Luận án Nghiên cứu ứng xử của nút khung biên trong kết cấu liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép

m) truyền lực nén, lực cắt, mô men uốn qua vùng nút xuống cột dưới (cột dưới là phần tính từ mặt dưới của dầm); Biểu đồ lực cắtBiểu đồ mô men uốnSơ đồ tính của nútSơ đồ kết cấu nút ,Ed b beamM P l=  P Tải trọng tác dụng coll bh coll colL P beaml beaml , 2Ed col beamM P l=  ,Ed colV ,Ed bV Hình 2.12 Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực của nút khung khi bỏ qua vùng nút. Biểu đồ lực cắt của cột và nút Biểu đồ mô men uốn của cột và dầm Sơ đồ tính của nútSơ đồ kết cấu nút P Tải trọng tác dụng ,Ed jV 1, ( 0,5 )Ed b beam cM P l h=  − 1,Ed colM co l L e L ( ) 0 ,5 co l e m L L = − kL ( ) 0 ,5 co l e m L L = − kL beaml b ea ml Hình 2.13 Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực của nút khung khi xét đến vùng nút. 49 Tác động của ngoại lực gây ra mô men uốn và lực cắt trong dầm thép. Mô men uốn từ dầm sẽ được truyền lên cột qua các lực ép mặt của cánh dầm lên bê tông cột và lực ép mặt của cánh thép hình lên bê tông cột (Hình 2.20). Phần bê tông cốt thép cột sẽ chịu lực tác dụng của thép hình và phần thép hình sẽ chịu lực tác dụng ngược lại từ phần bê tông cốt thép cột. Hình 2.14 thể hiện biểu đồ nội lực của từng phần là bê tông cốt thép và thép hình. So sánh nội lực của cột ở Hình 2.13 và nội lực của cột bê tông cốt thép ở Hình 2.14 có thể thấy được sự khác biệt trong ứng xử của vùng giao thoa. Cụ thể là ở vùng giao thoa, khi coi sự làm việc của cột là cột liên hợp thì mặt cắt có nội lực lớn nằm ở chân cột (mặt cắt cột sát mặt cánh trên của dầm). Ngược lại, khi xét đến sự làm việc của cột chỉ riêng phần bê tông cốt thép thì nội lực ở chân cột giảm đi. Thành phần lực cắt mà cột liên hợp phải chịu ở vùng giao thoa lại nhỏ hơn so với lực cắt mà phần bê tông cốt thép phải chịu. Đây là những những đặc điểm ứng xử phức tạp của dạng nút này so với khác nút khung khác cần được xem xét cẩn thận trong thiết kế ứng dụng. Các phần tiếp theo sẽ phân tích để xây dựng mô hình xác định sức kháng của nút khung này và được kiểm chứng lại bằng các thí nghiệm thực hiện ở chương 3. ,Ed colV co l L ( ) 0 ,5 co l e m L L = − ( ) 0 ,5 co l e m L L = − e L ,Ed kM ,Ed ckM ,Ed ckV ,Ed ckV ,Ed kV kL bh kL eL Biểu đồ mô men uốn và lực cắt của phần bê tông cốt thép cột Biểu đồ mô men uốn và lực cắt của phần thép kết cấu Hình 2.14 Biểu đồ nội lực của các thành phần cấu thành nút khung. 50 2.5 Mô hình xác định sức kháng của dạng nút khung được nghiên cứu Cơ cấu truyền lực giữa các thành phần đã được phân tích ở trên. Nội dung tiếp theo sẽ dựa trên các Tiêu chuẩn Eurocode 2 [31], Eurocode 3 [32] và Eurocode 4 [33] để xây dựng mô hình xác định sức kháng cho từng thành phần của nút. 2.5.1 Sức kháng của các phần tử vùng nút Vùng nút là vùng giao cắt giữa dầm và cột. Có kích thước bằng chiều cao của mặt cắt dầm và chiều cao của mặt cắt cột. Thành phần nội lực được sử dụng để thiết kế sức kháng cho nút là lực cắt (Hình 2.15). Các phần tử trong vùng nút bao gồm bản bụng thép hình, các bản thép tăng cường, bê tông cốt thép ở vùng nút giao dầm-cột (Hình 2.17, ). Sự phá hoại của vùng nút có thể xảy ra do các nguyên nhân sau: - Thép hình (bản bụng thép hình, thép tấm gia cường) bị phá hoại do lực cắt ở nút, - Bê tông cốt thép ở vùng nút bị nứt và/hoặc ép vỡ do chịu lực cắt ở nút, - Bản bụng thép hình, thép bản gia cường bị phá hoại do lực kéo hoặc nén truyền từ cánh dầm thép, - Bê tông giữa hai bản cánh của thép hình bị nén vỡ do lực nén truyền từ cánh dầm thép, - Đường hàn liên kết giữa dầm thép với thép hình đặt trong cột BTCT bị kéo đứt, Để nút khung không bị xảy ra phá hoại do cắt thì các dạng phá hoại được liệt kê trên đây phải được kiểm soát. ,Ed bM ,Ed colV ,Ed colM ,Ed colN ,Ed jV ,Ed jM ,Ed jN ,Ed bV ,Ed colV ,Ed bT ,Ed jV Hình 2.15 Nội lực thành phần trên các mặt cắt vùng nút khung. 51 2.5.1.1 Sức kháng của nút khung sử dụng thép hình và cốt đai liền chịu cắt. Theo Tiêu chuẩn Eurocode 4, sức kháng cắt của nút khung liên hợp thép-BTCT ,j RdV bằng tổng sức kháng cắt của các thành phần cấu thành nút, gồm: sức kháng cắt của phần bê tông chèn giữa bản cánh của thép hình , ,wp c RdV , sức kháng cắt của phần thép hình ,wp RdV và sức kháng cắt của phần bê tông cốt thép bao quanh phần thép hình , ,j RC RdV . , , , , , ,j Rd wp c Rd wp Rd j RC RdV V V V= + + (1.3) Trong đó Khả năng chịu cắt của bản bụng thép hình đặt trong cột BTCT xác định theo EN 1993-1-8, 6.2.6.1. , , 0 0,9 3 y wc vc wp Rd M f A V  = (1.4) Diện tích chịu cắt của bản bụng được dựa theo 6.2.6.1, EN 1993-1-8. ( )2 2vc f w fA A bt t r t= − + + (1.5) ,y wcf là cường độ chảy của thép hình. Khả năng chịu cắt của bê tông nằm trong thép hình , ,wp c RdV , , 0,85 sinwp c Rd c cdV A f = (1.6) cA là diện tích mặt cắt ngang phần bê tông nằm trong thép hình, được xác định theo EN 1994-1-1, 8.4.4.1: ( )( )0,8 2 cosc c w fA b t h t = − − (1.7) ( )arctan 2 fh t z  = −  (1.8) ▪ cb là chiều rộng phần bê tông nằm trong thép hình, ▪ kh là chiều cao của thép hình, ▪ fkt là chiều dày của bản cánh thép hình, ▪ wkt là chiều dày bản bụng thép hình, ▪ z là khoảng cách trọng tâm của hai bản cánh dầm thép, b fbz h t= − , 52 ▪  là góc tạo bởi trục cấu kiện với đường nối các điểm đặt lực. Hình 2.16 Vị trí tác dụng của lực truyền từ cánh dầm thép sang thép hình [33]. Hệ số  kể đến ảnh hưởng của lực nén dọc trục trong cột, được xác định như sau: , 0,55 1 1,1Ed pl Rd N N     = +         (1.9) Trong đó ,Ed colN là lực nén dọc trục trong cột ,pl RdN là lực nén thiết kế của cột, có thể xác định theo 6.7.3.2 EN1994-1-1 , , ,0,85pl Rd k yd c col cd sl col sdN A f A f A f= + + (1.10) Phần bê tông cốt thép bao quanh thép hình ở vùng nút gồm có bê tông, cốt thép đai và cốt thép dọc. Sức kháng của phần bê tông xung quanh nút được xác định dựa trên khả năng chịu kéo của cốt đai và/hoặc khả năng chịu nén của bê tông. Theo 6.2.3 trong EN 1992-1-1, sức kháng cắt của phần tử quanh nút được xác định bằng sức