Tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước theo tiêu chuẩn ACI 318 2011 và tiêu chuẩn TCVN 5574 2012 (tt)

LỜI CẢM ƠN Sau quá trình nghiên cứu và học tập tại trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, dưới sự giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, ban chủ nhiệm khoa sau dại học, sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGÔ THÚY CHUNG

TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC THEO TIÊU CHUẨN ACI 318-2011 VÀ

TIÊU CHUẨN TCVN 5574-2012

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGÔ THÚY CHUNG KHÓA: 2015 –2017

TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC THEO TIÊU CHUẨN ACI 318-2011 VÀ TIÊU

CHUẨN TCVN 5574-2012

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số:60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG

Hà Nội –2017

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình nghiên cứu và học tập tại trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, dưới sự giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, ban chủ nhiệm khoa sau dại học, sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành bản luận văn

tốt nghiệp với đề tài “Tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất

trước theo tiêu chuẩn ACI 318-2011 và tiêu chuẩn TCVN 5574 -2012”

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong ban lãnh đạo nhà trường, lãnh đạo khoa Sau đại học, tập thể các thầy cô giáo, cán bộ công nhân viên của trường Đại học Kiến trúc Hà Nội và các đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu

Đặc biệt tôi xin cảm ơn thầy giáo, GS TS Nguyễn Tiến Chương đã tận tình

hướng dẫn, chỉ bảo để tôi hoàn thành luận văn này

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

Ngô Thúy Chung

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 

Lời cam đoan 

Mục lục 

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 

Danh mục các bảng, biểu

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài 1  

 Mục đích nghiên cứu 1  

 đối tượng và phạm vi nghiêm cứu 2  

 Phương pháp nghiên cứu 2  

 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

NỘI DUNG  CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC VÀ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 3  

1.1 Tổng quan về bê tông cốt thép ứng suất trước 3 

1.1.1 Đại cương về bê tông cốt thép ứng suất trước 3 

1.1.2 Ưu điểm của bê tông cốt thép ứng suất trước 4 

1.1.3 Phân loại bê tông cốt thép ứng suất trước 4 

1.1.4 Những yêu cầu cơ bản về tính toán cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước 6 

1.1.5 Các phương pháp tính theo ứng suất cho phép 7 

2.1 Dầm bê tông cốt thép ứng suất trước và ảnh hưởng của lực dọc tới khả

năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép 12 

3.1 Một số mô hình tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt thép ứng suất trước 14 

3.1.1 Tổng quan về các mô hình tính toán 14 

3.1.2 Mô hình giàn với thanh xiên góc 45 15 

3.1.3 Mô hình giàn với góc nghiêng thay đổi 18 

3.1.4 Mô hình miền nén 19 

3.1.5 Mô hình thanh chống - giằng 27 

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG THEO TCVN 5574-2012 VÀ ACI 318-2011 29  

2.1 Tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 29 

2.1.1 Tính toán cường độ theo các dải nén xiên 29 

2.1.2 Tính toán tiết diện nghiêng theo lực cắt 30

2.1.3 Tính toán tiết diện nghiêng chịu mô men uốn……… 41

2.2 Tính toán theo tiêu chuẩn ACI 318-2011 45 

2.2.1 Cường độ chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước 45 

2.2.2 Thiết kế cốt thép đai 48 

2.3 Một số nhận xét đánh giá về các tiêu chuẩn tính toán, điều kiện áp dụng 49 

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 57  

3.1 VÍ DỤ 1 57 

3.1.1 Tiêu chuẩn TCVN 5574 - 2012 58 

3.1.2 Tiêu chuẩn ACI 318-2011: 60 

3.2 VÍ DỤ 2 63

3.2.1 Tiêu chuẩn TCVN 5574 - 2012 58 

3.2.2 Tiêu chuẩn ACI 318-2011: 60 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

Kết luận 63 

Kiến nghị 63 

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 Chữ viết

Q Lực cắt

Q b Lực cắt do bê tông chịu

Q sw Lực cắt do cốt thép đai chịu

Q s.inc Lực cắt do cốt thép xiên chịu

Q max Lực cắt lớn nhất ở mép gối

R b Cường độ chịu nén tính toán của bê tông

R bt Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông

R sw Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ngang

R sc Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép

E b Mô đun đàn hồi của bê tông

E s Mô đun đàn hồi của cốt thép

b Chiều rộng tiết diện chữ nhật

h Chiều cao của tiết diện chữ nhật

a, a' Khoảng cách từ hợp lực trong cốt thép tương ứng với S và S'

