Đánh giá khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo một số tiêu chuẩn

Trong hệ kết cấu của nhà cao tầng, vách bê tông cốt thép được sử dụng phổ biến để chịu tải trọng ngang nhờ vào cường độ và độ cứng.. Dù là cấu kiện chịu lực quan trọng, tiêu chuẩn thiết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ MINH TÂM

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH

BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN

Chuyên ngành:Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG

Phản biện 2: TS LÊ ANH TUẤN

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 11 tháng 03 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng, tại trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại

học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển về khoa học công nghệ trong lĩnh vực xây dựng và để giải quyết nhu cầu về không gian sống và nâng cao hiệu quả sử dụng đất, số lượng các nhà cao tầng tại các đô thị lớn ở nước ta như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng …, đã tăng nhanh trong những năm gần đây Trong hệ kết cấu của nhà cao tầng, vách bê tông cốt thép được sử dụng phổ biến để chịu tải trọng ngang nhờ vào cường độ và độ cứng Vách có nhiệm vụ tiếp nhận phần lớn hoặc toàn bộ tải trọng ngang tác dụng lên công trình và truyền xuống kết cấu móng

Dù là cấu kiện chịu lực quan trọng, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện hành của Việt Nam chưa đề cập đến việc xác định khả năng chịu cắt của vách Các tiêu chuẩn của các nước trên thế giới cũng chưa thống nhất trong việc tính toán khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép Do đó, việc phân tích đánh giá các phương pháp tính toán khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn khác nhau có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đó

là lý do để thực hiện luận văn với đề tài “Đánh giá khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo một số tiêu chuẩn”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu các phương pháp xác định khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo một số tiêu chuẩn

Phân tích và đánh giá sự khác nhau giữa khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép giữa các tiêu chuẩn

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Vách bê tông cốt thép

Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 và các tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1:2004 (EC2-2004) và tiêu chuẩn Châu Âu

Eurocode 1998-1:2004 (EC8-2004)

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết tính toán khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn

Phương pháp thực nghiệm: So sánh khả năng chịu cắt của vách trong các tiêu chuẩn với một số kết quả thí nghiệm vách cứng

đã được tiến hành trên thế giới

BÊ TÔNG CỐT THÉP GIỮA TIÊU CHUẨN HOA KỲ ACI 318-14 VỚI TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC2-2004 VÀ EC8-2004

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA VÁCH BÊ TÔNG

CỐT THÉP 1.1 Tính chất cơ lý của vật liệu bê tông

1.1.1 Cường độ của bê tông

Cường độ là đặc trưng cơ bản, nó thể hiện khả năng chịu lực của bê tông cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó Với bê tông cần xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo

1.1.1.1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén

Mẫu có thể được đúc từ hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn hoặc được khoan cắt từ kết cấu có sẵn Thí nghiệm mẫu bằng máy nén Mẫu có thể có dạng khối lập phương, khối lăng trụ đáy vuông hoặc khối trụ tròn

1.1.1.2 Sự phá hoại của mẫu thử

Khi chịu nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương lực tác dụng, bê tông còn có biến dạng nở ngang Thông thường, chính sự nở ngang quá mức làm mẫu bê tông bị nứt và phá hoại Trong thí nghiệm nếu bôi trơn mặt tiếp xúc giữa bàn máy nén và mẫu thì bê tông được tự do nở ngang, dẫn đến các vết nứt song song theo phương lực tác dụng và sự phá hoại xảy ra như hình 1.2b

1.1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông

1.1.2 Giá trị trung bình và giá trị tiêu chuẩn của cường

n

i i m

1.1.2.3 Giá trị tiêu chuẩn:

Giá trị tiêu chuẩn của cường độ bê tông gọi tắt là cường độ tiêu

chuẩn, được lấy bằng cường độ đặc trưng của mẫu thử R ch nhân với

hệ số kết cấu KC

kể đến sự làm việc sai khác giữa mẫu thử và kết cấu, KC  0 , 7  0 , 8

1.1.3 Cấp độ bền và mác bê tông

1.1.3.1 Mác theo cường độ chịu nén M

Đây là khái niệm theo tiêu chuẩn cũ TCVN 5574-1991 Mác

bê tông M lấy bằng cường độ chịu nén trung bình của mẫu thử chuẩn,

là mẫu lập phương kích thước 150×150×150mm, được chế tạo, dưỡng hộ và thí nghiệm nén ở tuổi 28 ngày, tính bằng đơn vị kG/cm2