kháng cắt của cốt đai , ,j RC RdV hoặc sức kháng cắt của bê tông ,Rd maxV . Sức kháng cắt của cốt đai được xác định bằng công thức: , , , cot swj j RC Rd j y wd j A V z f s = (1.11) Sức kháng cắt của bê tông được xác định bằng khả năng chịu của thanh nén. , ,max 1 2 cot cot 1 j j Rd cw w d j cjV b z f     = + (1.12) 53 Nếu coi góc của thanh nén bê tông và trục của cột là 045 thì sức kháng cắt tới hạn của bê tông ở vùng nút là: ( ), , 0,234j Rd max c cdV b b hf= − (1.13) Trong đó swjA là diện tích mặt cắt của cốt thép chịu cắt, js là bước cốt đai, ywdf là giới hạn chảy của cốt thép đai,  thể hiện góc giữa thanh bê tông nén và phương vuông góc trục dầm đối với lực cắt: 1 cot 2,5  . BTCT vùng nút Bê tông chèn trong thép kết cấu Thép kết cấu BTCT vùng nút BTCT vùng nút Bê tông chèn trong thép kết cấu Thép kết cấu A A Mặt cắt A-A Hình 2.17 Các thành phần tham gia vào chịu cắt của nút khung có cốt thép đai liền (không có thép tấm gia cường). 2.5.1.2 Sức kháng cắt của nút có bổ sung thép tấm gia cường. Trong nút khung có sử dụng liên kết dạng khóa chịu cắt, giá trị lực cắt truyền từ cột trên xuống cột dưới thông qua khóa chịu cắt chiếm một phần rất lớn. Như vậy, nếu sử dụng thép hình có đủ khả năng chịu cắt thì cốt đai ở vùng nút chỉ cần là dạng cốt đai cấu tạo. Việc thay thế sức kháng cắt của cốt thép đai bằng sức kháng cắt của thép hình được thực hiện bằng cách quy đổi tương đương khả năng chịu cắt của cốt đai ( ), ,j RC RdV với khả năng chịu cắt của thép hình ( ), ,wp p RdV , cụ thể là các tấm thép gia cường trong vùng nút. Khi đó, sức kháng cắt của vùng nút ,j RdV được xác định bằng tổng sức kháng của phần bê tông chèn giữa bản cánh của thép hình , ,wp c RdV , sức kháng cắt của phần thép hình ,wp RdV và sức kháng cắt của các tấm thép gia cường , ,wp p RdV . 54 , , , , , ,j Rd wp c Rd wp Rd wp p RdV V V V= + + (1.14) Khả năng chịu cắt của bản bụng thép hình ,wp RdV đặt trong cột BTCT được xác định theo công thức (1.4). Khả năng chịu cắt của bê tông nằm trong thép hình , ,wp c RdV được xác định theo công thức (1.6). Khả năng chịu cắt của thép tấm gia cường được xác định tương tự như sức kháng cắt của bản bụng thép hình: , , , , 0 0,9 3 y p vc p wp p Rd M f A V  = (1.15) Trong đó ,vc pA là diện tích chịu cắt của thép tấm gia cường, được lấy theo 6.2.6.1, EN 1993-1-8. BTCT vùng nút Bê tông chèn trong thép kết cấu Thép kết cấu BTCT vùng nút Mặt cắt B-B BTCT vùng nút Bê tông chèn trong thép kết cấu Thép kết cấu B B Thép tấm gia cường Thép tấm gia cường Cốt đai hở Hình 2.18 Các thành phần tham gia vào chịu cắt của nút khung sử dụng thép tấm gia cường và cốt thép đai cấu tạo. 2.5.2 Sức kháng nén cục bộ của các thành phần ở vùng nút Mô men uốn từ dầm thép truyền vào thép hình đặt trong cột BTCT thông qua một cặp ngẫu lực kéo-nén ở các bản cánh dầm. Các lực kéo, nén này tác dụng lên bản bụng thép hình. Hình 2.19 thể hiện cơ cấu tác động kéo-nén của cặp ngẫu lực do mô men uốn của dầm tác động vào vùng nút. Các thành phần chịu