TÍNH TOÁN ĐỘ VÕNG VÀ VẾT NỨT SÀN THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM SO SÁNH VỚI PHẦN MỀM SAFE

BÀI BÁO KHOA HỌC TÍNH TỐN ĐỘ VÕNG VÀ VẾT NỨT SÀN THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM SO SÁNH VỚI PHẦN MỀM SAFE Nguyễn Vĩnh Sáng1 Tóm tắt: Độ võng vết nứt kết cấu bê tông cốt thép gây ảnh hưởng đến mỹ quan yêu cầu sử dụng hệ kết cấu Trong tính tốn thường xem xét đến khả chịu lực theo trạng thái giới hạn mà xem xét đến giới hạn độ võng bề rộng vết nứt theo trạng thái giới hạn (theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2014) Mặt khác, việc tính tốn độ võng vết nứt theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 có số khó khăn định thiết kế Trong báo này, trình bày độ võng vết nứt kết cấu sàn bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 55742012 so sánh kết với phần mềm Safe tính tốn theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002, Châu Âu Eurocode 1992-2 xem xét đến trường hợp tải trọng khác Từ đó, đưa kết luận đánh giá Từ khóa: Độ võng, mở rộng hình thành vết nứt, Bê tơng cốt thép, từ biến, co ngót bê tơng cốt thép, phi tuyến vật liệu, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012, tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002, tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992 TỔNG QUAN1 Hiện tượng võng nứt kết cấu bê tông cốt thép thường gây lo ngại cho chủ đầu tư người sử dụng cơng trình Ảnh hưởng độ võng vết nứt làm mỹ quan kiến trúc cơng trình, làm giảm độ bền lâu kết cấu an toàn kết cấu Đặc biệt, kết cấu chứa chất lỏng việc xem xét mở rộng vết nứt cần xem xét để đảm bảo công sử dụng Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 55742012 trình bày cụ thể việc tính tốn độ võng mở rộng vết nứt theo trạng thái giới hạn 2, việc tính tốn áp dụng thực hành thiết kế gặp nhiều khó khăn đặc biệt xem xét đến hệ kết cấu phức tạp, khơng gian Một ví dụ số trình bày theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 để so sánh với kết phần mềm SAFE tính tốn theo tiêu chuẩn khác tiêu chuẩn Mỹ ACI 3182002, tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-2 đồng thời xem xét đến ảnh hưởng từ biến, co ngót bê tơng, phi tuyến vật liệu cốt thép phân tích trạng thái chịu tải xem xét Bộ mơn Kỹ thuật cơng trình, Cơ sở - Đại học Thủy Lợi TÍNH TỐN ĐỘ VÕNG VÀ MỞ RỘNG VẾT NỨT THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5574-2012 2.1 Độ võng Đối với bê tơng cốt thép thường, đoạn mà khơng hình thành vết nứt thẳng góc với trục dọc cấu kiện, giá trị độ cong toàn phần cấu kiện chịu uốn, nén lệch tâm kéo lệch tâm cần xác định theo công thức: 1 1 1       (1) r  r 1  r   r 3 Trong đó: 1   độ cong tác dụng ngắn hạn  r 1 toàn tải trọng 1   độ cong tác dụng ngắn hạn tải  r 2 trọng thường xuyên tải trọng tạm thời dài hạn 1   độ cong tác dụng dài hạn tải  r 3 trọng thường xuyên tải trọng tạm thời dài hạn  Mi   s b 1     (2)    r i h0 Z  Es Rs  f    bh0 Eb  KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 71 đó: Mi – Mô men uốn tải trọng tiêu chuẩn gây ứng với trường hợp xác định độ cong  s – Hệ số xét đến làm việc vùng bê tơng chịu kéo đoạn