Tính toán cột bê tông cốt thép sử dụng thép CB500 theo TCVN 5574 2012 và tiêu chuẩn nga SP 63 13330 2012

- Đối với những cấu kiện của kết cấu siêu tĩnh, độ lệch tâm của lực dọc dùng để tính toán tiết diện e0 = M/N nhưng không được nhỏ hơn e a.. Ứng suất trong BT và CT của cấu kiện chịu nén

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

NGUYỄN MINH TRÍ

TÍNH TOÁN CỘT BÊ TÔNG

CỐT THÉP SỬ DỤNG THÉP CB500 THEO

TIÊU CHUẨN TCVN 5574-2012

VÀ TIÊU CHUẨN NGA SP 63.13330.2012

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trì nh dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS PHAN QUANG MINH

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG

Phản biện 2: TS NGUYỄN VĂN CHÍNH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ chuyên ngành kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07

tháng 07 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tên đề tài:

Tính toán cột BTCT sử dụng thép CB500 theo tiêu chuẩn

TCVN 5574-2012 và tiêu chuẩn Nga SP 63.13330.2012

2 Lý do chọn đề tài:

Kết cấu cột bê tông cốt thép là một dạng kết cấu đặc biệt quan trọng trong kết cấu bê tông cốt thép đã và đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà và công trình

Cột BTCT trong kết cấu nhà cao tầng thường phải chịu nội lực lớn nên nếu có thể sử dụng thép có cường độ lớn hơn CIII là hiệu quả hơn về mặt kinh tế và dễ thi công hơn

Theo TCVN 5574:2012 mặt dù được xuất bản năm 2012 nhưng thực chất nó được chuyển ngang từ tiêu chuẩn TCVN 356-

2005 với toàn bộ nội dung bên trong được giữ nguyên Bản thân tiêu chuẩn TCVN 356-2005 được được chuyển dịch từ tiêu chuẩn Nga hơn 30 năm trước SNIP 2.03.01-84* Nghĩa là chung ta đang sử dựng tiêu chuẩn quá cũ so với sự thay đổi khoa học và công nghệ trên thế giới Điều này gây nhiều bất cập trong quá trình thiết kế Hơn nữa TCVN 5574-2012 đang sử dụng các loại thép như CIII, AIII Cường

độ chịu nén tính toán không vượt quá 365MPa nên việc sử dụng các cốt thép có cường độ cao hơn CIII, AIII có thể không hiệu quả Điều này đi ngược với xu hướng chung của thế giới là sử dụng các vật liệu

có cường độ cao trong kết cấu công trình Tiêu chuẩn hiện hành của Nga SP 63.13330.2012 cho phép sử dụng cường độ chịu nén tính toán của cốt thép có thể lấy lớn hơn 365 MPa nên sẽ được nghiên cứu ứng dụng trong luận án này

Chính vì thế việc nghiên cứu sâu hơn về loại cấu kiện này đã

và đang trở nên cấp thiết đối với các nhà thiết kế Việt Nam Trong đó,

- So sánh quy trình tính toán cột BTCT theo TCVN

5574-2012 và tiêu chuẩn Nga SP 63.13330.5574-2012

4 Mục tiêu:

- Đánh giá khả năng chịu lực của cột BTCT theo TCVN 5574-2012 và tiêu chuẩn Nga SP 63.13330.2012 khi sử dụng thép CB500

- Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng thép CB500

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Cột bê tông cốt thép có sử dụng thép CB500

- Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế (TCVN 5574-2012) và tiêu chuẩn Nga SP 63.13330.2012

6 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu là khảo sát số theo tiêu chuẩn theo TCVN 5574-2012 và tiêu chuẩn Nga SP 63.13330.2012

7 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Cơ sở khoa học: Sự làm việc đồng thời giữa bê tông và cốt thép trong cấu kiện chịu nén BTCT

Cơ sở thực tiễn: Đánh giá tính hiệu quả khi sử dụng cốt thép CB500 trong thiết kế cột BTCT nhà cao tầng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU NÉN