lực nén từ cánh dầm truyền vào gồm khả năng chịu nén của bản bụng thép hình, , ,c wc RdF , và vùng bê tông nằm chèn giữa các bản cánh của thép hình, , , ,c wc c RdF . Sức kháng được xác định bằng tổng của hai thành phần trên: 55 , , , , , ,c Rd c wc Rd c wc c RdF F F= + (1.16) , ,c wc RdF là sức kháng nén của bản bụng thép hình, xác định theo mục 6.2.6.2 trong EN1993-1-8. , , , , , 0 wc eff c wc wc y wc c wc Rd M k b t f F    = (1.17) , , ,c wc c RdF là sức kháng nén bê tông nằm giữa hai bản cánh thép hình, xác định theo mục 8.4.4.2 trong EN1994-1-1. ( ), , , , ,0,85c wc c Rd wc c eff c c w cdF k t b t f= − (1.18) Trong đó: ▪ ,y wcf là cường độ chảy của bản bụng thép hình ▪ wck là hệ số xét đến ảnh hưởng của lực dọc và mô men uốn của cột. Theo EN 1993-1-8 6.2.6.2, wck ▪  là hệ số xét đến thiết kế cắt cho bản bụng của cột 1 2 , , 1 1 1.3 eff c wc wc vc b t A  = =   +     (1.19) ▪  là hệ số xét đến hiệu ứng mất ổn định cục bộ của bản thép khi chịu nén, trong trường hợp théo kết cấu được đặt trong bê tông thì hệ số này có giá trị bằng 1. ▪ , ,eff c wcb là bề rộng có hiệu của bản bụng thép hình khi chịu nén, , , 5eff c wc fb fcb t t= + ▪ fbt là chiều dày của bản cánh dầm. ▪ ,wc ck là hệ số lấy theo EN1994-1-1 8.4.4.2 , , d , d 1,3 3,3 c c E wc c c k f  = + 56 ▪ , , dc c E là ứng suất nén trong thép hình theo phương dọc trục do lực nén thiết kế gây ra. 2.5.3 Sức kháng kéo cục bộ của bản bụng thép hình Các thành phần chịu lực kéo tác động từ cánh dầm thép gồm bản bụng thép hình và bê tông cốt thép bao xung quanh thép hình. Hình 2.19 thể hiện các thông số để xác định lực kéo/nén từ cánh dầm thép lên bản bụng của thép hình. Sức kháng kéo của bản bụng thép hình , ,t wc RdF được xác định theo: , , , , , 0 eff t wc wc y wc t wc Rd M b t f F   = (1.20) Với , ,eff t wcb là chiều rộng có hiệu của bụng thép hình khi chịu kéo. Sức kháng của phần bê tông (tương tự vùng nén). ( ), , , , ,0,85c wc c Rd wc c eff c c w cdF k t b t f= − (1.21) Hình 2.19 Tác động cục bộ của lực kéo, nén từ cánh dầm thép lên bản bụng của thép hình đặt trong cột BTCT [33]. Tuy nhiên, phần bê tông cốt thép chịu tác động kéo từ cánh dầm thép nằm phía ngoài các bản cánh thép hình do đó sự kiềm chế của bê tông không lớn. Thêm vào đó, khi sử dụng cốt đai hở (cốt đai cấu tạo) thì khả năng chịu kéo của phần bê tông cốt thép bao quanh thép hình sẽ giảm đi. Khi đó, sức kháng kéo được xác định chỉ gồm khả năng chịu kéo của bản bụng thép hình sẽ cho kết quả thiên về an toàn hơn. 57 2.5.4 Sức kháng uốn cục bộ của bản cánh thép hình đặt trong cột bê tông cốt thép Dưới tác động của cặp ngẫu lực kéo-nén từ dầm thép sẽ gây uốn cho bản cánh của thép hình đặt trong cột BTCT. Sức kháng uốn của bản cánh thép hình có thể xác định theo mục 6.2.6.3 trong EN1993-1-8: , , , , 0 eff b fc fb y fb fc Rd M b t f F  = (1.22) f fu tu t A f f A  = (1.23) Trong đó ,y fbf là giới hạn chảy của bản cánh thép hình và , ,eff b fc effb b= (bề rộng có hiệu) xác định theo mục 6.2.6.3(2): , , 2 7eff b fc w fb t s kt= + + . 