Tính toán dầm bê tông cốt thép đặt cốt kép theo các tiêu chuẩn thiết kế

Cốt thép được đặt vào vùng chịu nén vì các mục đích như sau:+ Tăng khả năng chịu lực của cấu kiện trong trường hợp tiết diện dầm bị hạn chế do yêu cầu kiến trúc.+ Giảm co ngót và từ biến của bê tông trong dầm và tăng tính dẻo của bê tông vùng chịu nén. Dầm có bố trí cốt thép ở vùng chịu nén có thể chuyển từ phá hoại dòn sang phá hoại dẻo.Ngoài ra hiện nay có nhiều công trình nước ngoài đầu tư vào Việt Nam, việc tính toán thiết kế sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau. Thông qua đề tài này sẽ đánh giá được phần nào sự khác nhau về cách tính toán và ảnh hưởng khác nhau của cốt thép của vùng chịu nén trong dầm giữa các tiêu chuẩn khác nhau giúp cho các nhà tư vấn thiết kế lưu ý khi sử dụng các tiêu chuẩn của các nước khi tính toán và kiểm tra

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học : TS TRƯƠNG HOÀI CHÍNH

Phản biện 1: GS TS PHAN QUANG MINH

Phản biện 2: TS TRẦN QUANG HƯNG

Luận văn đã được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày

27 tháng 9 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Thư viện trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Cốt thép được đặt vào vùng chịu nén với các lý do sau:

+ Nhằm mục đích tăng khả năng chịu lực của cấu kiện trong điều kiện tiết diện dầm bị hạn chế do yêu cầu kiến trúc

+ Giảm co ngót và từ biến của bê tông trong dầm và tăng tính dẻo của bê tông vùng chịu nén Dầm có bố trí cốt thép ở vùng chịu nén có thể chuyển từ phá hoại dòn sang phá hoại dẻo

Ngoài ra hiện nay, có nhiều công trình nước ngoài đầu tư vào Việt Nam, việc thiết kế tính toán sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau Thông qua đề tài này sẽ đánh giá được phần nào sự khác nhau về cách tính toán và ảnh hưởng của cốt thép ở vùng chịu nén trong dầm giữa các tiêu chuẩn và giúp cho các nhà tư vấn thiết kế lưu ý khi sử dụng tiêu chuẩn của các nước để tính toán và kiểm tra

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tính toán đặt cốt kép trong dầm bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn và rút ra kết luận

- Để ứng dụng trong công tác thiết kế tính toán kết cấu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu dầm bê tông cốt thép chịu uốn đặt cốt kép theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012; Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1 và Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002, rút ra kết luận

về ảnh hưởng của cốt kép và sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn

• Bố cục luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn

được trình bày gồm có 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan về hệ kết cấu dầm sàn bê tông cốt thép

- Chương 2: Tính toán dầm bê tông cốt thép đặt cốt kép theo

các tiêu chuẩn thiết kế

• Công trình Indochina Riverside Tower

• Trung tâm công nghệ phần mềm Đà Nẵng

• Khối căn hộ - Khu thương mại Vĩnh Trung Plaza

• Khối nhà chính – Green Plaza Hotel

• Novotel Hotel

- Với kết cấu nhịp lớn, dùng hệ sàn có dầm bẹt Để đảm bảo khả năng chịu lực, dầm bẹt được đặt cốt kép Ngoài dầm bẹt, dầm có tiết diện thanh mảnh cũng thường được đặt cốt kép

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

ĐẶT CỐT KÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

2.1 TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5574:2012

Trong khi tính toán cốt thép đơn, nếu αm = M/Rb.b.h2

2.1.4 Ảnh hưởng của cốt kép đến độ cứng cấu kiện

a Ảnh hưởng đến khả năng chống nứt của dầm

ser bt bo so

so bo

x h

I I

I

' )(

1

1 1

1 1

r - độ cong do tác dụng dài hạn của tải trọng dài hạn

Biết được độ cong của dầm có thể tính độ võng của cấu kiện

2.2 TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 1992-1-1

Trong khi tính toán cốt thép đơn, nếu K > Kbal = 0,167 thì có thể đặt cốt thép A’

s vàovùng bêtông chịu nén

2.2.1 Sơ đồ ứng suất

2.2.2 Các công thức cơ bản để tính cốt thép

fydAs = 0,567fckbs + fscA’s (2.2.6)

