Bài viết này đề cập đến sự ảnh hưởng của lỗ khoét đến khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép thường bằng cách khảo sát một dầm bê tông cốt thép với các lỗ khoét có vị trí, hình dạng khác nhau trên phần mềm Ansys. Qua đó có các nhận xét, kiến nghị cho công tác thiết kế dầm bê tông cốt thép có lỗ khoét.
KHOA HC & CôNG NGHê Kho sắt nh hừũng cễa lớ khot ẵọn kh nìng chèu lỳc cễa dòm bó téng cêt thÃp thõđng bÙng phßn måm Ansys Testing the hole impacts on the bearing strength of conventional reinforced concrete beams by Ansys software program Hình Sơ đồ dầm c D1 PGS.TS Nguyỗn Ngẹc Phừùng ThS Tròn Viốt Dếng Tóm tắt Bài báo đề cập đến ảnh hưởng lỗ khoét đến khả chịu lực dầm bê tông cốt thép thường cách khảo sát dầm bê tông cốt thép với lỗ khoét có vị trí, hình dạng khác phần mềm Ansys Qua có nhận xét, kiến nghị cho cơng tác thiết kế dầm bê tơng cốt thép có lỗ khoét Abstract This article deals with the hole impacts on the bearing strength of conventional reinforced concrete beams by testing a reinforced concrete beam with holes of different shapes and positions by the ANSYS software program Thereby, comments and recommendations will be made for the design of holed reinforced concrete beams Đặt vấn đề Hiện nay, công trình xây dựng, hệ thống kỹ thuật ngang (đường ống, cáp ) bố trí xuyên qua dầm sàn Để tận dụng tối đa không gian sử dụng đảm bảo thẩm mỹ cơng trình, việc sử dụng dầm bê tông cốt thép (BTCT) với lỗ khoét ứng dụng rộng rãi Việt Nam Tuy nhiên quy định nghiên cứu dầm BTCT với lỗ khoét tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam chưa rõ ràng, gây khó khăn cho kỹ sư thiết kế q trình tính tốn Vì báo đề cập để làm rõ vấn đề Hình Mơ hình 3D dầm Bê tơng cốt thép Ansys 1. Ảnh hưởng hình dáng,kích thước lỗ khoét đến khả chịu lực dầm Sử dụng phần mềm phân tích Ansys v11 dựa phương pháp phần tử hữu hạn để khảo sát dầm có tiết diện 300x700 (mm), cấp độ bền bê tông B25, L= 8m, chịu tải trọng phân bố bề mặt p=0.03 N/mm2, liên kết đầu khớp Trong mô phỏng, mục đích để xét ảnh hưởng lỗ khoét tới khả chịu lực dầm nên cốt thép dọc bố trí gồm 2Ø12 phía 2Ø14 phía Hình Sơ đồ dầm khoét lỗ chữ nhật D2 Khảo sát dầm BTCT có cấu tạo tải trọng hình đến hình Lần lượt khảo sát dầm với sơ đồ hình đến hình Kết phân tích thu ứng suất vết nứt hình hình Hình Sơ đồ dầm khoét lỗ tròn D3 Theo kết từ Ansys, khu vực dự kiến khoét lỗ dầm đặc, giá trị δ1max = 1.042 (N/mm2) δ1min = -0.118 (N/ mm2) Trên thực tế, điều kiện thi công, lỗ kht tròn khơng dụng nhiều nên so sánh ảnh hưởng kích thước lỗ khoét, xem xét lỗ kht hình chữ nhật với vị trí tâm lỗ tương tự dầm D2 Kết ứng suất thể bảng Biểu diễn dạng biểu đồ quan hệ ứng suất với kích thước lỗ kht hình 10 Việc có lỗ kht làm tăng ứng suất