Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Phân tích hệ kết cấu vách - dầm đỡ vách nhà cao tầng bê tông cốt thép

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi: - Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi - Phòng Đảo tạo đại học và Sau đại học

Tên tôi là: Vũ Ngọc Quyền

Học viên cao học lớp: 25XDDD11 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số chuyên ngành: 858.02.01 Mã số học viên: 1781116

Theo Quyết định số /QD-DHTL ngày tháng năm 2018 của Hiệu trưởng Trường Đại học Thủy Lợi về việc phê duyệt danh sách học viên, dé tài luận văn và người hướng dẫn được giao đợt 4 năm 2018 với đề tài “ Phân tích hệ kết cấu vách — dâm đỡ vách nhà cao tang bê tông cốt thép ” dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Anh Dũng và TS Nguyễn Ngọc Thăng Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu

khoa học độc lập của riêng tôi Nội dung trong luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu của các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.

HàNộingày tháng năm 2019

HỌC VIÊN

VŨ NGỌC QUYEN

OLCAM ON

Sau một thời gian nghiên cứu và được sự giúp đỡ, động viên khích

bè đồng nghiệp và người thân học viên đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ với để tài

“Phân tích hệ kết cầu vác dam đỡ vách nhà cao tang bê tong cốt thé theo đúngnội dung của dé cương nghiên cứu đã được Hội đồng Khoa học và Đảo tạo của Khoacông trình phê duyệt

Học viên xin tỏ long kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với các thầy cô giáo Trường Đại học Thủy Lợi, nhất là các cần bộ, giảng viên Khoa Công trình, Phong Đảo tạo và Sau

dải học đã giáp đỡ và tạo điều kiện cho học viên hoàn thành luận văn này Đặc biệthọc viên xin cảm ơn thay giáo hướng dẫn TS Nguyễn Anh Dũng và TS Nguyễn Ngọc.

‘Thing đã trực ip tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tà liệu thông tin khoa học

cần thiết cho luận văn nay.

Hoe viên xin chân thành cảm on đồng nghiệp, đơn vị công tác đã giúp đỡ tôi trong quá

trình học tập va thực hiện Luận văn.

“Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã cỗ gắng và nd lục hết mình song donhững hạn chế về kiến thức, thời gian, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo cho nôn luận.văn không tránh khỏi những thiếu sót Học viên rắt mong nhận được sự đóng góp và tư.vẫn của các thấy cô.

Xin trân trọng cảm ơn/

Hà Nội, ngày 26 tháng 02 năm 2019

HỌC VIÊN

VŨ NGỌC QUYỀN

MỤC LỤC

LOI CAM DOAN i

LOI CAM ON ii

DANH MỤC BANG vi

MO ĐÀU 1 1 Tính cấp thiết của đ tà

2 Lý do nghiên cứu 13 Mặc dich nghiên cứu 1

5, Phương pháp nghiên cứu 2

CHUONG I: TONG QUAN VE KET CẤU NHÀ CAO TANG BTCT, HE KET CAU VACH ~ DÂM ĐỠ VACH

1.1 Phân tích kết cu nhà cao ting bê tông cốt thép chịu lực 1.2 Hệ kết cấu vách dim đỡ vách

13 Khaini‘va công năng dim cao,1.3.1 Khái niệm dim cao.

1.3.2 Công năng của dim cao.

1.4 Một số hình ảnh các dự ấn ứng dụng dim cao (dầm chuyển)

'CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYET TÍNH TOÁN DAM CAO: 10

2.1 Tính toán kết cấu theo tiêu chuẳn ACI 318-2003 10

2.1.1 Phân tích khả năng chịu lực của kết cấu dim cao 10

2.1.2 Lý thuyết tính toán, "2.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo 18

2.2.1 Cơ sở của mô hình chống - ging, cde giả thiết áp dụng Is 2.22 Tinh không duy nhất của mô hình chống giảng sự lựa chon mô hình chống

-ailing hợp lý 202.2.3 Phân vùng ứng suất biến dang của các cầu kiện bê tông cốt thép, 212.2.4 Mô hình giàn ao ( Strut and tie model) 22

'CHƯƠNG 3: UNG DUNG TÍNH TOÁN KET CAU DAM CAO BG VACH 35

3.1 Ví dụ tính toán kết cấu dim cao theo phương pháp kinh nghiệm của ACI 318-02

và phương pháp mô hình giản do.

3.2 Tính toán nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

3.2.1 Mô hình kết cầu bằng phần mém Sap 20003.2.2 Nội lực tính toán,

3.3 Tính toán kết cấu dim chuyên theo phương pháp kinh nghiệm ACI-318-02

35 Ết quả tính toán

inh toán kết cấu dim chuyển theo phương pháp giàn ảo.CHUONG 4: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

DANH MỤC HÌNH ANH

Hình 1 1: Hình ảnh thí công dim cao (dim chuyển) tai Dự ấn Vinhome D"Capital ~

Hình 1 2: Hình ảnh thi công dim cao ( dim chuyển ) tại dự án khách sạn Tây Bắc Đường Võ Nguyên Giáp — TP Đà Nẵng (bxh: 1800x2000mm ) 7

Hình 1 3: Hình ảnh thi công dim cao ( dim chuyển) tại dự án 203 Nguyễn Huy

Tưởng — Thanh Xuân — TP Hà Nội (bxh: 1800x2000mm )nh 2 1: Sự phá hoại do uốn.

Hình 2.iu đồ phân bổ ứng suất"Hình 2.3: Quỹ đạo ứng suất

Hình 2 4: Sơ đồ tính toán khả năng chịu uốn cho dim

2.5: Mặt cit thể hiện cánh tay đồn momen 04)

Hình 3 1: Sơ đồ chịu lực.