M ≤ MRd = 0,567fckz + fscA’s(d - a’) (2.2.7)

2.2.3 Điều kiện hạn chế

2.2.4 Ảnh hưởng của cốt kép đến độ cứng cấu kiện

a Ảnh hưởng đến khả năng chống nứt của dầm

+

Độ võng lớn nhất của dầm:

b

r L

0 , 8 5

c

A f A f a

f b

−

Cs = A’s(fy – 0,85f’c) (2.3.3) 0,85f’cab + A’s(fy – 0,85f’c) = Asfy (2.3.4)

Mn = 0,85f’cab(d – a/2) + A’sfy(d - d’) (2.3.5)

- Nếu cốt thép chảy dẻo, áp dụng giá trị cường độ fy để tính toán trong các công thức (2.3.3) và (2.3.5)

- Nếu thép không chảy dẻo:

Mn = 0,85f’cab(d – a/2) + A’s(fs – 0,85f’c)(d - d’) (2.3.11)

2.3.4 Ảnh hưởng của cốt kép đến độ cứng cấu kiện

a Ảnh hưởng đến khả năng chống nứt của dầm

c r

t

I f M

y

b Ảnh hưởng đến độ võng của dầm trong trường hợp có khe nứt trong vùng kéo

bc

I = +nA d −c + n− A c−d (2.3.17) Tổng độ võng theo thời gian sẽ là:

∆LT = ∆L + λ∞∆D + λi∆LS (2.3.19) Trong đó:

∆L – độ võng ban đầu do hoạt tải gây ra trên cấu kiện;

∆D – độ võng ban đầu do tĩnh tải gây ra trên cấu kiện;

∆LS – độ võng ban đầu do hoạt tải tác dụng thực tế gây

ra (một phần của ∆L xác định theo tải trọng thực tế này);

Khi có xét đến cốt kép trong dầm thì giá trị Icr sẽ tăng, do đó

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3.1 VÍ DỤ 1

Xét dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều với các số liệu như sau: nhịp l = 10 m; b = 80 cm; h = 50 cm; Tĩnh tải tiêu chuẩn gc

= 46 kN/m, hoạt tải tiêu chuẩn pc = 59 kN/m Cấp bền của bê tông là B30, nhóm cốt thép AIII

Xác định diện tích cốt thép của dầm

10000 (800x500)

pc=59 (kN/m)

gc=46 (kN/m)

Hình 3.1 Sơ đồ tải trọng của ví dụ 1

3.1.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012:

ωσ

0

5103 51, 03( ')

ck s

3.1.3 Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002

b = 80 cm = 31,76 in; h = 50 cm = 19,85 in; l = 10 m = 397 in

wDc = 46 kN/m = 263 lb/in; wLc = 59 kN/m = 337 lb/in

d = 43 cm = 17,07 in; d’ = 7 cm = 1,99 in

f’c = 17/1,2 MPa = 2,054 ksi; fy = 60 ksi; Es = 29000 ksi Tĩnh tải tính toán: wDtt = n wDc = 1,2x263 = 315,6 lb/in;

Hoạt tải tính toán: wL = n wLc = 1,6x337 = 539,2 lb/in; Tổng tải trọng tính toán: wtt = wDtt + wLtt = 854,8 lb/in

6, 44

0, 8 5 0, 8 5 2, 0 5 4 31, 7 6

y c

nc S

As + A's(cm2)

Eurocode 1992-1-1 144,22 93,87 238,09

Xác định khả năng chống nứt và độ võng của dầm

10000(1000x600)

pc=60 (kN/m)

gc=50 (kN/m)

Hình 3.2 Sơ đồ tải trọng của ví dụ 2

3.2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012

Rb,ser = 22 MPa; Rbt,ser = 1,8 MPa;

so bo

x h

I I

I

−

++

Ared = bh + α(As + A’s)

4 3

20 10

6,15

32, 5 10

a b

E E

ξ

δ λβ

A v bh

αϕ

 

 