có vết nứt  b – Hệ số xét đến phân bố không biến dạng thớ bê tông chịu nén ngồi chiều dài đoạn có vết nứt, bê tông nặng  b  0,9  f – Hệ số xét đến ảnh hưởng lực dọc  - Chiều cao tương đối vùng chịu nén bê tông  - hệ số đặc trưng trạng thái đàn – dẻo bê tông vùng chịu nén Z - Khoảng cách từ trọng tâm tiết diện cốt thép chịu kéo đến điểm đặt hợp lực vùng nén Độ võng xác định hệ thức: 1 fi     m l (3)  r i đó: m , l tương ứng hệ số phụ thuộc vào dạng liên kết, dạng tải trọng tác dụng chiều dài nhịp Xác định thông số - Mô men kháng uốn tiết diện quy đổi  I bo   I so   I so'  Wpl   Sbo (4) h x  bh  2 ( As h0  As' a ' ) x   Ared   ' (5)  Ared  bh   ( As  As )  E   s Eb  đó: x – Chiều cao vùng bê tơng chịu nén Ared – Diện tích quy đổi cấu kiện b,h, h0 – bề rộng chiều cao tiết diện chiều cao làm việc tiết diện As , As' – Diện tích cốt thép chịu kéo chịu mô men tĩnh vùng bê tông chịu kéo với trục trung hòa I so , I so' – Tương ứng mô men quán tĩnh tiết diện cốt thép dọc chịu kéo chịu nén với trục trung hòa Chiều cao tương đối vùng chịu nén bê tông xác định bởi:  ;  1  5(   ) (6)  10   - hệ số, bê tông nặng   1,8  As'  - hệ số, xác định bởi:    f  2 bh0  - hệ số, xác định theo công thức (7) M  i (7) bh0 Rb , ser Z - cánh tay đòn nội lực   2 Z  h0 1   (8)   f     A   s - hàm lượng cốt thép bê tông; bho Rb ,ser - cường độ chịu kéo tiêu chuẩn cốt thép; Rbt , ser - cường độ chịu kéo tiêu chuẩn bê tơng; 2.2 Hình thành mở rộng vết nứt 2.2.1 Khả chống nứt kết cấu Có ba cấp khả chống nứt vào điều kiện làm việc chúng loại cốt thép dùng: Cấp 1: Không cho phép xuất vết nứt Cấp 2: Cho phép xuất vết nứt ngắn hạn với bề rộng hạn chế acrc1 chắn vết nứt khép kín trở lại dỡ bỏ tải trọng tạm thời Cấp 3: Cho phép xuất vết nứt ngắn hạn với bề rộng hạn chế acrc1 cho phép xuất vết nứt dài hạn với bề rộng hạn chế acrc nén bố trí I bo , Sbo – Tương ứng mô men quán tĩnh 2.2.2 Tính tốn hình thành vết nứt - Mômen kháng nứt cấu kiện chịu uốn M crc  M bt ser Wpl (9) vùng bê tơng chịu nén với trục trung hòa Trong đó: Wpl xác định theo hệ thức (4) 72 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) Điều kiện để cấu kiện không bị nứt sau: M  M crc Trong đó: M mơmen ngoại lực tiết diện xét - Tính tốn theo mở rộng vết nứt thẳng góc với trục dọc cấu kiện Bề rộng vết nứt thẳng góc với trục dọc cấu kiện acrc (mm), xác định theo công thức:  (10) acrc  i s 20  3,5  100   d Es đó: d – đường kính cốt thép dọc chịu lực  s – ứng suất cốt thép dọc chịu M lực;  s  Z ĐỘ VÕNG VÀ BỀ RỘNG VẾT NỨT BẰNG PHẦN MỀM SAFE THEO TIÊU CHUẨN MỸ ACI 318 VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 1992-1-1 3.1 Giới thiệu phần mềm SAFE phần mềm kết cấu chun dụng tính tốn cho loại sàn bê-tông cốt thép theo phương pháp phần tử hữu hạn sàn giao thoa, sàn không dầm, sàn nấm, ngồi SAFE tính nội lực tính thép cho đài móng đơn móng tổ hợp, móng bè SAFE nằm phần mềm SAP, ETABS, SAFE hãng CSI trường Đại học Berkeley (Mỹ) Hình Biểu tượng phần mềm SAFE V12.3.0 3.1 Tính tốn độ võng vết nứt phần mềm SAFE a Theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002 Các loại tải trọng bao gồm tĩnh tải tiêu chuẩn (DEAD) trọng lượng thân kết cấu, tĩnh tải tiêu chuẩn cấu tạo sàn (SDEAD), hoạt tải tiêu chuẩn toàn phần (LIVE), hoạt tải tiêu chuẩn dài hạn (LLIVE) - Các tổ hợp tính võng xem xét trường hợp theo TCVN 5574-2012: Tác dụng ngắn hạn toàn tải trọng: f1 = 1*DEAD+1*SDEAD+1*LIVE Tác dụng ngắn hạn tải trọng dài hạn: f2 = 1*DEAD+1*SDEAD+1*LLIVE Tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn: f3 = 1*DEAD+1*SDEAD+1*LLIVE Độ võng: f = f1 - f2 + f3 (12) - Các tổ hợp hình thành mở rộng vết nứt Tác dụng ngắn hạn toàn tải trọng: acr1 = 1*DEAD+1*SDEAD+1*LIVE Tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn: acr2 = 1*DEAD+1*SDEAD+1*LLIVE Mơ hình sử dụng đặc trưng hình học, vật liệu tải trọng có kể đến tác dụng vết nứt: Crac king Analysis Options: Quick Tension Rebar Specification Phương pháp tính độ cứng sau nứt Modulus of Rupture kể đến tác dụng dài hạn dùng hai đặc trưng Creep Coefficient (CR) cho từ biến Shrinkage Strain (SH) cho co ngót – Creep Coefficient: Hệ số từ biến Theo tiêu chuẩn ACI 318 -2002, lấy theo thời gian không lớn năm nhiều 2,0 12 tháng … … 1,4 tháng……… 1,2 tháng……… 1,0 Trong mơ hình báo này, lấy CR = 2,0 Còn hệ số SH tiêu chuẩn ACI318 2002 hệ số lấy SH = 0.0005 mặc định SAFE 12 tính tốn theo tiêu chuẩn b Theo tiêu chuẩn Châu âu Eurocode Trong mơ hình SAFE giống tiêu chuẩn ACI 318, xét đến cường độ vật liệu, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 73 hệ số từ biến co ngót bê tông phù hợp tiêu chuẩn Eurocode với tiêu chuẩn Việt Nam Tính tốn tương tự với mơ hình xét đến CR = 1.7 SH = 0.0003 phù hợp với điều kiện tiêu chuẩn Việt Nam c Phân tích trạng thái (State Analysis) SAFE 12 SAFE v12 bổ sung tính phân tích theo State phần Define Load cases/ Initial Conditions/ Continue from State at End of Nonlinear Case Phân tích trường hợp tải với thông số trường hợp tải khác coi giai đoạn chịu tải trước Chức thuận tiện phù hợp với thực tế làm việc kết cấu hơn, đặc biệt cho trường hợp tính võng Có thêm Load Cases với Nh cho ngắn hạn Dh cho dài hạn: + Nh1: 1*DEAD - Nonlinear (Crac ked) Zero Initial Condition + Nh2: 1*SDEAD - Nonlinear (Crac ked) Continue from State at End of Nonlinear Case Nh1 + Nh3-1: 1*LIVE - Nonlinear (Crac ked) Continue from State at End of Nonlinear Case Nh2 + Nh3-2 : 1*LLIVE - Nonlinear (Crac ked) - Continue from State at End of Nonlinear Case Nh2 + Dh1: 1*DEAD - Nonlinear (Longterm Crac ked) - Zero Initial Condition + Dh2: 1*SDEAD - Nonlinear (Longterm Crac ked) - Continue from State at End of Nonlinear Case Dh1 + Dh3: 1*LLIVE - Nonlinear (Longterm Crac ked) - Continue from State at End of Nonlinear Case Dh2 - Như vậy, tổ hợp theo TCVN là: f1 = Nh3-1, f2 = Nh3-2, f3 = Dh3 VÍ DỤ SỐ 4.1 Ví dụ tính tốn đơn Tính tốn độ võng vết nứt cho đơn có chức làm sàn sân khấu, kích thước 6x6m liên kết cạnh ngàm, chiều dày sàn 15cm bố trí thép 12a200 hai phương Chịu tác dụng tải trọng theo (Bảng 1) đặc trưng vật liệu thể (Bảng 2) theo tiêu chuẩn ACI318-2002, TCVN 5574-2012, EUROCODE 1992-1-1 Kết phân tích độ võng thể (Bảng 3), kết phân tích vết nứt thể (Bảng 4) Bảng Các đặc trưng vật liệu tương đương với tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 Tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 ACI 318-2002 Cấp độ bền bê tông Cốt thép B25 có: Rb  14, 5MPa, Rb , ser  18,5MPa AII có: Rs  280 MPa, f y  300MPa Rbt , ser  1, MPa, Eb  30000 MPa Es  210000MPa B25 có: R f c'  b  12, 08 MPa, 1, Grade 40: f y  300 MPa Es  210000 MPa ' c Ec  4730 f MPa  16440 MPa Eurocode 1992-1-1 C20/25 có: f ck  20MPa; Ecm  30000 MPa Nhóm thép S295 có: f y  295MPa; Es  210000MPa Bảng Tải trọng tác dụng Các loại tải trọng Tĩnh tải (DEAD) Giá trị (T/m2) 0,375 Cấu tạo sàn (SDEAD) 0,115 Hoạt tải toàn phần (LIVE) 0,500 Hoạt tải dài hạn (LLIVE) 0,180 Các hình ảnh phân tích độ võng vết nứt từ SAFE: 74 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) Hình Mơ hình sàn SAFE Hình Chất tải trọng (LIVE) lên sàn Hình Độ võng sàn tính theo ACI 318, tác dụng ngắn hạn toàn tải trọng (f1max =7,827mm) Hình Độ võng sàn tính theo Eurocode, tác dụng ngắn hạn toàn tải trọng (f1max =6,837mm) Hình Độ võng sàn tính theo ACI 318 (State Analysis), tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn (f3max =12,698mm) Hình Độ võng sàn tính theo Eurocode, (State Analysis), tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn (f3max =10,704mm) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 75 Hình Vết nứt phía sàn tính theo ACI 318 (State Analysis), tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn (acr2 =0,047mm) Hình Vết nứt phía sàn theo Eurocode, (State Analysis), tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn (acr2 =0,043mm) Hình 10 Vết nứt phía sàn tính theo ACI 318 (State Analysis), tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn (acr2 =0,0105mm) Hình 11 Vết nứt phía sàn theo Eurocode, (State Analysis), tác dụng dài hạn tải trọng dài hạn (acr2 =0,082mm) Bảng Kết phân tích độ võng Tiêu chuẩn áp dụng f1 (mm) TCVN 5574-2012 6,012 ACI 318-2002 7,827 ACI 318-2002 (State Analysis) 4,605 Eurocode 1992-1-1 6,837 Eurocode 1992-1-1(State Analysis) 5,060 f2 (mm) 3,790 3,742 3,061 3,656 3,476 f3(mm) 7,860 16,952 12,698 12,458 10,704 f (mm) 10,082 21,036 14,000 15,639 12,000 [f] (mm) theo TCVN 30,000 30,000 30,000 30,000 30,000 Bảng Kết phân tích vết nứt Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 5574-2012 ACI 318-2002 ACI 318-2002 (State Analysis) Eurocode 1992-1-1 Eurocode 1992-1-1(State Analysis) 76 acr1 (mm) acr2 (mm) 0,049 0,087 0,043 0,066 0,056 0,031 0,051 0,047 0,045 0,043 [acr1](mm) theo TCVN 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 [acr2] (mm) theo TCVN 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 4.2 Nhận xét Việc tính độ võng, hình thành mở rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 phức tạp Sử dụng phần mềm SAFE để tính tốn độ võng vết nứt theo hai tiêu chuẩn Eurocode 1992-2-1 tiêu chuẩn ACI 318-2002 cho kết lớn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 55742012 Có thể sử dụng phần mềm SAFE để thiết kế, đảm bảo an toàn cho kết cấu Tính tốn độ võng vết nứt theo phân tích (State Analysis) cho kết gần với trạng thái làm việc phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết Luận Việc đảm bảo độ võng khống