- Khi lực N đặt lệch so với trọng tâm tiết diện, xảy ra trường hơp chịu nén lệch tâm Cấu kiện chịu nén lệch tâm thường gặp là cột của khung nhà, thân vòm mái nhà v…v…mà ở đó phương của lực nén không trùng với trục hình học của cấu kiện Cấu kiện chịu nén lệch tâm tương đồng với cấu kiện vừa chịu mô men M, vừa chịu lực dọc N như được thể hiện trên Hình 1.1 Độ lệch tậm của lực dọc là

e0=M/N

Hình 1.1 Sơ đồ cấu kiện chịu nén lệch tâm

- Các giá trị của nội lực M và N nhận được từ việc tính toán hệ kết cấu theo các phương pháp của môn cơ học kết cấu hoặc sức bền vật liệu Do vậy, e0=M/N được gọi là độ lệch tâm tĩnh học Tuy nhiên,

có những lý do mà trong thiết kế kết cấu bêtông cốt thép người ta còn

phải xét đến độ lệch tâm ngẫu nhiên e a

- Đối với những cấu kiện của kết cấu siêu tĩnh, độ lệch tâm của lực dọc (dùng để tính toán tiết diện) e0 = M/N nhưng không được nhỏ

hơn e a Đối với kết cấu tĩnh định, độ lệch tâm của lực dọc (dùng để tính toán tiết diện) là độ lệch tâm tĩnh học cộng với độ lệch tâm ngẫu nhiên Như vậy ngay cả khi người thiết kế đặt lực N vào đúng tâm tiết diện cấu kiện thì vẫn phải cộng thêm độ lệch tâm ngẫu nhiên để cho cấu kiện trở thành chịu nén lệch tâm Tuy vậy đối với những cấu kiện có độ lệch tâm và độ mảnh nhỏ đến một mức nào đó, người ta vẫn tính toán như giống như đối với cấu kiện chịu nén trung tâm

1.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

- Hình dáng tiết diện ngang của cấu kiện chịu nén thường gặp

là vuông, chữ nhật, chữ I, tròn và vành khuyên; trong số đó tiết diện chữ I thường chỉ dùng cho cột lắp ghép Trong một số trường hợp, người ta còn dùng tiết diện hình chữ thập ( + ) Đối với tiết diện chữ nhật và chữ I, cạnh lớn (hay chiều cao) của tiết diện thường nằm theo phương tác dụng của mô men

1.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM 1.3.1 Ảnh hưởng của uốn dọc

- Lực dọc đặt lệch tâm sẽ làm cho cấu kiện có chuyển vị theo phương thẳng góc với trục của nó Độ lệch tâm e0 ban đầu sẽ tăng lên thành ηe0 với

η 1 (Hình 1.2) η được gọi là hệ số uốn dọc

Hình 1.2 Hiện tượng uốn dọc

- Chiều dài tính toán l0 được xác định theo công thức

l = l

(1.4) Trong đó:

 là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ biến dạng của cấu kiện khi bị mất ổn định

- Với các liên kết lý tưởng như trên Hình 1.3 hệ số  cho ở

Hình 1.3

Hình 1.3 Hệ số ψ ứng với các liên kết lý tưởng

- Với các liên kết thực tế cần phân tích sơ đồ biến dạng để xác định 

- Với khung nhà nhiều tầng có liên kết cứng giữa dầm và cột, kết cấu sàn đổ toàn khối: Khung có từ 03 nhịp trở lên thì lấy  =0,7

- Với khung nhà nhiều tầng có kết cấu sàn lắp ghép:

+ Khung một nhịp  =1, 2 đối với tầng một,  =1, 5đối với các tầng trên

Hình 1.4 Ứng suất trong BT và CT của cấu kiện chịu nén lệch tâm

- Khi độ lệch tâm nhỏ, toàn bộ tiết diện chịu nén, trên phần lớn tiết diện ứng suất trong bê tông đạt đến giá trị cường độ Rb, phần còn lại có ứng suất nén không lớn (Hình 1.4a) hoặc có ứng suất kéo không lớn (Hình 1.4b) Ứng suất trong cốt thép '

s

A đạt tới giới hạn chảy σy , còn ứng suất trong cốt thép As chỉ đạt tới σs < y Khi đó xảy ra ξ ξR Thay đổi độ lớn bé của As và A s' sẽ làm thay đổi chút