Hình 3.2: Sơ đồ chịu lục trong Sap 2000 ( đơn vị KN)

3: Biểu đồ Momen của dim ( đơn vị KNm) 4: Biểu đồ lực cắt của dim ( đơn vị KN).

5: Bằng giá tr nội lự tại mặt ct cách g6i 102m 6: Sơ dé chịu lực của dài

Hình 3.7: Mô hình chồng - ging của dim Hình 3.8: Mô hình chống ~ ging của nữa dim

Hình 3.9: Vịt và lực của ác nú tại B trong mồ hình thứ nhất

Hình 3,10: Vị trí và lực của các nữ lại C rong mô hình thứ nhất

Hình 3 11: Vị tí và lực của các mt tại D trong mô bình thứ nhấtHình 3, 12: Vị tí và lực của các nút tại B trong mô hình thứ hai

3 13: Vị trí và lực của các nút tại C trong mô hình thứ haiHình 3 14: Vị trí và lực của các nút tại D trong mô hình thứ hai

DANH MỤC BANG

Bảng 3 1: Bằng tổm tắt vi tr của các nút trong mô hình thứ nhất 47

Bảng 3, 2 Bang tm tắtkách thước va lực trong các thanh chẳng và ging trong mô

Hình thứ nhất 48

Bang 3 3: Bảng nội lực thanh giản sau điều chỉnh 50 Bảng 3.4: Bảng tóm tt v tí của các nút trong mô hình thử hai 33 Bang 3 5: Bảng t6m tit kích thước va lực trong các thanh chống va giằng trong mô.

tình thứ hái 33Bảng 3 6: Bảng so sánh kết qua tính toán của 2 phương pháp 37

MỞ ĐẦU

1 Tinh cắp thiết ia để

“Trong những năm ngằn đây, với sự mở cửa của nền kính tế đắt nước, kinh tế đắt nước

đđã phát hiển rất nhanh Cùng với sự phát iển v kính tế, tốc độ đồ thị hóa ngày càng cao, các thành phổ lớn dân số tăng lên độ biết vt vậy nhu cầu về nha ở cũng tăng lên đáng kể Dé đáp ứng nhu cầu ăn ở sinh hoạt hàng loạt các chung cư cao tầng và các

trung tâm thương mại đã được mọc lên

Từ những yêu cầu thực tế đó, đồi bởi các kỹ sử xây dựng phải nghiên cứu thiết kế các

công tình có không gian lớn ở các ting bên đưới để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạtcông cộng nh iê thị, bãi để xe, rang tâm thương mại, văn phòng dai điện Các tangtrên,phòng có không gian nhỏ hơn ph hợp với nh cầu về phòng ở hay khách sạnhay căn hộ gia đình

Để đáp ứng được các yêu cầu đó, một trong những giải pháp kết cầu đó là sử dụng kết clu“ dim chuyển "dé đồ các vách cứng hay cột trọng nhà nhiễu ting.

2 Lý do nghiên cứu

“Theo xu hướng ngày nay, các nhà nhiều ting là các công trình phức hợp đáp ứng nhiều

công năng như thương mại và dich vụ ở các tang bên dưới, văn phòng lim việc và các

căn hộ ở các ting bên trên, Để có được không gian kiến trúc như trên, yêu cầu này đôihỏi các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ hơn ở bên trên, giải phápdia ra đồi hỏi phải có một kết sầu chuyển đối gta các ting, chính vì lý do đó chúng

tôi chọn dé tai“ Phân đích kết cấu vách — dim đỡ vách trong nhà cao ting bê tông

Do hiện nay nước ta chưa có tiêu chuẩn hay các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính thức.im cao) BTCT trong các công trinh cao,ting dân dụng Việc tính toán dùng các tiêu chuẩn nước ngoài bằng nhiều các phương

pháp khác nhau Vì vậy dé tài này sẽ tập trung nghiên cứu làm rõ khả năng chịu lực

của dim chuyển (dim cao ) khi chịu tải trọng lớn (khi sử dung dim chuyển để gánh đỡ.

sắc cột vách, và các cột vách này đỡ nhiều ting ở phía trên) từ đồ kiến nghị phương toán và thất kế cho Toi dằm này

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Lầm rõ khi nào sử dụng dim chuyển trong kết cầu BTCT của các nhà cao ting BTCT

Lam rõ khả năng chịu lực của dim cao (lực cắt, moment uốn) từ đó đưa ra phương,

pháp thiết kế và tính toán cho dar

Lầm rõ các vẫn để bổ trí cốt thép chịu moment tốn và chiu cất cho dim cao

5 Phương pháp nghiền cứu

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết (giải tích kết hợp với mô hình bằng.

phương pháp phần tr hữu hạn ) gồm các hướng sau:

~ Mô hình kết edu để tim nội lực bằng phương pháp phần từ hữu hạn trên phần mềmSap 2000.

~ Tính toán kết cu dim cao BTCT theo tiêu chuẫn ACI 318 ~ 2002 cua Hoa Kỳ

~ Tính toán kết cấu dim cao theo mô hit giàn do (Strut and tie Model)

“Tir những phương pháp nu tn, im hiễu nghiên cứu đặc điểm phân bổ ứng suất tiêntiết diện dim và khả năng chịu lực của kết cầu dim cao.