1.1.3.2 Cấp độ bền chịu nén B

Theo TCVN 5574-2012, cấp độ bền chịu nén B, là trị số lấy bằng cường độ đặc trưng của mẫu thử chuẩn, tính bằng đơn vị MPa, với xác suất đảm bảo không dưới 95%

1.1.3.3 Cấp độ bền chịu kéo Bt

Đối với kết cấu mà sự làm việc được quyết định bởi khả năng chịu kéo của bê tông, cần qui định thêm cấp độ bền chịu kéo Bt , lấy bằng cường độ đặc trưng về kéo của bê tông theo đơn vị MPa

1.2 Tính chất cơ lý của vật liệu cốt thép

1.2.1 Đặc trƣng cơ học

1.2.2 Phân loại cốt thép

Để có số liệu để tính toán ta tạm chấp nhận theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 gồm 5 nhóm: RB300(1); RB400(2); RB500(3); RB400w(4); RB500w(5) Con số ghi ở mỗi loại thép bằng giới hạn chảy trung bình tính theo đơn vị (MPa) Ba loại 1;2;3 là thép khó hàn, loại 4;5 là thép dễ hàn

1.3 Vai trò, đặc điểm của vách bê tông cốt thép

1.3.1 Vai trò của vách bê tông cốt thép

Kết cấu của vách bê tông cốt thép là hệ kết cấu chịu lực được cấu tạo bởi những bức tường chịu lực Trong hệ kết cấu này, vách làm việc giống như dầm, cột trong khung để chịu các tải trọng đứng

và tải trọng ngang, tuy nhiên đối với vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang là chủ yếu Mặt khác, vách phải chịu lực nén dọc do tải trọng thẳng đứng gây ra, đồng thời còn phải chịu lực trượt và momen uốn do tải trọng ngang gây ra

1.3.2 Đặc điểm làm việc của vách bê tông cốt thép:

Là một hệ vách phẳng làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng

và nhiệm vụ chịu tải trọng ngang, trong đó vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang là chủ yếu Căn cứ vào cách bố trí đối với vách chịu tải trọng thẳng đứng chia vách bê tông cốt thép ra làm 3 dạng chịu tải như sau: vách dọc chịu lực; vách ngang chịu lực; vách dọc, ngang chịu lực

1.3.3 Các loại vách bê tông cốt thép:

1.3.3.1 Phân loại vách theo chiều cao:

- Vách cao có tỷ lệ Hw/Lw>2,0 biến dạng chủ yếu là biến dạng do uốn

- Vách trung bình: có tỷ số 1,5 ≤ Hw/Lw ≤ 2,0 biến dạng cả

do uốn và do cắt

- Vách ngắn: có Hw/Lw < 1,5, biến dạng chủ yếu là biến dạng

do cắt

1.3.3.2 Phân loại vách bê tông cốt thép theo công năng:

Hệ kết cấu chịu lực theo phương đứng thì vách chịu gần như toàn bộ tải trọng đứng, thường gặp trong công trình nhà ở và các trụ

sở làm việc vì vách được sử dụng như các tường và vách ngăn

Hệ kết cấu khung giằng (hệ khung + vách cứng): Vách cứng

bê tông cốt thép chủ yếu chịu tải trọng ngang và một phần tải trọng đứng, đối với hệ khung thì phần lớn là chịu tải trọng đứng

1.3.3.3 Sự làm việc của vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang:

Căn cứ vào tỷ số giữa chiều cao của vách so với chiều rộng của vách, vách bê tông cốt thép có thể làm việc như một vách cao hoặc như một vách ngắn hoặc có thể là sự kết hợp của cả 2 loại giữa vách cao và vách ngắn (vách trung bình)

a Các dạng phá hoại của vách cao:

b Các dạng phá hoại thường gặp đối với vách ngắn: Khả năng chịu lực của vách ngắn thường bị ảnh hưởng bởi cường độ chống cắt của vách, đối với loại vách này thường có ứng

suất cắt tương đối lớn Vì vậy sẽ xuất hiện các vết nứt xiên tại các vị trí thuộc vùng bụng của vách ngắn, tạo thành một hệ thanh chống chéo theo từng hướng của tải trọng ngang Sự truyền lực cắt trong vách ngắn tương đương với sự làm việc của hệ giàn

c Các dạng phá hoại thường gặp đối với vách trung bình khi chịu tải trọng ngang:

Sự phá hoại của vách trung bình được đánh giá là khá phức tạp

và phụ thuộc vào rất nhiều vào các yếu tố cơ bản bao gồm như sự phá hoại do lực kéo theo phương xiên, ứng suất nén lớn tại bê tông vùng bụng vách gây phá vỡ, sự phá hoại do lực trượt hoặc bê tông vùng nén

bị ép vỡ dẫn đến cốt thép chịu nén trong vách bị mất ổn định

1.4 Các nghiên cứu về sự làm việc của vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang

1.4.1 Nghiên cứu của Ning Xu (2010) [15]

Tác giả đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đối với vách bê tông cốt thép chịu tải trọng động với các tốc độ gia tải khác nhau và mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS nhằm đánh giá sự liên hệ giữa việc thực nghiệm và mô phỏng, so sánh về khả năng chịu lực của vách bê tông cốt thép dư ới tác dụng của tải trọng động và tải trọng tĩnh

1.4.2 Nghiên cứu của M.A Osman (2011) [16]

M.A Osman đã tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bê tông cũng như tỷ lệ kích thước giữa chiều cao và chiều rộng vách đến ứng xử của vách bê tông cốt thép

1.4.3 Các nghiên cứu về mô phỏng ứng xử phi tuyến của các cấu kiện bê tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn

- Nghiên cứu “A numerical Study on the damaged RC shear walls with Openings Retrofitted by FRP Sheets” (2015) [17] của tác giả Ahmadreza Shirneshan Nghiên cứu trình bày ảnh hưởng của các

lỗ mở trên vách cứng khi bị phá hoại trong lần gia tải đầu tiên, sau đó được gia cường bằng các tấm FRP (Fiber Reinforced Polymers) và

gia tải lại

1.4.4 Mô hình giàn với thanh xiên nghiêng góc 45 o

Vào năm 1899 và 1902, các tác giả Ritter (Thụy Sỹ) và Marsch

(Đức), độc lập với nhau đã nêu lên là sau khi một dầm BTCT bị nứt

do ứng suất kéo xiên, có thể được mô hình hoá như một giàn song

song, với các thanh xiên chịu nén nghiêng góc 45 so với trục dọc

của dầm Các tác giả đã đề xuất phương pháp giàn tương đương cho

thiết kế chịu cắt của dầm bê tông cốt thép

1.4.5 Mô hình giàn với góc nghiêng thay đổi[17]

Mô hình giàn cổ điển thông thường giả thiết thanh nén của

giàn song song theo hướng của vết nứt và không có ứng suất truyền

qua vết nứt Cách này đã được chứng minh cho kết quả an toàn hơn

khi so sánh với thực nghiệm

1.4.6 Mô hình chống giằng [17]

Các nghiên cứu lý thuyết - thực nghiệm đã chỉ ra rằng có sự

thay đổi lớn trong trạng thái làm việc tại tỷ số nhịp chịu cắt a/d,

khoảng 2 2,5 Các nhịp chịu cắt dài hơn sẽ chịu tải trọng nhờ tác

động kiểu dầm và được gọi là vùng B (chữ B là chữ viết tắt của từ

Bernoulli, người đã đưa ra định đề về sự phân bố biến dạng tuyến

tính trong các dầm)

1.4.7 Mô hình miền nén (Compression Field Theory –

CFT)[17]

Theo mô hình giàn 45, sức chống cắt đạt tới khi cốt đai bị

chảy và sẽ tương ứng với một ứng suất cắt là :

v = v y

w

A f

b s = v.f y (1.13) Như vậy, có thể thấy rằng: Lý thuyết miền nén đã bỏ qua sự

đóng góp của ứng suất kéo trong các vùng bê tông bị nứt và do đó có

những ước lượng quá lớn sự biến dạng và đánh giá thấp về cường độ

1.4.8 Lý thuyết miền nén cải tiến (Modified Compression Field Theory - MCFT)[18]

Lý thuyết miền nén cải tiến MCFT được đưa ra bởi Vecchio

và Collins năm 1986, là sự phát triển của lý thuyết miền nén CFT có

kể tới ảnh hưởng của ứng suất kéo trong vùng bê tông bị nứt Người

ta nhận thấy là ứng suất cục bộ trong cả bê tông và cốt thép sẽ khác biệt từ điểm này đến điểm khác trong vùng bê tông bị nứt, với ứng suất cốt thép cao nhưng ứng suất kéo của bê tông thấp tại các điểm nứt