ít hình ảnh của biểu đồ ừng suất ở giai đoạn phá hoại

- Khi độ lệch tâm lớn, ứng với ξ ξR, sự phá hoại bắt đầu từ vùng chịu kéo, ứng suất trong cốt thép As đạt tới giới hạn chảy σy, khe nứt trong vùng kéo phát triển, vùng chịu nén bị thu hẹp và khi ứng suất trong bê tông vùng nén đạt tới giá trị Rb thì cấu kiện bị phá hoại (Hình 1.4c)

- Từ những nghiên cứu thực nghiệm như trên, khi tính toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm, người ta thường chia ra hai tường hợp: lệch tâm bé và lệch tâm lớn

- Khi xảy ra lệch tâm lớn, x  ξ R h 0 là chiều cao quy ước của vùng bê tông chịu nén, tương ứng với biểu đồ ứng suất hình chữ nhật

Thực ra vị trí của thớ bê tông có ứng suất bằng không, tương ứng với

biểu đồ ứng suất hình cong, cách mép chịu nén lớn nhất là x 0 > x

- Khi xảy ra lệch tâm bé, x > ξ R h 0 Nếu độ lệch tâm tương đối

bé, có thể xảy ra x  h 0, khi đó cốt thép As chịu nén và nếu cốt thép không nhiều quá thí ứng suất σs sẽ đạt đến giới hạn chảy σ y Nếu độ

lệch tâm tương đối lớn, x nhỏ, cốt thép As chịu kéo hoặc chịu nén nhưng chưa đạt đến giới hạn chảy và cần phải được tính toán Người

ta chấp nhận rằng khi x nằm trong trong khoảng từ 0 đến ξ R h 0 thì σ s

= +R s , khi x  h 0 thì σ s = - R sc , khi h 0 > x > ξ R h 0 thì ứng suất σ s biến đổi tuyến tính từ -R sc đến + R s

1.4 CÁC CÔNG TRÌNH BTCT XÂY DỰNG Ở NHA TRANG

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO TIÊU

- Giá trị chiều cao tương đối giới hạn của vùng bê tông chịu nén R theo 2 tiêu chuẩn được xác định như sau:

=

=

1 , 1 1 1

R R

R h

−

85,

0

=

 với bê tông nặng; Rb tính bằng MPa;

Rs – cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép (MPa)

sc.u - ứng suất giới hạn của cốt thép ng vùng bê tông chịu nén

sc.u = 500MPa đối với tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn hạn; sc.u = 400MPa đối với tải trọng tác dụng ngắn hạn và tải trọng đặc biệt

Bảng 1 cho các giá trị Rtương ứng với các cấp độ bền của bê tông

và nhóm thép, có kể tới hệ số điều kiện làm việc b2 của bê tông

el s

R R

+ Khi chịu tác dụng của tải trọng ngắn hạn:

Đối với bê tông có cấp độ bền chịu nén từ B60 trở xuống:

+ Khi chịu tác dụng của tải trọng dài hạn  2 được lấy theo bảng 2:

Bảng 2.2 áp dụng cho bê tông có cấp độ bền chịu nén từ B60 trở xuống Đối với bê tông cường độ cao có cấp độ bền chịu nén từ B70 đến B100 thì giá trị trong bảng cần nhân thêm với hệ số (270-B)/210

Đối với bê tông nặng có cấp độ bền chịu nén từ B70 đến B100 và bê tông hạt nhỏ thì trên tử số của công thức (2.3) thay 0,8 bằng 0,7

Nếu lấy b2 = 0 , 0035 và Es = 2.105 MPa thì công thức (2.3) trở thành:

7001

8,0

R R

R h

- Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn của một số loại thép thanh cho ở bảng 4

Bảng 2.4 Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn R sn của thép

R

R



Trong đó s hệ số độ tin cậy của cốt thép, được lấy theo bảng

5 và Rs được lấy theo bảng 6

Bảng 2.5 Hệ độ tin cậy của cốt thép

Nhóm thép thanh

s

 hi tính toán kết cấu theo các

TTGH Thứ nhất Thứ hai

CI, A-I, CII, A-II 1,05 1,00 CIII, A-III có

Bảng 2.6 Cường độ tính toán của cốt thép thanh khi tính theo

R s

cốt thép ngang (cốt thép đai, cốt thép xiên) R sw

** Các giá trị R sc nêu trên được lấy cho kết cấu làm từ bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ,

bê tông nhẹ khi kể đến trong tính toán các tải trọng lấy theo 2a trong Bảng 15 của [2]; khi kể đến các tải trọng lấy theo mục 2b trong Bảng 15 của [2] thì giá trị R sc =

6 mm đến 40 mm theo TCVN 1651-1:2008 và thép thanh cán nóng

có gân với đường kính từ 6 mm đến 50 mm theo TCVN 1651-2:2008

- Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn của một số loại thép thanh được cho ở bảng 8

Bảng 2.8 Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của cốt thép R sn và cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép đối với TTGH thứ hai

- Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép Rsc lấy bằng cường

độ chịu kéo tính toán Rs, nhưng không lớn hơn giá trị ứng với biến dạng co ngắn của bê tông bao quanh cốt thép chịu nén: khi có tác dụng ngắn hạn của tải trọng – không lớn hơn 400MPa, khi có tác dụng dài hạn của tải trọng - không lớn hơn 500MPa

- Giá trị tính toán của cường độ chịu kéo của cốt thép Rs và cường độ chịu nén tính toán Rsc (đã được làm tròn) đối với các TTGH thứ nhất được cho trong bảng 9

Bảng 2.9 Cường độ tính toán chịu kéo và chịu nén của cốt thép

đối với các TTGH thứ nhất (MPa)

2.2 QUY TRÌNH TÍNH TOÁN

2.2.1 Yêu cầu chung về tính toán độ bền

- Tiêu chuẩn 5574:2012 yêu cầu cấu kiện bê tông cốt thép phải được tính toán trên tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện theo nội lực tới hạn

- Tiêu chuẩn SP.63.13330.2012 yêu cầu phải tính toán độ bền các tiết diện thẳng góc của các cấu kiện bê tông cốt thép cần được tiến hành trên cơ sở mô hình biến dạng phi tuyến

+ Tính toán tiết diện thẳng góc được tiến hành theo các điều kiện:

u

b, max  ,

u s

s, max  ,

Trong đó:

b,max là biến dạng tương đối của thớ bê tông chịu nén nhiều nhất trong tiết diện thẳng góc của cấu kiện do tác dụng của tải trọng ngoài;

s,max là biến dạng tương đối của thanh cốt thép chịu kéo nhiều nhất trong tiết diện thẳng góc của cấu kiện do tác dụng của tải trọng ngoài;

b,u là giá trị giới hạn của biến dạng tương đối của bê tông chịu nén;

s,u là giá trị giới hạn của biến dạng giãn dài tương đối của cốt thép lấy bằng:

0,025 đối với cốt thép có giới hạn chảy thực tế 0,015 đối với cốt thép có giới hạn chảy quy ước + Cho phép tiến hành tính toán trên cơ sở nội lực giới hạn đối với các cấu kiện bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật, chữ T và chữ I có cốt thép nằm ở biên vuông góc với mặt phẳng uốn của cấu kiện khi

có tác dụng của nội lực trong mặt phẳng đối xứng của tiết diện thẳng góc

+ Khi tính toán các cấu kiện chịu nén lệch tâm cần kể đến ảnh hưởng của uốn dọc lên khả năng chịu lực của chúng, thông thường bằng cách tính kết cấu theo sơ đồ biến dạng Cho phép tính toán kết cấu theo sơ đồ không biến dạng, nhưng kể đến ảnh hưởng của uốn dọc cấu kiện đến độ bền của nó khi độ mảnh l0/ i  14 bằng

