tính toán tải trọng gây ra cong oằn thép, và thay đổi này khống chế mômen tại đầu cột bằng cách áp dụng phương pháp cột liên hợp bêtông cốt thép. Tuy nhiên, nếu phương pháp thiết kế này có thể áp dụng cho cột CSFT, tỉ số phân bố thép sẽ trong khoảng 0.2 £ d £ 0.9. Mặc dù tỉ số phân bố thép đến dưới 0.2, cột sẽ được đề cập như cột bêtông và nếu nó là trên 0.9, cột sẽ được đề cập như cột thép. Trong các phần sau, chỉ sức kháng tải trọng của cột ngắn CSFT tuỳ thuộc vào tải trọng trục và hiệu ứng của giãn nở bêtông. 2.1.2 Sức kháng tải trọng của cột CSFT chịu nén dọc trục Theo Tiêu chuẩn EC4, tải trọng nén ép đàn hồi, NPl,Rd đối với cột liên hợp bêtông cốt thép dưới tác dụng nén dọc trục sẽ được tính toán bằng cách cộng thêm sức kháng đàn hồi của các thành phần của nó. Aa f y 0.85 f ck As f sk N pl , Rd = ...