CẤU VAI CH- DAM DO VÁCHTONG QUAN VE KET CẤU NHÀ CAO TANG BTCT, HỆ KET 1.1 Phân tích kết cấu nhà cao tng bê tông cốt thép chịu lực

Khái niệm nhà cao ting:

Theo ủy ban nhà cao ting quốc tổ: "Một công trình được xem là nhà cao tổng nếu

chiều cao của nó quyết định các diều kiện thiết kế thi công hoặc sử dụng khác với nhàthông thường”,

‘Cu thể định nghĩa theo cách khác: "Nhà cao ting là một nhà mà chiều cao của nó ảnh

hưởng đến ý đồ và cách thiết kế" Quy định nhà cao ting một số quốc gia

Quốc gia | SNG Trung Mỹ | Pháp | Anh | Nhật | Đức Viet

Quốc Nam

Nhàở | 10 (lOtng 10 | >50m »2tâm | 11 | Cao | Công tảng | ween ting ting | 23m | tình

tử lên tử lên và | tinh | cao

Công |7tổng 2m Nhà | 328m chu | mặt | trên

trình khác trên cao tir | nỀn | đÔm

2 30m

CCác cấu kiện chịu lực chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao ting bao gồm: Cấu kiện dạng thanh: cột, dim, thanh chồng, thanh giding:

+ Trong nhà cao ting, khi có sự xuất hiện của các khung, tùy theo cách làm vi

sột rong khung mà hệ kết cẫu chịu lực được phân hành các loại sơ đồ: sơ đồ khung:

so đồ ging; và sơ đỗ khung ging

Trong nhà cao ting, sàn của ting, ngoài khả năng chịu uốn do tải trọng thẳng đứng, cũng phải có độ cứng lớn dé khung biển dạng trong một phẳng khi truyền tải rong

ngang vào cột, vách, lõi nên cũng gọi là những sàn cứng.

“Cấu kiện không gian là các vách nhiều cạnh hở hoặc khép kín, tạo thành các hộp bổ tríbên trong nhà, được gọi là lõi cứng Ngoài li cứng bên trong, còn có các dãy cột bổ títheo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành một hệ khung biển dạng tường vay.Tiết điện các cột ngoài biên có t lạ, Khi là những cột rổng hình hộp

Ầđặc hoặc

vuông hoặc hình tròn sẽ tạo nên hệ kết cầu được gọi là ng trong

Phụ thuộc vào các giải pháp kiến trúc, từ 3 thành phần kết cầu chính (edu kiện dang

thanh, tim, không gian) có th liên kết tạo thành 2 nhóm kết cấu chị lực

+ Nhóm 1: Gồm 1 cấu kiện chịu lực độc lập ~ khung, tưởng, vách, lõi hộp tổng);+ Nhóm 2: Hệ chịu lực được tổ hợp từ 2 hoặc 3 cấu kiện cơ bản trổ lên:

ấu: KHUNG + VACH: ấu: KHUNG + LOL

Kết cấu KHUNG + VÁCH + LOL v.v 1.2 Hệ kết cấu vách, dằm đỡ vách

ấu vách chịu lực là một hệ thống vách vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang, đồng

thời làm cả nhiệm vụ vách ngăn các phòng.

Vách cứng (BT) trong nhà cao ting phải bổ tr suốt từ móng đến mái, phải đồng

trục: veh cứng có khả năng chịu lực cắt và chịu tốn tốt

Hệ kết cấu này là tổ hợp các vách phẳng bổ trí theo hai phương Hạn chế việ bổ tí nhổ cáp vách cứng tập trung ở trọng tâm nhà do khả năng chống xoắn kém, tốt nhất

trí các vách cứng đọc theo chu vi nhà vì nhà có khả năng chống xoắn tốt hơn và chịu

tải cả hai phương,

"Vách cứng liên tục không kho:191 là vách đặc Phin lớn vách bị khcác cửa đi và cửa sổ,

+ Kết cầu vách cổng dé tai chỗ có tính liên khối tố, độ cứng theo phương ngang Kin, kết hợp với bản sàn tạo thành kết cắu hộp nhiều ngăn có khả năng chịu tải lớn, đặc biệt

là khả năng chịu tải ngang (tải động đáo.

+ Loại kết cấu này có khoảng không gian nhỏ nên chỉ phù hợp với các công trình nhàở

++ Kết cấu này có trọng lượng bản thân lớn, độ cứng lớn làm tăng tải trọng động đất Kết cấu vách cứng được xem như là một tắm phẳng chỉ chịu lực trong mặt phẳng ban thân, không chị lực ngoài mặt phẳng đó, do đó cần phải bổ tr vách cứng theo cả hai

vách cứng phía trên Loại kết cấu này tạo không gian lớn và có khả năng chống tải sấu khung không ian lớn ting dưới đỡ vách cứng: Dùng dim khung lớn đỡ

ngang lớn,

13 Khiliệm và công năng dầm cao3.1 Khái niệm dim cao

t diện

Dam cao ( dim chuyển) BTCT là một loại dằm thường có độ cứng vị nh

học tương đổi lớn (tỷ lệ chiều đài trên chiễu cao phải nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 đối với

nhịp liên tục và 2 đối với nhịp đơn), có tác dung thay đổi rạng thái làm việc của hệ kết

sấu từ hệ dim cột chị lực sang hệ dim vách chịu lực hoặc hệ dim cột nhưng với số

lượng cột phải trên dim nhiễu hơn số lượng cột phía dưới dim 1.32 Công năng của dim cao

'Công năng của dim cao ( dim chuyển) là gánh đỡ toàn bộ tai trọng kết cấu bên trên nó

rồi phân b6 xuống từng chân cột bên dưới Chính vì vậy dam cao ( dầm chuyền) phải

nhận một lượng tai trong rit lớn nên chúng thường có kích thước và độ cứng lớn hơn.