 

3.2.2 Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1

Cấp bền của bê tông C25/30 và nhóm cốt thép S400, ta có:

fck = 25 MPa; fyd = 347,8 MPa; fctm = 2,6 MPa

20 10

6, 45

31 10

s e cm

E E

s e

c

E a

6

6 8

1 3 1 5 6 8 5 4 , 2 6 1 0

u c

m m r

6

6 8

3.2.3 Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002

b = 100 cm = 39,27 in; h = 60 cm = 23,62 in; ln = 10 m = 397 in

As = 195 cm2 = 30,23 in2; A’s = 105 cm2 = 20,87 in2

wDc = 50 kN/m = 286 lb/in; wLc = 60 kN/m = 343 lb/in

d = 93 cm = 20,87 in; d’ = 5 cm = 1,97 in

f’c = 22/1,2 MPa = 2,658 ksi; fy = 60 ksi; Es = 29000 ksi

1 4 1 5 8 3 7

0 , 2 5

5 6 2 9 2 9 6

c r a

- Trường hợp chịu tĩnh tải: Ie = 57435 in4

- Trường hợp chịu thêm 50% hoạt tải: Ie = 57608 in4

- Trường hợp tĩnh tải và hoạt tải: Ie = 57642 in4

3.3 NHẬN XÉT TÍNH TOÁN THEO CÁC TIÊU CHUẨN 3.3.1 Quy trình tính toán

a Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012

- Khống chế chiều cao của vùng bê tông chịu nén để tận dụng hết khả năng chịu nén của bê tông và để cho ứng suất cốt thép chịu nén đạt tới trị số Rsc: x ≤ ξR.ho hoặc ξ ≤ ξR hoặc αm ≤ αR =0,5 và x ≥ 2a’

- Diện tích cốt thép chịu kéo lớn hơn rất nhiều so với diện tích cốt thép chịu nén Do đó khi tổng diện tích cốt thép lớn, việc bố trí cốt thép vùng kéo gặp khó khăn để thỏa mãn các điều kiện về cấu tạo

và thi công

- Khi công trình đòi hỏi phải thiết kế kháng chấn A’s > 50%Asthì việc tính toán bố trí cốt thép không kinh tế

b Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1

- Khống chế chiều cao của vùng bê tông chịu nén để tận dụng hết khả năng chịu nén của bê tông và để cho ứng suất cốt thép chịu nén đạt tới trị số fyd: x ≤ 0,45d và a’/x ≤ 0,38

- Diện tích cốt thép chịu kéo và diện tích cốt thép chịu nén chênh lệch nhau không vượt quá 2 lần Do đó khi tổng diện tích cốt thép lớn, việc bố trí cốt thép dễ dàng, thỏa mãn các điều kiện về cấu tạo và thi công

- Khi công trình đòi hỏi phải thiết kế kháng chấn A’s > 50%Asthì việc tính toán bố trí cốt thép sẽ kinh tế

c Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002

- Xem xét điều kiện để cốt thép vùng nén chảy dẻo theo hàm

lượng thép và tỷ số d’/a so với tỷ số d’/a giới hạn để tính toán

- Diện tích cốt thép chịu kéo và diện tích cốt thép chịu nén chênh lệch nhau không vượt quá 2 lần Do đó khi tổng diện tích cốt

thép lớn, việc bố trí cốt thép dễ dàng, thỏa mãn các điều kiện về cấu tạo và thi công

- Khi công trình đòi hỏi phải thiết kế kháng chấn A’s > 50%Asthì việc tính toán bố trí cốt thép sẽ kinh tế

3.3.2 Ảnh hưởng của cốt thép chịu lực trong vùng nén đến

độ võng của dầm

a Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012

- Khi tính toán mômen kháng nứt của dầm có xét đến cốt thép trong mômen kháng uốn

- Ảnh hưởng của cốt thép chịu nén đến độ võng của dầm được xác định dựa trên độ võng của dầm do tác dụng ngắn hạn của toàn bộ tải trọng, độ võng do tác dụng ngắn hạn của tải trọng dài hạn và độ võng do tác dụng dài hạn của tải trọng dài hạn