đến biên gần nhất của tiết diện

h 0 , h' 0 Chiều cao làm việc của tiết diện

x Chiều cao vùng bê tông chịu nén

 Chiều cao tương đối của vùng bê tông chịu nén, bằng x/h 0

s Khoảng cách cốt thép đai theo chiều dài cấu kiện

i Bán kính quán tính của tiết diện ngang của cấu kiện đối với

trọng tâm tiết diện

d Đường kính danh nghĩa của thanh cốt thép

A s , A' s Là diện tích tiết diện của cốt thép chịu kéo và chịu nén

A s,inc Diện tích tiết diện của thanh cốt thép xiên

A sw Diện tích tiết diện ngang của một lớp cốt đai

 Hàm lượng cốt thép

A Diện tích toàn bộ tiết diện ngang của bê tông

A b Diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu nén

I Mô men quán tính của tiết diện bê tông đối với trọng tâm tiết

diện của cấu kiện

w1

 Hệ số xét đến ảnh hưởng của cốt thép đai thằng góc với trục

dọc cấu kiện

b1

 Hệ số xét đến khả năng phân phối lại nội lực của bê tông

β Hệ số tùy thuộc loại bê tông

q sw Nội lực trong cốt thép đai theo chiều dài cấu kiện

c Chiều dài hình chiếu tiết diện nghiêng nguy hiểm nhất lên

trục dọc cấu kiện

c 0 Chiều dài hình chiếu của vết nứt nghiêng lên trục dọc cấu

kiện

 Góc nghiêng của cốt thép xiên với trục dọc cấu kiện

red

S Momen tĩnh của phần tiết diện quy đổi nằm ở một phía của

trục đi qua trọng tâm tiết diện đối với trục này

xy,crc

 ứng suất tiếp tại trọng tâm tiết diện quy đổi ứng với thời điểm

hình thành vết nứt xiên

l ,l chiều dài đoạn truyền ứng suất và đoạn neo

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Tiêu chuẩn ACI 318-2011 Chữ viết

M u Mômen do ngoại lực tác dụng từ các tổ hợp lực tính toán

M n Khả năng chịu lực của cấu kiện , xác định từ điều kiện cụ thể

của tiết diện

M a Mômen lớn nhất dọc theo trục dầm

I cr Mô men quán tính đối với trục đi qua trọng tâm tiết diện

trường hợp tiết diện không có khe nứt

E s Mô đun đàn hồi của cốt thép

E c Mô đun đàn hồi của bê tông

s

 Biến dạng của cốt thép chịu kéo

'

s

 Biến dạng của cốt thép chịu nén

'

c

f Cường độ chịu nén của bê tông

r

f Cường độ chịu kéo của bê tông

y

f Cường độ chịu kéo của cốt thép

a Chiều cao vùng bê tông chịu nén

d Khoảng cách từ mép biên vùng nén tới lớp thép chịu kéo

ngoài cùng d’ Khoảng cách từ mép biên vùng nén tới thép chịu kéo ngoài

cùng

b Bề rộng của tiết diện ngang

 Hệ số giảm độ bền của cấu kiện

 Hàm lượng cốt thép

A s , A’ s Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo và chịu nén

V n Cường độ chịu cắt danh định

V s Giá trị danh định lực cắt do cốt thép chịu

V c Giá trị danh định lực cắt do bê tông chịu

V ci

Giá trị danh định lực cắt do bê tông chịu khi tính cho trường hợp vết nứt xiên dạng 1 xuất hiện tại mép dưới của dầm do tổ

hợp lực cắt và mô men uốn tạo ra

V cw giá trị danh định lực cắt do bê tông chịu khi tính cho trường

hợp vết nứt xiên dạng 2 xuất hiện

cpe

 ứng suất nén trong bê tông tại mép dầm do ứng lực trước

hiệu quả tạo ra

d

 ứng suất kéo trong bê tông tại mép dầm do trọng lượng bản

thân tạo ra

t

y khoảng cách từ trục đi qua trọng tâm đến mép chịu kéo của

tiết diện

d

V lực cắt do trọng lượng dầm tạo ra

i

V lực cắt tính toán tại tiết diện tương ứng với tổ hợp tải trọng tạo ra mô men lớn nhất tại tiết diện