cách nhân độ lệch tâm ban đầu e o với hệ số 

+ Đối với các cấu kiện bê tông cốt thép mà nội lực giới hạn

về độ bền nhỏ hơn nội lực giới hạn về hình thành vết nứt thì diện tích tiết diện cốt thép dọc chịu kéo cần phải tăng thêm không ít hơn 15%

so với diện tích cốt thép yêu cầu từ tính toán độ bền, hoặc được xác

định từ tính toán độ bền chịu tác dụng của nội lực giới hạn về hình

4 , 6

(2.9)

Với: l o – chiều dài tính toán của cấu kiện;

E b – mô đun đàn hồi của bê tông;

I - mô men quán tính của tiết diện lấy đối với trục qua trọng

tâm và vuông góc với mặt phẳng uốn;

I s - mô men quán tính của diện tích tiết diện cốt thép dọc chịu lực lấy đối với trục trên;

 với Es là mô đun đàn hồi của cốt thép;

S – hệ số kể đến ảnh hưởng của độ lệch tâm

1 , 0 1

, 0

11 , 0 + +

=

p e

e

01,001,015,0

p – hệ số, với kết cấu BTCT thường lấy p =1

l – hệ số xét đến ảnh hưởng của tải trọng tác dụng dài hạn

Ny M

y N

y – khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến mép chịu kéo, với

tiết diện chữ nhật y = 0,5h;

M l , N l – nội lực do tải trọng tác dụng dài hạn;

 - hệ số phụ thuộc loại bê tông, với bê tông nặng  =1

Trong công thức (2.12) khi mà M l và M ngược dấu nhau thì M l

được lấy giá trị âm, lúc này nếu tính được l < 1 thì phải lấy l = 1

để tính N cr

Cho phép bỏ qua ảnh hưởng của uốn dọc khi

Với l o – chiều dài tính toán của cấu kiện;

D – độ cứng của cấu kiện ở giai đoạn giới hạn về cường độ, được xác định theo các chỉ dẫn về tính toán biến dạng Cho phép xác định D theo công thức:

s s s b

bE I k E I k

trong đó:

Eb , E s – mô đun đàn hồi của bê tông và của cốt thép;

I b , I s – mô men quán tính của diện tích tiết diện bê tông và của toàn bộ cốt thép dọc đối với trục đi qua trọng tâm của tiết diện ngang;

l b

k



=3,0

15,0

7 , 0

 nhưng không lớn hơn 2 (2.17)

M 1 , M 1l – mô men đối với trục đi qua trọng tâm cốt thép chịu

kéo lớn nhất hoặc cốt thép chịu nén bé nhất (khi toàn bộ tiết diện chịu nén) đồng thời thẳng góc với mặt phẳng uốn của toàn bộ tải trọng và của tải trọng thường xuyên cộng với tải trọng dài hạn;

e – giá trị độ lệch tâm tương đối của lực dọc

e lấy không nhỏ hơn 0,15 và không lớn hơn 1,5

Với tiết diện chữ nhật D được viết lại theo công thức:

=

2 ' 0 3

175 , 0 3

, 0 (

0125 , 0

h

a h bh

E

D

e l

Tính toán 4 thí dụ, trong đó thí dụ 1 và 2 là bài toán kiểm tra

và bài toán thiết kế cho trường hợp cột chịu nén lệch tâm lớn còn thí

dụ 3 và 4 là bài toán kiểm tra và bài toán thiết kế cho trường hợp cột chịu nén lệch tâm bé

3.1 THÍ DỤ 1

Cho khung nhà 3 tầng, 1 nhịp, sàn lắp ghép, cột BTCT tiết diện

chữ nhật b = 400mm, h = 500mm, chiều dài cột l = 6m, a = a’=