so với dim truyền thông

Ngoài khả năng chống lại moment uốn trực tiếp do tả trọng lớn bên tr 1, dim cao ( dằm chuyển) còn có khả năng chống cắt lớn hơn nhiễu so với dim truyền thống vì ảnh hướng bởi tế điện lớn của dim

“Trong kiến trúc nhà ao ting dim cao (dim chuyển) được lựa chọn nhiễu vì khả năng

XVượt nhịp lớn và khả năng thay đối kiến trúc một cách ink hoạt

L4 Mộtsốhìnhảnh các dy in ứng dụng dim cao ( dầm chuyển)

Hình 1 2: Hình ảnh thi công dầm cao (dim chuyển ) tại đế án khách sạn Tây

"ắc ~ Đường Võ Nguyên Giáp ~ TP Đà Nẵng (bah: 1800x200 }

Hinh 1.3: Hình ảnh tỉ công dim cao ( dim chuyển) ại dự án 203 Nguyễn Huy Tưởng ~ Thanh Xuân ~ TP Hà Nội (bx: 1800%2000mm )

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAM CAO 2.1 Tĩnh toán kết chu theo tiêu chuẩn ACK 318-2002

2.1 Phân tích khả năng chịu lực của kết cấu dim cao

Đối với các dim BTCT thông thường đều dựa trên lý thuyết đản hii va sử dụng các giả thiết vật ig là đồng chất và đẳng hướng Nhưng điều đồ trở nên không hợp lý đối với kết cầu bê tông đặc biệt như dim cao (dim chuyển) sau kh xuất hiện các vết nứt, những kết quả thu được đã làm rõ sự khác biệt sự làm vige của dằm thông thưởng và dầm cao (dim chuyển) C6 thể thấy rằng sự phân bổ ứng suit trên tết diện và khả năng chịu lực của loại dm này khác so với dim thông thường

lêu chuẩn ACI-318 theo quy phạm Hoa Kỳ đã nêu rõ tác động của dim cao (ddim

chuyển) phải được xét đến trong tường hợp Vd < 2.5 đối với các nhịp liên tục hoặc 2

lồi với các nhịp đơn do có sự phụ thuộc và tác động lẫn nhau của ứng suất pháp theo

phương dọc dim và theo phương thẳng đứng cũng như ảnh hướng của ứng suất tiếp do

ấy những đặc điểm quan trong sau đây của sự phân bố ứng,

suất trong dim cao (dim chuyển)

+ Các giả thết tiết điện phẳng cho dim không thôn mãn đổi với dim cao (dimchuyển)

++ Có một vùng chịu ứng suất lớn tại vịt gỗ tựa và đặc biệt à ở mặt gối tra

+ Biển dang đọc do lực cắt gây ra trong dim chuyền (dầm cao) là lớn hơn nhiều so với biển dang uén, do đó đóng vai tr nhiều hơn so với tổng biển dang.

+ Dằm cao (đầm chuyển) thường có vết nứt xuất hiện khá sớm, thông thường khe nứt xuất hiện theo phương của ứng suất nén chính, tức à vuông góc với phương cia ứng

suất kếo Trong nhiều trường hợp, khe nút xuất hiện thẳng đứng hoặc nghiêng khi dimbị phá hoại đo lực

2.1.2 Lý thuyết tính toám

Dang phá hoại thực t trong dim cao (dầm chuyển) BTCT ngoài việc phụ thuộc vào

kích thước dim, số giữa chiều đi nhịp và chigu cao dim, cách đặt lực tác dụng mà

cn phụ thuộc vào số lượng và cách bổ tr cốt thép tong dim Có 2 dạng phá hoại chính được xác định gồm : Phá hoại do uốn và phá hoại do lực cắt.

2.12.1 Phá hoại do uốn

Pha hoại do uốn của dim cao (dim chuyển) BTCT là dạng phá hoại dẻo, sự phát triển ce vất nứt theo chiễu dọc xuất phát tr bụng dim và dẫn lên pha trên, cùng với sự gia

tăng tai trong, sự phá hoại thông thường xảy ra do cốt thép bị kéo đứt hoặc bị chảyđế him trường hợp bê tong vùng nén bị phá hoại

“Tải wong phân

)Sự phân bố ứng suất trên tiết diện dam

Quy phạm ACI 318-02 chỉ ra rằng dim cao (dim chuyển) BTCT làm việc hoàn toàn.

khác với dim BTCT thông thường Trong giai đoạn din hồi ứng suất heo phương

ngang trong bê tông tại các tiết điện phân bồ theo quy luật phi tuyển khá phúc tạp

PF tng

Biểu dé phân bổ ứng suất của dém chuyển (dam cao)

Hinh 2, 2: Biểu đỗ phân bổ ứng suất

Hình 22 cho thấy sự phân bổ ứng suất do uốn tạ tiết điện giữa nhịp so sánh với sự phân bỗ ứng suất tuyển tính, ta thấy trục trung hoa được hạ thấp xuống, ứng suất chịu kéo ở mép biên lớn hơn nhiễu so với mép in chịu nén

>

“rong hình 2.3 các đường nết đứt là quỹ đạo ứng suất nén song song với hướng của ứng suất nén chính và các đường nét iễn à quỹ đạo ứng suất kéo song song với các

ứng suất kéo chính Các vết nút dự báo xuất hiện vuông góc với các đường nết liền,tức a xuất hiện theo phương của ứng suất nén chính Trong một số trường hợp khe nút

cũng có thể xuất hiện thing đứng hoặc nghiêng khi dim bj phá hoại do cắt

Cũng từ hình vẽ töên nhận thấy rằng quỹ đạo ứng suất kéo và ứng suất nén dây hơn ti

ối biên của dam, tức là phản ánh sự tập trung ứng suất nén tại gối dim.