chế bề rộng vết nứt đóng vai trò quan trọng khả chịu lực tính thẩm mỹ Quy trình tính tốn độ võng bề rộng vết nứt theo Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 phức tạp Kết tính tốn độ võng vết nứt thu từ ví dụ số chênh lệch lớn Tính tốn độ võng vết nứt theo phân tích (State Analysis) cho kết gần với trạng thái việc phương pháp tính tốn theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 Do đó, tính tốn sàn nên sử dụng cách phân tích cho tốn phân tích kết cấu thiết kế sàn 5.2 Kiến Nghị Có thể sử dụng phần mềm SAFE tính tốn theo tiêu chuẩn nước với hệ số vật liệu quy đổi tương đương với Tiêu chuẩn Việt Nam để phân tích, ứng dụng thiết kế, tính tốn kiểm tra kết cấu sàn theo trạng thái giới hạn Tiêu chuẩn Việt Nam 5574-2012 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Quang Minh, Ngơ Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2008), Kết cấu bê tông côt thép – Phân cấu kiện bản, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012: Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội EN 1992 Eurocode 2: Design of concrete structures EN 1992 Eurocode 1: Design of concrete structures ACI 318-2002: Building code requirement for structural concrete and commentary Abstract: SLAB CRACKS AND DEFORNATIONS CACULATION FOLLOW VIETNAM STANDARD COMPARED WITH SAFE SOFTWARE Deformations and cracks of structural reinforcement concrete caused affect such as aesthetic appearance and requires use of structural system In calculations, it is usually considered that the bearing capacity is limited to the limitation state 1, but considered rarely the limit deformations and cracks follow limitation state (TCVN 5574-2014) On the other hand, the calculation of deflections and cracks follow Vietnam Standard TCVN 5574-2012 also have some difficulties in design In this paper, the presentation of the deflection and cracks of the reinforcement concrete slab with Vietnam Standard TCVN 5574-2012 compares the results with the SAFE software is calculated with American Standard ACI 318-2002, Europe standard Eurocode 1992-2 have different load cases From there, make evaluations and conclusions Keywords: Deflections, cracks formation and expantion, reinforcement concrete, creep, reinforcement concrete shringking, material nonlinear, Vietnam standard TCVN 5574-2012, American standard ACI 318-2002, Europe standard Eurocode 1992 BBT nhận bài: 27/4/2017 Phản biện xong: 11/6/2017 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 77 ... Z ĐỘ VÕNG VÀ BỀ RỘNG VẾT NỨT BẰNG PHẦN MỀM SAFE THEO TIÊU CHUẨN MỸ ACI 318 VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 1992-1-1 3.1 Giới thiệu phần mềm SAFE phần mềm kết cấu chuyên dụng tính tốn cho loại sàn. .. theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 phức tạp Sử dụng phần mềm SAFE để tính tốn độ võng vết nứt theo hai tiêu chuẩn Eurocode 1992-2-1 tiêu chuẩn ACI 318-2002 cho kết lớn tiêu chuẩn Việt Nam. .. Kết tính tốn độ võng vết nứt thu từ ví dụ số chênh lệch lớn Tính tốn độ võng vết nứt theo phân tích (State Analysis) cho kết gần với trạng thái việc phương pháp tính tốn theo Tiêu chuẩn Việt Nam