max

M

u

V lực cắt tính toán tại tiết diện

p

d khoảng cách từ thớ chịu nén xa nhất của tiết diện đến trọng

tâm cốt thép căng, lấy giá trị không bé hơn 0,8h

cp

 diện hoặc tại giao tuyến giữa cánh và bụng dầm trong trường ứng suất do ứng lực trước hiệu quả tạo ra tại trọng tâm tiết

hợp trọng tâm tiết diện nằm trong cánh dầm

p

V Thành phần thẳng đứng của ứng lực trước hiệu quả tại tiết

diện khi cốt thép căng đặt theo phương xiên

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Giá trị các hệ số

Bảng 2.2

Thống kê các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của dầm

bê tông cốt thép ứng suất trước được đề cập đến trong 2 tiêu

chuẩn.

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Phân bố ứng suất trên tiết diện chịu ứng suất trước đúng tâm Hình 1.2 Phân bố ứng suất trên tiết diện chịu ứng suất trước lệch tâm Hình 1.3 Cấu kiện chịu uốn bê tông cốt thép và bê tông cốt thép ứng suất

trước Hình 1.4 Cân bằng của một tải trọng tập trung

Hình 1.5 Cân bằng của một tải trọng phân bố

Hình 1.6 Trạng thái ứng suất trong dầm có lực dọc tác dụng dọc trục Hình 1.7 Phép tương tự giàn

Hình 1.8 Cân bằng trong giàn với góc nghiêng 45

Hình 1.9 Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông vùng nứt khi chịu nén Hình 1.10 Lý thuyết miền nén cải tiến- Cân bằng theo trị số ứng suất

trung bình Hình 1.11 Cân bằng theo ứng suất cục bộ tại một vết nứt

Hình 2.1 Sơ đồ nội lực trên tiết diện nghiêng khi có cốt thép đai Hình 2.2 Vị trí tiết diện nghiêng bất lợi nhất khi tải trọng tập trung Hình 2.3 Sự thay đổi mật độ cốt đai trong khoảng tiết diện nghiêng Hình 2.4 Sơ đồ xác định vết nứt nghiêng nguy hiểm khi có cả cốt thép

đai và cốt thép xiên

Hình 2.5 Biểu đồ quan hệ     ( )

Hình 2.6 sơ đồ nội lực trên tiết diện nghiêng khi tính theo momen uốn Hình 2.7 xác định giá trị momen khi tính theo tiết diện nghiêng Hình 2.8 Sự phá hoại dầm

Hình 3.1 Sơ đồ dầm

Hình 3.2 Mặt cắt dầm

1

MỞ ĐẦU

* Lý do chọn đề tài

Trong lịch sử hơn 50 năm, bê tông ứng suất trước ngày càng tỏ rõ ưu thế vượt trội trong xây dựng trong kết cấu dầm cầu và dầm nhịp lớn trong nhà cao tầng Nhiều kỹ sư xem ứng suất trước là một giải pháp thích hợp để mở rộng phạm vi sử dụng đối với kết cấu bê tông cốt thép cho các loại công trình mà trước đây chủ yếu sử dụng kết cấu thép

Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép TCVN 5574-2012

về khả năng chống cắt của dầm bê tông cốt thép ứng lực trước tuy đáp ứng được các yêu cầu về thiết kế nhưng còn nhiều yếu tố chưa được xem xét, đánh giá như ảnh hưởng của mô men uốn, hàm lượng cốt dọc, ảnh hưởng của bê tông vùng kéo, số lượng cáp, vị trí cáp… Việc ứng dụng của TCVN 5574-2012 trong thiết kế kết cấu bê tông ứng suất trước còn khá hạn chế, do vậy trong thực tế hiện nay người thiết kế thường sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế của nước ngoài

Vì vậy tác giả lựa chọn đề tài “Tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước theo tiêu chuẩn ACI 318-2011 và tiêu chuẩn TCVN 5574-2012” để có cái nhìn tổng quát và đưa ra kết luận giúp cho việc dần hoàn thiện các công thức tính toán về cường độ theo khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước, để có thể giảm bớt sự khác biệt giữa tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn nước ngoài