Hình 2.4: Sơ đồ tinh toán khả năng chịu tắn cho dém

~ Khả năng chịu lực của dim cao (dầm chuyên) được xác định theo công thức sau:M"000

= Cốt thép chịu uến được tinh như sau:

“Trong đó;

+ Mo: Khả năng chịu uén của cầu kiện

+ Ac: Diện tích cốt thép chịu uốn

B

4+): Cường độ chịu kéo của cốt thép

+ Pes Cường độ chịu nến của bê tông ++ Ava Hàm lượng cốt thep tố thiện

+ Ju: Cảnh tay đòn của m6 men nội lực, được tính toán như sau:

Hình 2.5: Mặt cắt th hiện cánh tay dn momen (i) + Đối với dim cao (dim chuyển) nhịp đơn

h: chiều cao của dầm.

+ Thép đọc tính toán được bổ tr ở phần dưới của dim trong phạm vi từ chibu cao đầy

dầm đến một khoảng bằng : y= 0.25h - 0.051 < 02h

2.1.2.2 Phá hoại do lực cắt

Ứng sud ct rong dim cao (dim chuyển) có ÿ nghĩa rit kim đối với trạng thi ứng suất nên không được bỏ qua như trong dim chịu uốn thuần túy Biểu đồ ứng suất trong bê

tông vùng chịu nên không còn như giả thiết vẫn hay sử dụng nữa, ngay cả trong trang

thái đàn hồi Khi đạt trạng thái giới hạn, biểu đồ ứng suất không còn theo dang parabol như các dim thông thường nữa

.a.)Sự hình thành vất nứt

Đối với dim cao (dim chuyển) các gối tựa trực tgp chịu tác dụng của tả trọng phía trên thì sự phá hoại bắt đầu kh ti trong tăng từ 0.6 tối 09 tải trọng cực hạn, Bắt đầu bằng một vét nứt xiên nằm trực tiếp doc theo đường nổi của điểm đặt lực với vị trí mặt

gối tựa, vết nứt mở rộng ban đầu vào khoảng 1/3 chiều cao dam.

Khả ning chịu lục cắt được tăng lên và sự phát tiễn của các vét nứt sẽ phụ thuộc vào số lượng, cách bố trí và sự làm việc của các thanh cốt thép.

Theo hình 2.6 vết nút phát triển từ vịt đặ lực (phía n của dim) đến gối tựa (phía

ra lâm đối, đây là sự phá hoại đặc trưng do lực cắt tác dụng lên

cdưới dằm) sẽ tách di dầm.

Đối với độ bền chịu cắt của dim chuyển, khả năng chịu cắt có thể lớn hơn 2 đến 3 lần So Với Khi năng chịu cắt xác định theo phương pháp tình toán như với dim thông thưởng Đối với dim thông thường, cơ chế truyễn lực cắt thông qua bê tông vùng nón, cốt thép dọc, mặt g6 gề của cốt liệu trong vết nứt chéo và lực kéo trong cốt thép chịu cắt Tuy nhiên đối với dim có chiều cao lớn, phần lớn tai trọng được truyền trực tiếp từ

điểm đặt lực đến gối tựa

CCốt thép tong dim có chiễu cao it diện lớn có si khác biệt so với dim thông thưởng CCốt thép chịu kéo As bổ trí theo yêu cầu chịu moment uốn nim sắt với mép chịu kéo

(mmép dưới dim, vùng kếo cin dim và vùng đại cốt thép chịu kếo có thé nằm rong

khoảng 1/3 chiều cao phía dưới của dim

Ứng suất chính trong đầm khi xảy ra vết nứt chéo hướng dốc đứng hơn 45", do đó cốt

thép dai thing đứng Av di qua đường nứt chéo không nhi, ít cổ hiệu quả sơ với ctthép ngàng Avs Các thanh thép ngang không chỉ có tác dụng theo hướng vuông góc

ối vết nứt chéo mà còn truyền lự cắt tốt hơn lên mặt cốt iệu gỗ ghễ tại vt nứt chéo Tinh toán khả năng chịu lực cất của đằm

Dim cao có t số a/d < 2.5 và lựd < 5 thường có khả năng chịu lực cắt tt hơn dim thông thường, do đó khả năng chịu lực cắt Ve của dim cao cũng tăng lên Các biểu.

thức tính toán thép chịu cắt theo tiêu chuẩn ACI-318 sẽ được trình bay như sau

Khoảng cách x từ gối tựa đến mặt cắt bị phá hoại doc lực cắt đối với dim cao đượctính theo công thức sau

Đối với dim chịu tải trọng phân bổ đều: x=0.15l, Đối với dim chịu tải trọng tập trung: x:

“Trong đó;

++: Khoảng cách từ gối tựa tới lực tập trung

Trong các trường hợp trên x không được vượt qu chiều cao hữu hiệu đ của dim.