dầm so với trường hợp dầm khơng kht lỗ, từ giảm khả chịu lực dầm PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương ThS Trần Việt Dũng Bộ môn Bê tông cốt thép gạch đá, Khoa Xây dựng ĐT: 0903405450, 0919575237 28 Dầm D2 D3 có kht lỗ hình vng lỗ hình tròn với diện tích tương đương đặt vị trí, giá trị tải trọng dầm bắt đầu xuất vết nứt thớ dưới, ứng suất dầm cho trường hợp có chênh lệch, nhiên chênh lệch không lớn T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh Ứng suất dầm D1 S¬ 25 - 2017 29 KHOA HC & CôNG NGHê 3.5 3 2.5 2.5 2 1.5 1.5 1 0.5 0.5 0 Hình Ứng suất dầm D2 Hình Ứng suất dầm D3 -0.5 -1 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 -0.5 Hình 12 Quan hệ ứng suất vị trí lỗ khoét 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hình 13 Quan hệ ứng suất vị trí lỗ khoét Bảng Kết khảo sát dầm với kích thước lỗ khoét thay đổi STT Kích thước lỗ (mm) Ứng suất δ1 (N/mm2) MAX MIN Sự xuất vết nứt Có Khơng Với lỗ kht vng Hình Vết nứt hình thành dầm D2 Hình Vết nứt hình thành dầm D3 100 x 100 2.103 -0.12185 x 150 x 150 2.118 -0.09260 x 200x200 2.112 -0.10182 x 250x250 2.218 -0.11785 x 300x300 2.380 -0.09928 x 350x350 3.201 -1.138 x Với lỗ hình chữ nhật kích thước tương đương lỗ khoét vuông 200x200mm 3.5 100x400 2.231 -0.11921 2.5 400x100 3.070 -0.6745 150x268 2.214 -0.099904 x 1.5 10 268x150 2.108 -0.13277 x x Với lỗ hình chữ nhật kích thước tương đương lỗ khoét vuông 300x300mm 0.5 11 200x450 2.204 -0.14466 -0.5 12 450x200 3.187 -0.79124 13 150x600 2.337 -0.10146 -1 -1.5 100 150 200 250 300 x x x 350 Hình 10 Quan hệ ứng suất kích thước lỗ kht Về kích thước: lỗ rỗng lớn ảnh hưởng đến khả chịu lực dầm nhiều Khi lỗ khoét nhỏ, dầm chưa xuất vết nứt ứng suất dầm có chênh lệch khơng đáng kể Khi dầm có lỗ kht lớn, ứng suất chủ yếu tập trung lỗ khoét, vết nứt hình thành xung quanh khu vực lỗ khoét Sự phát triển lỗ khoét theo chiều cao dầm có ảnh hưởng nhiều nguy hiểm so với việc phát triển theo chiều dọc dầm Ảnh hưởng vị trí lỗ khoét chữ nhật đến khả chịu lực dầm Xét dầm với kích thước lỗ khoét cố định 200x400 (mm) thể hình 11 Hình 11 Sơ đồ dầm với vị trí lỗ kht chữ nhật 30 x TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG 2.1 Ảnh hưởng vị trí lỗ khoét theo phương dọc dầm Theo phương dọc dầm, cố định giá trị hb=100 mm ht =400mm, cho a biến thiên từ đến 4000 mm Kết thể bảng 2,3 Biểu diễn dạng biểu đồ quan hệ ứng suất với vị trí lỗ kht hình 12 Biểu diễn dạng biểu đồ quan hệ ứng suất với vị trí lỗ kht hình 13 Qua kết phân tích ảnh hưởng lỗ khoét theo phương dọc dầm, nhận thấy: Ứng suất dầm có lỗ khoét chịu ảnh hưởng đồng thời lực cắt mômen dầm Khi lỗ khoét sát vị trí gối tựa, nơi có lực cắt lớn mơmen nhỏ ứng suất dầm tương đối lớn Tuy nhiên, vị trí lỗ khoét xa dần vị trí gối tựa, lực cắt giảm mơmen tăng, vị trí cách gối tựa khoảng 1/10÷1/13L dầm cho ta kết ứng suất S¬ 25 - 2017 31 KHOA HC & CôNG NGHê Bng Kt khảo sát dầm với vịt rí lỗ khoét thay đổi thuộc vùng kéo STT Đặc trưng lỗ rỗng (mm) a hb ht Ứng suất δ1 (N/mm2) Max Min Sự xuất vết nứt Có Khơng 1.2 0.8 Lỗ thuộc vùng kéo 500 100 400 1.337 -0.107 x 0.6 600 100 400 1.054 -0.1143 x 0.4 700 100 400 1.201 -0.1303 x 0.2 800 100 400 1.376 -0.1169 x 900 100 400 1.669 -0.1276 x -0.2 1000 100 400 1.726 -0.1073 x -0.4 1100 100 400 1.779 -0.1177 x 1200 100 400 1.802 -0.1173 x 1300 100 400 1.906 -0.1282 x 10 1400 100 400 2.308 -0.1178 x 11 1500 100 400 2.372 -0.1161 x 12 1600 100 400 2.412 -0.1181 x 13 1700 100 400 2.469 -0.1185 x 14 1800 100 400 2.518 -0.1243 x 15 1900 100 400 2.751 -0.3047 100 150 200 250 300 350 Hình 14 Quan hệ ứng suất vị trí lỗ khoét tương đối nhỏ Vị trí vị trí có mơmen nhỏ lực cắt lớn Khi lỗ tiến xa dầm lực cắt giảm không mômen tăng đến giá trị cực đại ứng suất dầm tăng cao Điều chứng tỏ ảnh hưởng mômen đến ứng suất dầm có lỗ lớn so với lực cắt Về vị trí theo phương dọc dầm lỗ kht, nên đặt vùng có mơmen nhỏ x 2.2 Ảnh hưởng lỗ kht theo phương vng góc với trục dầm Bảng Kết khảo sát dầm với vị trí lỗ khoét thay đổi thuộc vùng nén Theo phương vng góc với trục dầm, khảo sát dầm có lỗ khoét cách gối tựa đoạn 600 mm cho lỗ khoét dịch chuyển theo phương đứng với khoảng nhỏ để xem xét biến thiên ứng suất dầm Kết phân tích ứng với trường hợp tổng hợp bảng STT Đặc trưng lỗ rỗng (mm) a hb ht Ứng suất δ1 (N/mm2) Max Min Sự xuất vết nứt Có Khơng Lỗ thuộc vùng nén 500 400 100 1.012 -0.1819 x 1000 400 100 1.064 -0.1315 x 1500 400 100 1.432 -0.2934 x 2000 400 100 1.790 -0.117 x 2500 400 100 1.930 -0.2854 x 3000 400 100 2.212 -0.192 x 3500 400 100 2.367 -0.241 x 4000 400 100 3.079 -0.597 x Bảng Kết khảo sát với vị trí lỗ kht thay đổi theo phương vng góc trục dầm STT Đặc trưng lỗ rỗng (mm) Ứng suất δ1 (N/mm2) Sự xuất vết nứt a hb ht Max Min 600 100 400 1.054 -0.1143 x 600 150 350 1.008 -0.1169 x 600 200 300 1.018 -0.1184 x 600 250 250 1.022 -0.1147 x 600 300 200 0.982 -0.1351 x 600 350 150 0.977 -0.1753 x 32 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Có Khơng Biểu diễn dạng biểu đồ quan hệ ứng suất với vị trí lỗ khoét hình 14 Nhận thấy: Theo chiều cao dầm, chênh lệch ứng suất dầm có thay đổi khơng lớn Vị trí ứng suất kéo lớn vị trí dầm ứng suất nén lớn tập trung cánh lỗ khóet Ứng suất kéo giảm dần ứng suất nén tăng nhanh lỗ khoét nằm vùng nén, nên tránh cho việc phá hoại dòn, cần hạn chế đặt lỗ khoét vào vùng chịu nén dầm Vị trí đặt lỗ khoét nên nằm khu vực trục trung hòa dầm thì ảnh hưởng đến ứng suất dầm nhỏ hài hòa Như vậy, với dầm có lỗ kht nhỏ (diện tích lỗ kht