2.5.5 Sức kháng của vùng giao thoa Vùng giao thoa là vùng cột có chứa thép hình (vùng có khóa chịu cắt), xem Hình 2.11. Xét ở mức độ kết cấu thì vùng giao thoa là thuộc kết cấu cột. Sự phá hoại có thể xảy ra do nén-uốn hoặc do cắt. Bên cạnh đó, vùng giao thoa là vùng tiếp nhận sự truyền lực từ dầm thép sang cột BTCT thông qua khóa chịu cắt. Sự phá hoại có thể xảy ra do bê tông bị ép mặt, cụ thể, sự phá hoại của vùng giao thoa có thể xảy ra do: - Phá hoại do nén uốn: bê tông cột bị ép vỡ hoặc/và cốt thép dọc của cột bị kéo chảy; - Phá hoại do cắt: bê tông giữa các vết nứt xiên bị nén vỡ hoặc/và cốt thép đai bị kéo chảy; - Phá hoại bê tông chịu ép mặt do các bản cánh của thép hình; - Phá hoại do uốn hoặc do cắt thép hình. Có thể thấy rằng, các dạng phá hoại do cắt hoặc phá hoại do bê tông bị nén/ép vỡ là dạng phá hoại giòn. Các dạng phá hoại xảy ra do uốn hoặc do cốt thép/thép hình bị chảy là phá hoại dẻo. Như vậy, để kết cấu tăng tính dẻo thì các phá hoại cần hướng đến là: phá hoại do uốn thép hình, phá hoại do cốt đai hoặc/và cốt thép dọc bị kéo chảy. Các phá hoại cần tránh là bê tông bị nén vỡ khi chịu nén-uốn; bê tông bị nén vỡ khi chịu cắt; bê tông bị nén vỡ do chịu lực ép mặt từ bản cánh của thép hình. 58 Mô men uốn và lực cắt từ dầm truyền vào cột BTCT thông qua phần dầm thép nằm trong cột và thép hình kết cấu đặt trong cột. Phản lực từ bê tông cột tác dụng vào phần thép hình được biểu thị bằng các phản lực, xem Hình 2.20. Phản lực lớn nhất từ bê tông tác dụng lên thép hình bằng khả năng chịu ép mặt của bê tông [80]. bh kL kL eL dcf dcf dcf dcf dcf dcf kh ch ,Ed bM ,Ed bV ,Ed kV , 2Ed k cd k kV f b L= 2 , dEd k c k kM f b L= ,Ed kM Biểu đồ mô men uốn của thép kết cấu Biểu đồ lực cắt của thép kết cấu Hình 2.20 Cơ cấu chịu lực từ dầm truyền vào cột thông qua thép hình. Khi chiều dài của đoạn thép hình thay đổi thì giá trị của phản lực thay đổi. Hình 2.20 thể hiện biểu đồ mô men uốn của thép hình. Có thể thấy rằng, nếu chiều dài thép hình ngắn thì bê tông sẽ bị ép vỡ, nếu thép hình đủ dài để phân tán lực lên bê tông thì thép hình sẽ bị chảy. Như vậy, để tránh cho việc bê tông bị vỡ do ép mặt thì chiều dài thép hình đặt trong cột cần có một chiều dài đủ lớn thỏa mãn các điều kiện (1.24) và (1.25). Điều kiện về khả năng chịu uốn: 2 , ,, 2 2 cd p d k Ed k Rk l k L M f b M=  (1.24) Điều kiện về khả năng chịu cắt: , ,, 2 dEd k kcd plk k RV f b L V=  (1.25) 59 Khi đó, để khớp dẻo hình thành ở dầm thì sức kháng uốn của dầm cần nhỏ hơn sức kháng uốn của thép hình và khả năng chịu ép mặt của bê tông dưới cánh dầm. , ,,, 2 2 4 cd pl k c R wb k Ed b b c k ck Rdd t h M h hf b h MM +    − − + =      (1.26) Trong đó: Thành phần: , 2 4 2kb Rd kcd wb c k b cM t h hb h hf +   − −  =    là sức kháng do ép mặt của phần bê tông nằm dưới cánh dầm thép. Thành phần: 2 , 2 2 c k kk R kdd L M f b= là sức kháng do ép mặt của phần bê tông chịu ép mặt từ thép hình. , , , , 0 pl k y k pl k Rd M W f M  = là mô men uốn