Lực cắt do ngoại lự tác dụng phải thỏa mãn các điều kiện sau + Đối với dim có ty số b/d <2 thi Vụ < O(SVFE bud)

+ Đối với dim có t số 2 < lựd< 5 thi Vu < Of *(10+7)* VFE bud]

Nếu không thỏa man các điều kiện trên thì phải mở rộng tiết điện Hệ số giảm trong trường hợp này lẤy bằng 075

Kha năng chịu cắt của bê tông Ve được tính theo công thức sau:

Ven 5.2.5* M4 96VTE2500° pata) buhd < 6*Vfetb,*d “Trong dé đại lượng trong ngoặc có giá tr giới hạn 1 <3.5-2.5* M4 < 2.5

Trong đó các hệ số cụ thẻ như sau:

©: Hệ số giảm độ bên

Mu: Moment do ngoại lực tác dụng,Vu: Lực cắt do ngoại lực tác dung

.d: Chiều cao tính toán của tiết diện dim ‘bw: Bé rộng dim

Pw: Trọng lượng riêng của bé tông

“Trong thiết kế có thể ding công thức đơn giản hơn để tính toán Khả năng chịu lực của

bê tông VeVFerbtd

Khi lực ct do ngoại lực tác đụng Ve vượt qua khả năng chịu cất cia bE tông O*V thép chịu cắt cin phải tính toán để thỏa man phương trình cân bằng: Vụ < Ø*(V;+V,), khả năng chịu lực của cốtthép được tinh theo công thức sau:

1

Vy +

Trong đó:

'V,: Khả năng chịu lực của cốt thép chịu cắt

Av Tổng điện ích ct thép theo phương đứng

Ans: Tổng diện tch cốt thếp theo phương ngang:

Sv: Bước cốt thép theo phương đứng

Swi: Bước cốt thép theo phương ngang

‘Tir biểu thức Vụ < Ø*(V,+V,), ta biển đổi công thức trên thành:

Khoảng ích lớn nhất S,.S,< Ÿ hoặc S,< 45m (im) (chọn giá tị nhỏ hơn) Khoảng cách lớn nhất Sy: S.a< Š hoặc Sv< 45cm (18in) (chon giá trị nhỏ hơn)

+ Diện tích thép nhỏ nhất Av: As0.0015bs,

+ Điện ích thế tp nhỏ nhất A70 0025bs, 2.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo.

2.2.1 Cơ sở của mô hình chỗng - gi

Phương pháp tính toán thiết ké kết cấu bê tôicốt thép theo mô hình chống ~ giảng.

dựa sân dưới (cồn gợi là định lý cân bằng ) cũ lý thuy do Dinh lýnày được phát biểu như sau: * Nếu tm được trong kết cấu một trạng thi ứng suất cân

"bằng với tải trọng ngoài và ứng suất tại mọi điểm trong kết cấu nhỏ hon hoặc bằng giới

hạn chày của vật liệu thì kết cấu sẽ không bị phá hoại hoặc ở giới hạn phá hoại” Vìkết cấu có thể chịu được tải trong ngoài này, nên người ta nối tải trọng là cận dưới củakhả năng chịu lực

“Trong mô hình chống - ging các lung nội lực được lý trởng hóa thành một chống —

sing to bởi các thanh cl ng bê tông chịu nén và các thành giẳng cốt thép chịu kéo.

Lúc này định lý cận dưới của lý thuyết déo có t được hiểu như sau: " Khi chống —

giảng thỏa mãn kiện cân bằng dưới tác dụng của ngoại lực và ứng suắt trong thanh giẳng không vượt quá giới hạn chảy fy, ứng suất rong thanh chồng không vượt

‘qua cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông fo, thi kết cấu không bị phá hoại dưới tác

‘dng của hệ ngoại lực đó"

Để có thể mô hình hóa kết cấu thành mô. inh chống - ging chịu lực và áp dụng lý

thuyết déo, cần đựa vào các giả thuyết sau đây:

+ Bê tông chịu toàn bộ lực nén và là vật liệu dẻo lý tưởng có cường độ chịu nến hiệuqua f;£ vs (1 là cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông, v là hệ số hiệu quả của bêtông)

+ Cất thép là vật liệu dẻo lý tưởng có.kéo

giới hạn chảy là f, và phải chịu tất cả các lực

+ Trục của các thanh chống, thanh giẳng và đường tác dụng của các ngoại lực phảigiao nhau tại các nút.

+ Giàn sẽ bj phá hoại khi một thanh chồng hoặc vùng nút bị nén vỡ hoặc một số thanh giằng chịu kéo bị chảy di bình thành nên co cấu.

Ngoài ra khi cấu tạo, cần phải đảm bảo thép thanh giẳng được neo đủ, bê tông tạigối đỡ và các vùng chịu lực tập trung không bị phá hoại do ép mặt.

Mặc dù định lý cận dưới chat chếmặt toán học, nhưng rõ rằng nếu ta tim được một

hệ giàn truyền lực trong kết cấu được xế là cận dud của khả năng chịu lực thực sự.

thì vẫn có thể còn có các hệ đường truydn lực khác truyền được tải trọng lớn hơn.

Nhiệm vụ của người thiết kế à phải tìm được í nhất một hệ giàn truyễn lực hợp lý và

‘dam bảo ring độ lớn của các luồng nội lực nằm trong giới hạn chảy.

19

2.2.2 Tính không duy nhất của mô hình chẳng ~ ging, sự lựu chon mô hình chẳng

+ ging hop lý

Là một trường ứng suất có thể chấp nhận được về mặt tỉnh học, mô hình chống giảng

.được cân bằng dutác dụng của ngoại lục cũng như thỏa mãn điều kiện cân bằng tạicác nit, Ngoài ra, cốt thép được chọn để đảm bảo điều kiện làm việc của thanh gỉi.

chiều rộng hiệu quả của mỗi thanh chẳng, hình dang kích thước của vũng nút được xác

định đảm bảo về cường độ Do vậy mô hình chống giằng chỉ cần đáp ứng được điều Kiện cân bằng và các tiêu chuẩn về chảy để có thé được chấp nhận Mô hình chống ~

giằng đựa rên lý thuyết đèo, không có ràng buộc về điều kiện tương thích về biếndạng

vi f yêu cầu được giám nhẹ như vậy có thé có nhiễu mô hình chống ging cho bài toán cụ thể, Nồi cách khác, có nhiễu mô hình được chip nhận cho mỗi trường hợp ải trọng Với điều kiện chúng phải thỏa mãn diều kiện cân bằng dưới tác dụng của ngoại lực và ứng suit trong các thanh chống, ging và nút nằm trong giới hạn cho phép