khơng q 60% diện tích tiết diện) ảnh hưởng lỗ kht khơng lớn Q trình tính tốn áp dụng cơng thức dầm đặc thơng thường Vị trí kht lỗ nên bố trí khu vực có nội lực nhỏ dầm, đặc biệt khu vực có mơmen nhỏ Tránh bố trí lỗ kht vào đoạn dầm có mơmen lớn nằm vùng nén dầm Nếu bố trí lỗ kht có hình dáng chữ nhật với cạnh dài lỗ nằm theo phương dọc dầm ảnh hưởng tới khả chịu lực dầm nhỏ Kết luận kiến nghị Với dầm BTCT thường liên kết hai đầu khớp, xuất lỗ khoét thân dầm làm tăng ứng suất dầm, từ giảm khả chịu lực dầm Lỗ khoét làm gián đoạn phân phối ứng suất, giảm tiết diện, tạo tập trung ứng suất gây vết nứt hình thành xung quanh lỗ kht Khi kích thước lỗ khoét nhỏ, làm việc dầm tương tự dầm đặc, khả chịu lực dầm không bị ảnh hưởng nhiều Với loại kích thước khác cho thấy, phát triển lỗ khoét theo chiều cao dầm có ảnh hưởng nhiều nguy hiểm so với việc lỗ phát triển theo chiều dọc dầm Các lỗ kht có diện tích tương đương gây ảnh hưởng lên dầm tương đương bố trí hợp lý Khi kích thước lỗ khoét lớn ảnh hưởng đáng kể đến khả chịu lực tính tốn thiết kế dầm Lỗ kht lớn chia dầm thành thanh: Thanh phía phía Q trình tính tốn tính độc lập cho Vị trí lỗ khoét hợp lý trường hợp dầm đơn giản chịu tải phân bố lỗ khoét cách gối tựa khoảng 1/10 nhịp dầm theo phương vng góc với trục dầm, lỗ khoét đặt vùng trục trung hòa ảnh hưởng đến dầm bé Khu vực đặt lỗ kht vị trí có mơmen lớn ảnh hưởng đến khả chịu lực dầm bất lợi Cần bổ sung rõ việc thiết kế cho dầm có lỗ khoét tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT Việt Nam TCVN 5574-2012 để thuận lợi cho công tác thiết kế./ T¿i lièu tham khÀo Nguyễn Trung Hòa,(2008), ” Kết cấu bê tơng cốt thép theo quy phạm Hoa Kì”, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội Nguyễn Viết Trung,(2000) “ Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép đại theo tiêu chuẩn ACI”, Nhà xuất giao thơng vận tải Đình Bá Trụ-Hồng Văn Lợi, (2003),“Hướng dẫn sử dụng ansys”, Học viện kỹ thuật quân TCVN 5574-2012, Kết cấu bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế M.A Mansur-Kiang Hwee Tan, (1999), “Concrete beam with opening- Analysis and design” S¬ 25 - 2017 33 ... suất với vị trí lỗ kht hình 13 Qua kết phân tích ảnh hưởng lỗ khoét theo phương dọc dầm, nhận thấy: Ứng suất dầm có lỗ khoét chịu ảnh hưởng đồng thời lực cắt mômen dầm Khi lỗ khoét sát vị trí gối... với trục dầm, lỗ kht đặt vùng trục trung hòa ảnh hưởng đến dầm bé Khu vực đặt lỗ kht vị trí có mơmen lớn ảnh hưởng đến khả chịu lực dầm bất lợi Cần bổ sung rõ việc thiết kế cho dầm có lỗ khoét tiêu... dầm ảnh hưởng tới khả chịu lực dầm nhỏ Kết luận kiến nghị Với dầm BTCT thường liên kết hai đầu khớp, xuất lỗ khoét thân dầm làm tăng ứng suất dầm, từ giảm khả chịu lực dầm Lỗ khoét làm gián đoạn