cực hạn của mặt cắt thép hình; , , , , 03 vc k y k pl k Rd M A f V  = là sức kháng cắt cực hạn của mặt cắt thép hình. Khi đó, chiều dài của thép hình thỏa mãn điều kiện sau đây để tránh sự phá hoại xảy ra do ép vỡ bê tông: 2e k bL L h + Trong đó, ▪ kL là chiều dài của thép hình nằm trong phần cột trên, cột dưới. ▪ bh là chiều dài của thép hình nằm trong nút, và bằng chiều cao dầm. ▪ eL là tổng chiều dài của thép hình đặt trong kết cấu cột. ▪ cdf là cường độ chịu nén tính toán của bê tông cột, ▪ kb là bề rộng của bản cánh thép hình. ▪ kh là chiều cao của mặt cắt thép hình. ▪ ch là chiều cao của mặt cắt cột. ▪ bb là bề rộng của cánh dầm thép. 60 2.5.6 Sức kháng cắt của cột Theo sơ đồ được thể hiện trên Hình 2.13, lực cắt có giá trị như nhau trên toàn bộ chiều dài cột. Do khả năng chịu cắt của mặt cắt cột liên hợp lớn hơn khả năng chịu cắt của cột BTCT, nên, nếu chỉ xét tính toán chịu cắt cho tổng thể của cột thì chỉ cần thỏa mãn yêu cầu chịu cắt cho phần cột BTCT. Tuy nhiên, do sự tồn tại của thép hình nên vùng giao thoa sẽ có sự truyền lực cắt khác với vùng bê tông cốt thép thông thường. Hình 2.14 thể hiện biểu đồ lực cắt tác dụng lên phần BTCT cột. Có thể thấy rằng, phần BTCT của cột ở vùng giao thoa phải chịu lực tác dụng từ thép hình nên chịu tác dụng của lực cắt có giá trị lớn hơn so với lực cắt tác dụng lên BTCT vùng cột. Hình 2.21 thể hiện cơ cấu truyền lực cắt ở vùng giao thoa theo sơ đồ giàn (sơ đồ thanh chống-giằng). Khi đó, sức kháng cắt của BTCT vùng giao thoa được tính toán dựa trên sức kháng của thanh chống (thanh nén) hoặc thanh kéo (thanh giằng). Dựa trên kích thước của thanh chống, sức kháng cắt của cột tính theo khả năng chịu nén của bê tông có thể được xác định theo các công thức. Vùng liên hợp: ( )( ), , 0,5 sin 2c com Rd kcd kV vf b b d c = − − (1.27) Vùng giao thoa: ( ), 0, 0,5 sin 2cdRd wk kc kV vf b t d = − (1.28) Vùng bê tông cốt thép: ( ), , 0,5 / 2 sin 2cd d cc c RV vf b d c = − (1.29) Sức kháng cắt của cột tính theo khả năng chịu kéo của cốt đai có thể xác định theo Tiêu chuẩn Eurocode 2: Vùng liên hợp: ( ), , / 2 cot /s com sv yvd k wRdV A f d c s= − (1.30) Vùng giao thoa: ( ), , / 2 cot /s k Rd sw ywd wckV A f d c s= − (1.31) Vùng bê tông cốt thép: 61 ( ), , / 2 cot /s c Rd sw ywd wcV A f d c s= − (1.32) kL kh ch 0d cd 0d cd kh ch a B B Mặt cắt B-B Hình 2.21 Cơ cấu chịu lực cắt của vùng giao thoa. Trong đó: Hệ số xét đến sự giảm cường độ khi bê tông có vết nứt khi chịu cắt. ( )0,6 1 / 250ckv f= − (1.33) Góc nghiêng  của vết nứt trên bê tông cột so với trục của cột có thể được dự đoán theo công thức (1.34) và được giới hạn theo điều kiện 2 3 tan 1  [76]. 