1.5 Một số hình ảnh vách bê tông cốt thép bị hƣ hại do động đất

 Trận động đất Northridge 1994:

1.6 Kết luận

Chương 1 đã thực hiện tổng quan một số nội dung như sau: phân tích tính chất cơ lý của vật liệu bê tông và cốt thép; vai trò, đặc điểm của vách bê tông cốt thép và trình bày tổng quan các nghiên cứu về sự làm việc của vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang Luận văn sẽ nghiên cứu khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn khác nhau, cụ thể là tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI

318-14, tiêu chuẩn Châu Âu EC2-2004 và EC8-2004 Nghiên cứu sẽ tiến hành khảo sát khả năng chịu cắt của vách theo các tham số khác nhau, bao gồm kích thước, cấp độ bền nén của bê tông và độ lớn của lực dọc Đồng thời, vách bê tông cốt thép trong cả hai kết cấu thiết kế kháng chấn và không kháng chấn đều được phân tích và so sánh

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG

CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN

2.1 Tính toán theo tiêu chuẩn hoa kỳ ACI 318-14

2.1.1 Khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép trong trường hợp không thiết kế kháng chấn

Vách trong kết cấu không được thiết kế kháng chấn:

Vn  Vc  Vs

(2.1)

Trong đó khả năng chịu lực cắt của bê tông xác định như sau Trong hệ đơn vị U.S., Vc được tính như sau:

' 1

w ' w

N d

l N

' 1

w ' w

N d

l N

: Lực cắt tại tiết diện thiết kế

: hệ số phụ thuộc vào loại bê tông;  = 1.0 với bê tông nặng f’c : cường độ chịu nén thiết kế của bê tong

+ Khả năng chịu cắt của cốt thép được xác định như sau:

Vs = (2.4)

Với: = (2.5) : Diện tích của tất cả các thanh thép đai đi qua mặt cắt

ngang tính toán

: Cường độ chịu kéo nén của cốt thép

s: Khoảng cách cốt thép đai theo chiều dài cấu kiện

n: Số nhánh cốt thép ngang

f: Đường kính thanh thép

2.1.2 Khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép trong

trường hợp thiết kế kháng chấn

Theo ACI 318-14, khả năng chịu cắt của vách trong trường

hợp thiết kế kháng chấn cần đảm bảo điều kiện:

1.5; c được xác định bằng nội suy tuyến tính nếu 1.5  hw/lw  2.0

 = hệ số phụ thuộc vào loại bê tông;  = 1.0 với bê tông nặng

f’c = cường độ chịu nén thiết kế của bê tông

t = hàm lượng cốt thép ngang trong vách

fy = cường độ chịu kéo của cốt thép ngang trong vách

 = 0.75 = hệ số giảm cường độ khi tính toán chịu cắt

2.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EC2-2004 và

EC8-2004

2.2.1 Khả năng chịu cắt của bê tông:

Khi bê tông đủ khả năng chịu cắt thì không cần tính toán cốt

đai mà chỉ cần đặt theo cấu tạo Điều kiện này là:

VEd  VRd,c (2.8) Trong đó:

- VEd: lực cắt tính toán;

- VRd,c: khả năng chịu cắt của bê tông;

Giá trị VRd,c được xác định theo công thức thực

nghiệm:

V    0,12k(100 f )    k   b d  V (2.9) với: VRd,c min  (0,035k f3/2 ck1/2   k1 cp)b dw (2.10) + k: hệ số thực nghiệm;

k 1 200 2

d

  

+ d: chiều cao làm việc của tiết diện (tính bằng mm);

+ 1: hàm lượng cốt thép chịu kéo;

sl

1 w

A 0,02

+ NEd: lực dọc trục N trên tiết diện ngang do tải trọng

hoặc ứng suất trước (NEd>0 đối với lực nén);

+ Ac: diện tích tiết diện bê tông (mm2

);

2.2.2 Tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng

2.2.2.1 Mô hình dàn ảo

- Khả năng chịu lực của cấu kiện được thể hiện như sau:

+ Phần bê tông phía biên trên dầm chịu lực nén C; bê tông giữa

các vết nứt nghiêng chịu lực nén xiên;

+ Cốt thép dọc ở biên dưới chịu lực kéo T, cốt thép đai chịu

lực kéo thẳng đứng;

+ Chiều cao dàn z là khoảng cách giữa hợp lực vùng nén và

vùng kéo, z được lấy bằng 0,9d;