* Mục đích nghiên cứu

Nắm rõ được trình tự tính toán theo khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước theo tiêu chuẩn ACI 318-2011 Từ đó so sánh với tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574-2012 Đưa ra nhận xét và kiến nghị về phương pháp phân tích và tính toán theo khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước một cách tốt nhất

2

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Dầm bê tông cốt thép ứng suất trước

Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chịu cắt

* Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu bằng lý thuyết kết hợp tính toán theo tiêu chuẩn ACI

318-2011 để đánh giá khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước thông qua

ví dụ tính toán với số liệu cụ thể Sau đó so sánh kết quả tính toán với kết quả tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574-2012

* Ý nghĩa khoa học

Giới thiệu và làm sáng tỏ các phương pháp tính toán theo khả năng chịu cắt của dầm bê tông ứng suất trước theo tiêu chuẩn ACI 318-2011

So sánh kết quả tính toán với kết quả tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574-2012

* Cấu trúc luận văn

NỘI DUNG

Ngoài phần MỞ ĐẦU VÀ KẾT LUẬN, luận văn có phần NỘI DUNG bao gồm 3 chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông ứng suất trước và khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt thép ứng suất trước

Chương 2: Phương pháp tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước trên tiết diện nghiêng theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 và ACI 318-2011

Chương 3: Ví dụ tính toán

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

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

A Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết thông các ví dụ cụ thể về tính toán cốt thép chịu cắt của dầm bê tông cốt thép đã cho các kết luận sau:

1 ACI 318 và TCVN 5574:2012 chủ yếu dựa trên sự làm việc thực nghiệm để hình thành công thức tính toán cốt thép đai Cả hai tiêu chuẩn này đều kể đến sự đóng góp của bê tông vào khả năng chịu cắt tổng thể của dầm

2 Việc thiết kế cốt thép đai của ACI 318 dựa trên thực nghiệm với vết nứt nghiêng với trục hoành một góc khoảng 45o; TCVN 5574:2012 thì dựa trên tiết diện nghiêng nguy hiểm nhất, thông qua mô hình đại số

3 Khi thiết kế cốt thép đai TCVN 5574:2012 không kể đến sự tương tác giữa mô men uốn và lực cắt và sự có mặt của cốt thép dọc; ACI 318 thì kể đến

nó khi tính toán khả năng chịu lực cắt của bê tông;

4 Với các công thức lập được, việc tính toán cốt thép đai của hai tiêu chuẩn đều khá giống nhau, hoặc dựa trên phương pháp thử và sai hoặc dựa trên việc giả thiết đường kính cốt thép đai, số nhánh của nó rồi đi tính toán khoảng cách cần thiết để nó chịu đủ lực cắt ngoại lực trên tiết diện nghiêng;

5 Trong TCVN nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như bê tông vùng kéo, hàm lượng cốt dọc, momen uốn, góc nghiêng của vết nứt chưa được đề cập tới, hơn nữa quy trình tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép là rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều hệ số

6 Nhịp chịu cắt trong tiêu chuẩn TCXDVN 5574-2012 ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của bê tông là rất lớn Trong khi đó các tiêu chuẩn ACI

318-2011 không kể đến ảnh hưởng này Vì vậy cần cân nhắc xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt theo TCVN

7 Ta thấy, cùng loại vật liệu, cùng loại tải trọng, trong bài toán thiết kế, tính theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 cho giá trị thép đai nhỏ hơn

68

tiêu chuẩn ACI 318-2011 Trong bài toán kiểm tra, tiêu chuẩn TCVN

5574-2012 cho giá trị lực cắt của dầm nhỏ hơn ACI318-2011

B Đề xuất, kiến nghị và phương pháp nghiên cứu tiếp

Do khuôn khổ luận văn và thời gian thực hiện đề tài còn hạn chế nên khối lượng thực hiện chưa lớn, các kết quả chưa được bao quát nhiều vấn đề Tuy nhiên từ những kết quả nghiên cứu của đề tài, ta thấy sự ảnh hưởng của vị trí

và số lượng cáp ứng lực trước cũng như ảnh hưởng của bê tông vùng kéo đến khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước là khá rõ rệt và mức

độ ảnh hưởng này cần được xem xét khi tính toán thiết kế kết cấu bê tông ứng suất trước

Nghiên cứu thực nghiệm để có những kết quả minh chứng cho cơ sở lý thuyết đã phân tích