1/2 tan 0,6 1600 ysk tot ck f d f     = +     (1.34) ▪ cc là chiều cao vùng nén của mặt cắt vùng bê tông cốt thép khi chịu nén-uốn. ▪ kc là chiều cao vùng nén của mặt cắt vùng liên hợp khi chịu nén-uốn. ▪ ckc là chiều cao vùng nén của mặt cắt vùng giao thoa khi chịu nén-uốn. ▪ cd là chiều cao có hiệu của mặt cắt cột. ▪ wkt là dày của bản bụng thép hình. 62 2.5.7 Sức kháng của mặt cắt các cấu kiện dầm, cột Theo [76], trên chiều dài kL của vùng giao thoa có thể coi cột là cấu kiện liên hợp thép- BTCT, phần còn lại của cột được coi là cấu kiện BTCT. Như vậy, cột được thiết kế chịu nén uốn và chịu cắt. Sức kháng nén-uốn của mặt cắt cột liên hợp và mặt cắt cột BTCT được xác định theo biểu đồ tương tác lực nén với mô men uốn (P-M) của Tiêu chuẩn Eurocode 2 và Tiêu chuẩn Eurocode 4. Sức kháng cắt của mặt cắt liên hợp và của mặt cắt BTCT đã được kể đến trong phần tính toán sức kháng cắt của vùng giao thoa. Có thể thấy rằng, sức kháng nén-uốn và sức kháng cắt của cột liên hợp lớn hơn mặt cắt cột BTCT. Trong khi đó, đối với cột trong kết cấu khung, chân cột và đỉnh cột là vùng chịu mô men uốn lớn nhất. Như vậy, việc sử dụng khóa chịu cắt đặt ở vùng này không chỉ có tác dụng truyền lực và tăng sức kháng cắt cho vùng nút mà còn có tác dụng tăng khả năng chịu nén uốn cho cột BTCT. Theo biểu đồ mô men uốn của phần bê tông cốt thép cột trên Hình 2.14 thì mặt cắt bê tông cốt thép ở sát chân cột sẽ có giá trị mô men uốn nhỏ hơn so với ở giữa cột. Khi đó, cốt thép ở vùng chân cột và trong vùng nút sẽ phải chịu kéo ít hơn, vì vậy bê tông vùng nút cũng sẽ chịu ít áp lực hơn. Qua đó, giảm/tránh được các phá hoại ở vùng nút khung. Dầm thép được thiết kế chịu uốn, chịu cắt và kiểm tra các điều kiện ổn định tổng thể theo Tiêu chuẩn Eurocode 3. 2.5.8 Sức kháng của mối hàn Các vị trí mối hàn cần được tính toán gồm: - Mối hàn giữa bản cánh và bản bụng trong các cấu kiện thép hình tổ hợp hàn; - Mối hàn giữa dầm thép với thép hình đặt trong cột; Sức kháng của liên kết hàn được tính toán theo Tiêu chuẩn Eurocode 3, và được thể hiện ở mục 7 phần phụ lục. 2.6 Tổng hợp các công thức xác định sức kháng thành phần của nút Bảng 2.1 thể hiện các thành phần cần xác định sức kháng cho vùng nút. Sức kháng của nút khung sẽ bằng giá trị nhỏ nhất trong số các giá trị sức kháng thành phần. Như vậy, trong việc thiết kế ứng dụng, để tránh sự phá hoại ở vùng nút, tránh sự phá hoại ở cột thì 63 lực tác dụng từ dầm truyền vào cột cần nhỏ hơn khả năng của cột, của vùng nút, của vùng giao thoa. Để hình thành các vùng dẻo tiêu tán năng lượng, sức kháng cực hạn của dầm cần nhỏ hơn tổng sức kháng cực hạn của phần thép hình với sức kháng ép mặt của bê tông dưới cánh dầm. Trong đó, sức kháng của mặt cắt dầm nên nhỏ hơn hoặc bằng ½ sức kháng của phần thép hình. Bảng 2.1 Công thức xác định sức kháng của các thành phần cấu tạo nút. TT Thành phần cần xác định sức kháng Công thức để tính toán giá trị sức kháng 1 Sức kháng cắt của vùng nút, ,j RdV , , , , , , , , , , , , j Rd wp c Rd wp Rd j RC Rd j Rd wp c Rd wp Rd wp p Rd V V V V V V V V = + + = + + 1.1 Sức kháng cắt của thép hình, ,wp RdV . , , , 0 0,9 3 y wc k vc wp Rd M f A V  = 1.2 Sức kháng cắt của bê tông chèn trong thép hình, , ,wp c RdV . , , 0,85 sinwp c Rd c cdV A f = 1.3 Sức kháng cắt của phần bê tông cốt thép ở vùng nút, , ,j RC RdV . , , , cot