Định lý cận dưới đảm bảo khả năng chịu ti của một kết sấu tỉnh được từ trường ứngsuất có thể chấp nhận được được về mặt tĩnh học sẽ nhỏ hơn hoặc bằng khả năng chịu

tải thực sự của nó Tuy nhiên do tính tằm ( để nến ) bị giưới hạn của kết cầu bê tông

cốt thép, chỉ có ít lời giải cổ thể áp dụng được cho một bài toán cụ thể,

ất kế

Việc lựa chọn mô hình chống ging hợp lý có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tl

kết cấu bề tông cốt thép theo phương pháp chẳng giẳng Mô hình chẳng giing hợp lý Tà mô hình phản ánh đúng các luỗng nội lực trọng kết cầu do tai trọng ngoài gây ra Do vay việc đầu tiên khi lưu chọn mô hình chống ging là phải hình dung ra các luỗng nội lực trong kết cấu, sau đó mô hình hóa các lường nội lực này thành một giàn lý tưởng zim các thanh chống chịu nến và hanh ging chịu kéo thỏa mãn điều kiện cân bằng

“Trong bắt kỳ trường hợp nào cũng có thé được chọn nhiễu mô hình giàn thỏa mãn điều

kiện cân bằng Việc lựa chọn được mô hình chống - giằng hợp lý đòi hỏi người thiết kế phải có kinh ni chống - ging được lựa chọn khác nhiễu với trường ứng suất đàn hồi, kết cấu sẽ không đủ déo để phân phối nội lực do vậy giàn có thể bị

ìm Nếu mô.

phá hoại sớm,

2.2.3 Phân vùng ứng suất biến dang của các cấu kiện bê tông cốt tháp.

“Thông thường, trong quá tình tính toán thiết kế, các cầu kiện bê tông cốt thép được

phân loại thành các dạng cơ bản như cột thanh dim, bản và hệ kết cầu khung, dần,«theo các đặc điểm chịu lực và hình thức kết cầu của chúng.

Đối với từng cấu kiện cụ thể thì trạng thái ứng suất, biển dạng của các tết diện cũng thay đổi tùy theo vị trí và phương thức chịu tải Tùy theo tỷ lệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao, dim bê tông cốt thép chịu uỗn có thé phân chia thành các vùng ứng suit B và D như sau

() Ving B (Beam) là các vùng có trang thái ứng suất tuân theo các giá thiết của dim

về tiết điện chịu uốn, chủ yếu phần giữa nhịp chịu tác dụng của moment uốn, lực cắt

nhỏ hoặc bằng không, Tại các vùng này vẫn có thể tính toán thiết kế như với cấu kiện chịu uốn theo các iêu chuẩn tính toán kết cầu bê tông cốt thép hiện hành,

(+) Vùng D (Discontinuity zone) là vùng có trạng thái ứng suất phức tạp, thường xuất

hiện tai các vùng mỗi nối, thay đổi

các liên kết gối tựa và điểm đặt lực tập trung tên cau kiện Các vai cột, các mo đỡ và diện đột ngột, c lỗ khost, gắp khúc hoặc tại

công xôn ngắn cũng thuộc các dang

» 5 B i

» ss 8 Bs

BT

chiều cao cấu kiện về: “Thông thường người ta giá thiết vùng D kéo dài khoảng một lễ

mỗi phía từ điểm đặc tải trọng tập trung của các phản lực gối hoặc các vùng có mặt cắt hay hưởng thay đổi đột ngột Theo kính nghiệm thực t vũng D được xác định

theo các kích thước hình học và điều kiện chịu lực như sau.

tình 2.8: Các vàng không tien ục về hink học va liên ye về hình học2.2.4 Mô hình giàn do (Strut and tie model)

Mô hình giàn ảo đã được nhiều tác giả nghiên cứu từ những năm 1920, Một

trong những ưu điểm của mô hình này là thể hiện được nhũng bộ phận chịu lực nókéo chủ yêu của kết cầu và người thiết kế có thể hình dung ra một cách cụ thể cơ cầu

chịu lực của sơ đồ đùng trong tinh toán Các bộ phận chịu nén được thể hiện bing những thanh chống, khu vực chịu kéo được thay bằng các thanh ging và các mỗi nổi

của thanh đó sẽ được xem là vùng nút của giàn áo Hình 2,10 cho tl y các thành chống và ging được sử dụng để ạo nên một hệ iần tong cầu kiện dằm bê tông cốt thép có tỷ lệ chiều cao lớn Tải trọng tập trung tắc dung trí dim sẽ gây ra các biển đổi trường.

ứng suất tại khu vực đặt lực và gối tựa và cũng lạo ra các ving D như đã nổi trên,“Theo các quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép gần đây, các ving D như rên sẽ.được tính toán riêng biệt

Với các dim di ít ảnh hưởng các vùng D không liên tụ, có thể sử dụng mô

hình giàn ảo cho các vùng B với các thanh kéo ngang theo phương cốt thép dọc và

thanh đúng cho cốt ai, các thanh chống nằm ngang ở ving bé tông chịu nền và các thanh chống chéo góc trong các 6 giàn tạo ra bởi các thanh chịu kéo Phương của các

góc nghiêng ứng suất nén chính trong thanh nén thay đổi từ 18° đến 65°, Trên cơ 86.

sắc lực xác định được từ mô hình giàn sẽ tiến hành kiểm tr ứng ví trong bê tông và

cốt thép, đặc biệt là các cùng neo thép dọc chịu lực.