- Ảnh hưởng của cốt thép chịu nén đến độ võng lớn Khi tăng diện tích cốt thép chịu nén lên bằng 50% diện tích cốt thép chịu kéo

thì độ võng của dầm giảm 27%

b Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1

- Khi tính toán mômen kháng nứt của dầm chỉ dựa trên giá trị cường độ chịu kéo của bê tông fctm và không xét đến cốt thép

- Ảnh hưởng của cốt thép chịu nén đến độ võng của dầm được xác định dựa trên độ võng trung bình do tải trọng và độ võng trung bình do co ngót

- Ảnh hưởng của cốt thép chịu nén đến độ võng không đáng

kể Khi tăng diện tích cốt thép chịu nén lên bằng 50% diện tích cốt thép chịu kéo thì độ võng của dầm giảm 10%

c Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002

- Khi tính toán mômen kháng nứt của dầm chỉ dựa trên giá trị cường độ chịu kéo của bê tông fr và không xét đến cốt thép

- Ảnh hưởng của cốt thép chịu nén đến độ võng của dầm được xác định dựa trên độ võng ban đầu do hoạt tải gây ra trên cấu kiện,

độ võng ban đầu do tĩnh tải gây ra trên cấu kiện và độ võng ban đầu

do hoạt tải tác dụng thực tế gây ra

- Ảnh hưởng của cốt thép chịu nén đến độ võng không đáng

kể Khi tăng diện tích cốt thép chịu nén lên bằng 50% diện tích cốt thép chịu kéo thì độ võng của dầm giảm 15%

- Về khả năng chống nứt của dầm: Chỉ có Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 khi tính toán có xét đến diện tích cốt thép chịu nén

- Về độ võng của dầm: Việc bố trí cốt thép chịu nén làm tăng

độ cứng chống uốn của dầm, do đó làm giảm độ võng, tuy nhiên hiệu quả là không quá lớn so với lượng thép chịu nén phải bố trí

- Trong các ví dụ chưa đề cập đến khả năng chống cắt của cấu kiện vì hầu hết các Tiêu chuẩn thiết kế cho đến nay chưa xét đến ảnh hưởng của cốt thép trong vùng nén

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

- Khi phải giảm chiều cao dầm theo yêu cầu kiến trúc, có thể

bố trí cốt kép để đảm bảo khả năng chịu lực của dầm, tuy nhiên cần lưu ý đến việc kiểm tra điều kiện làm việc của cấu kiện trong giai đoạn sử dụng

- Khi bố trí cốt thép chịu nén cần quan tâm đến điều kiện đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa bê tông vùng nén và cốt thép Trong Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 chưa đề cập cụ thể đến hạn chế hàm lượng cốt thép chịu nén

- Khi xét đến cốt thép đặt trong vùng nén của dầm thì độ cứng chống uốn của dầm được tăng lên và độ võng của dầm sẽ giảm, tuy nhiên hiệu quả là không quá lớn so với lượng thép chịu nén phải bố trí Mức độ ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép chịu nén đến độ võng của dầm theo Tiêu chuẩn Eurocode 1992-1-1 và ACI 318-2002 là không đáng kể

2 Kiến nghị

Nên xem xét giải pháp tăng đồng thời bề rộng của dầm và bố trí cốt thép trong vùng nén để đạt hiệu quả kinh tế cao hơn

3 Hướng phát triển của đề tài

Nghiên cứu về cách tính toán dầm bẹt bê tông cốt thép đặt cốt kép theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Nguyễn Đình Cống (2009), Tính toán thực hành cấu kiện bê

bản Xây dựng, Hà Nội

[2] Nguyễn Trung Hoà (2006), Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode EN

xuất bản Xây dựng, Hà Nội

[3] Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2008),

bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội

[4] Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong (2010), Kết cấu bê tông cốt

học kỹ thuật, Hà Nội

[5] Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 356-2005 (2005), Nhà xuất bản

Xây dựng, Hà Nội

[6] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012: Kết cấu bê tông và bê

tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.

[7] Trần Mạnh Tuân (2009), Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo

Tiếng Anh

[8] EN 1992 Eurocode 2 : Design of concrete structures

[9] ACI 318-2002 : Building code requirement for structural

concrete and commentary