swj j RC Rd j y wd j A V z f s = 1.4 Sức kháng cắt của tấm gia cường , ,wp p RdV , , , , 0 0,9 3 y wc vc p wp p Rd M f A V  = 2 Sức kháng uốn của phần tiếp nhận lực từ dầm truyền vào cột, ,ck RdM . ( ), , , ,min , kkck Rd kb Rd pl k RdM M M M= + 2.1 Sức kháng uốn của thép hình, , ,pl k RdM , , , , 0 pl k y k pl k Rd M W f M  = 2.2 Sức kháng uốn tính theo sức kháng nén cục bộ của thép hình lên bê tông cột. 2 , 2 2 c k kk R d cd L M f b= 2.3 Sức kháng uốn tính theo sức kháng nén cục bộ của phần bê tông nằm dưới cánh dầm, ,kb RdM . , , 2 2 w b c k cd bkb cRd kM t h h f b h h   +  = − −       3 Sức kháng cắt của vùng giao thoa, ( ), , , , ,max ,k Rd c k Rd s k RdV V V= 64 ,k RdV . 3.1 Sức kháng cắt của bê tông, , ,c k RdV . ( ), 0, 0,5 sin 2cRd d wc kV vf b t d = − 3.2 Sức kháng cắt của cốt thép, , ,s k RdV . ( ), , / 2 cot /sv yvd k ws k RdV A f d c s= − 4 Lực kéo gây chảy bản bụng thép hình dưới tác dụng của cánh dầm thép, , ,t wk RdF . , , , , , 0 eff t wc wc y wc t wc Rd M b t f F   = 5 Sức kháng của mặt cắt dầm, kNm. 5.1 Sức kháng uốn dẻo của mặt cắt dầm. , , 0 pl y pl b Rd M W f M  = 5.2 Sức kháng cắt của mặt cắt dầm. , , 0 3 v y pl b Rd M A f V  = 6 Sức kháng của mối hàn 6.1 Sức kháng của mối hàn giữa bản cánh dầm với bản bụng của dầm , , , , , , 2 w b vw d x b a w b f b a f I V S = 6.2 Sức kháng của mối hàn giữa bản cánh thép hình với bản bụng thép hình đặt trong cột , , , , , , 2 w k vw d x k a w k f k a f I V S = 6.3 Sức kháng của mối hàn giữa dầm với thép hình đặt trong cột , , 2 2 , , 1 3 w d a bk beam a bk a bk f P l W A =     +           6 Sức kháng uốn của mặt cắt cột liên hợp, kNm. Sức kháng uốn của mặt cắt cột liên hợp được xác định theo phương pháp biểu đồ tương tác P-M. 7 Sức kháng uốn của mặt cắt cột bê tông cốt thép, kNm. Sức kháng uốn của mặt cắt cột BTCT được xác định theo phương pháp biểu đồ tương tác P-M. 65 2.7 Kết luận chương 2 Chương này đã trình bày cơ sở để nghiên cứu, đánh giá ứng xử và sự đáp ứng chịu lực của kết cấu nút khung. Cơ cấu truyền lực giữa các thành phần cấu thành nút khung cũng đã được phân tích để xây dựng mô hình xác định sức kháng cho nút ở trạng thái giới hạn về cường độ. Công thức xác định sức kháng cho nút khung được xây dựng dựa trên các khuyến cáo của Tiêu chuẩn Eurocode 2, Eurocode 3, Eurocode 4 và các hướng dẫn bổ sung của Ủy ban Châu Âu cho các dạng kết cấu liên hợp mới [76]. Sự làm việc của nút khung RCS sử dụng liên kết dạng khóa chịu cắt đã được phân tích bằng mô hình lý thuyết. Ứng xử chịu lực của nút khung được nghiên cứu bị ảnh hưởng bởi các dạng phá hoại chính, gồm: - Phá hoại do cắt ở vùng nút, - Phá hoại do cắt ở vùng giao thoa, - Phá hoại phần truyền lực giữa dầm thép và cột BTCT, - Phá hoại do uốn, do nén – uốn các mặt cắt của cấu kiện (dầm thép, cột liên hợp, cột BTCT) lân cận vùng nút. Thông qua việc phân tích dạng phá hoại và tương quan sức kháng giữa các thành phần, luận án đã đề xuất được cấu tạo của các thành phần để thu được thiết kế mang tính hiệu