“Trên cơ sở các nghiên cứu vé luồng ứng suất hay quỹ đạo ứng suit chính nền và

kéo trong các vùng D, người ta giả thiết hình thành các vùng chịu nén và chịu kéo với.thanh

co cấu hình thành các cột chống và cc thanh ging Cơ cầu hoạt động của

này giống như hệ giàn phẳng hoặc giàn không gian hình thành bên trong các cấu kiện

"bê tông cốt thép.

Hình 2 9: Mô hình giàm áo nhịp don giản trong dam chuyển

Để lựa chọn mô hình cho các vùng D, bước đầu tiên của việc tính toán là phác

hoạ phương các quỹ đạo ứng sut chính trong cầu kiện bê tông ct thép Điễu này cần 6 kinh nghiệm trong quá trình lựa chọn mô hình cho một edu kiện cu th Với một ign có thể có nhiễu mô hình khác nhau được lựa chọn để tính toán và sẽ cho các, quả khác nhau Có thể dựa vào kết quả tính toán din hồi (phần từ hữu hạn Sap

3

2000) để đề xuất mô hình hop lý nhưng cần chú ý rằng trường ứng suất sẽ thay đổi khi

khe nứt xuất hiện trong bê tông cốt thép.

2.2.4.1 Các bộ phận cơ bản cầu thành mô hình giàn do

4.)Céc thanh chẳng chịu nén

“rong m6 hình thanh chống và thanh ging, các thanh chống trơng ứng với trường ứng suất nén của bé tông theo hướng của thanh chống Các (hanh chống được

lý tưởng hoá có dạng như lãng trụ hoặc các cấu kiện thon đều nhưng thường thay đổimặt cắt

ông ở đoạn giữa chiễu dồi thanh chống ngang dọc theo chiều đài của nó,

rộng hon so với ở hai đầu Đôi khi là thành dạng hình chai hoặc các mồ hình dang cục

bộ, é là nguy

thanh chịu kéo bi nứt theo chiều dọc Nếu thanh chống không có cốt thép ngang, nó có

nhân làm chotrải rộng các lục nén làm tăng lực kéo ngàng, có

thể bị hư hỏng sau khi sự hình thành vết nứt này xây ra Trong các mô hình giàn ảo, các thanh chống được th hiện bằng các đường đt nét dọc theo trục của các thanh chống.

+ @

Hình 2.10: Các thanh chẳng chiu nến ảo

b)Các thanh sing kéo

Bộ phận cấu thành chính thứ ai của mô hình giàn ảo là thanh chịu kéo Thanh chống

này tương đương với một hoặc một vài cốt thép đặt cùng hướng được thiết kế với A.fy> Ty trong đó Ty = Ty là lực do thanh kéo khẩng lại

CCác thánh giằng chịu kéo có thé bị phá hong do không có neo giảng ở diu, Sự nco

giằng của các thanh chịu kếo tong các vùng nứt là một phần quan trọng của việc tính

toán thết kế vùng D sử dụng mô h giàn ảo Các thanh chịu kéo được thể hiện bằng

các đường liễn nt rong các mô hình giàn áo.

“Các cùng nút

Cée mối nối trong mô ình thanh chống còn được hiểu như là cácủng nút Ba hoặc

nhiễu lực gặp nhau tại một nit Các lực gặp nhau tại một nút phải cân bằng có nghĩa là Ÿ.Fx =0, ŸFy=0 và EM = 0 đối với điểm nút Điều kiện thứ ba nghĩa là các đường

tác dung lực phải di qua một điểm chung hoặc có thé phân tích được thành các lực màchúng tác dụng qua một điểm chung.

c Nat dang 6-0-7

Not dang 0-C-¢

Not dang C-T-T

Hinh 2.11: Mô tả các loại mit trong mô hình giàn do C là lực mit chịu ném

(compression) là lực mút chụt kéo (tension).

35

Ba cách thông thường của việc trình bay vùng nút được minh hoạ trong các hình 2.17.

Cée vùng chịu lực của nút được xác định theo các trục của các thanh chịu nén và chịu

kkéo Các khu vực này gọi là các nút "thuỷ tinh”.

weer

wees 5

Hình 2 13: Các vùng nút trong phần giao nhau của các ed ki.

2.24.2 Các dang phá hoại của mô hình giàn ảo

Mộ giàn cân bằng chịu tải trọng có thé bị phá hoại theo các cách sau: + Do nền vỡ thanh chồng chịu nén.

+ Do nến vỡ nút

+ Do chảy cối thép chịu kéo dẫn đến hình thành cơ cầu

Ci ba kiểu phá hoại chính trên đây đã được quan sát qua thí nghiệm Nên thiết ké kết

cfu sao cho trường hợp phá hoại do chảy déo cốt thép chịu kéo dim ra trước để tránh

phải có biện pháp đảm bảo kết

ci không bị phá hỏng do các nguyên nhân phụ sau đây: Vỡ b tông do ép mặt, neo

trường hợp phá hoi đột ngột Ngoài ra kh thế ki

thép giding không đủ và thanh chống bị nứt dọc do ứng suất kéo ngang, 2.2.4.3 Các bước chung để thành lập mô hình giần áo

Mục đích chung của các bước này là xác định đầy đủ các điều kiện biên của những

vùng được mô hình hoá Ta có thể Lim như sau :

Bước 1: Xác định kích thước hình học, tải trong, điề

“Chú ý rằng có thể giả th

ối của toàn bộ

một vài tham số chưa biết như các kích thước thiết kế, các Xích thước này sẽ được kiểm tra thêm sau này và nếu cin thiết sẽ được hiệu chính sau

+