ứng xử của cột BTCT tiết diện chữ L chịu tải trọng động đất

ứng xử của cột BTCT tiết diện chữ L chịu tải trọng động dâtd

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng nội dung của bản luận văn này chưa được nộp cho bất

kỳ một chương trình cấp bằng cao học nào cũng như bất kỳ một chương trình đào tạo cấpp bằng nào khác

Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn này ( ngoài các phần được trích dẫn) đều trung thực có nguồn gốc rõ ràng

TP Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả

Trần Đức Tùng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo Sau Đại học,

Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ tôi

trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến PGS - TS Nguyễn Xuân

Huy đã tận tình giúp đỡ và cung cấp những tài liệu quý báu giúp tôi trong quá

trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Trong quá trình học tập cao học tại Trường Đại học Giao thông Vận tải,

quá trình nghiên cứu đề tài và đạt được như ngày hôm nay tôi xin cảm ơn và ghi

nhớ công lao của các Thầy giáo, cô giáo đã nhiệt tình giảng dạy và hướng dẫn

Tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình, và đồng nghiệp đã giúp

đỡ và tạo điều kiện để tôi được học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn chắc chắn chưa đáp ứng

được một cách đầy đủ nhất những vấn đề đã đặt ra và không thể tránh khỏi

những thiếu sót và hạn chế Tác giả xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm

túc những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Trân trọng cảm ơn./

Tác giả

Trần Đức Tùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT BTCT CÓ TIẾT DIỆN BẤT ĐỐI XỨNG 3

1.1 Tìm hiểu chung: 3

1.2 Sự làm việc của cột BTCT tiết diện chữ L 10

1.2.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu cột BTCT tiết diện chữ L 10

1.2.2 Các nhược điểm của các nghiên cứu 20

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN CỘT BTCT TIẾT DIỆN CHỮ L 21

2.1 Cơ sở lý thuyết 21

2.1.1 Khái niệm nén lệch tâm 21

2.1.2 Các trường hợp nén lệch tâm 24

2.2 Nghiên cứu mô phỏng 26

2.2.1 Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi 26

2.2.2 Phương pháp giả thiết vùng biên chịu mô men 28

2.2.3 Đặt bài toán so sánh 30

2.2.4 Thiết kế cột 31

2.2.5 Thiết kế cột chữ L 35

2.2.6 Thiết kế cột vuông 41

2.2.7 So sánh độ cứng tiết diện vuông và tiết diện chữ L 45

2.2.8 So sánh giải pháp thiết kế hai loại cột 51

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỘT BTCT CHỊU ĐỒNG

THỜI TẢI TRỌNG NGANG VÀ TẢI TRỌNG THẲNG ĐỨNG 53

3.1 Giới thiệu thí nghiệm 53

3.2 Phân tích kết quả 55

3.2.1 Quan sát mẫu thí nghiệm thứ nhất 57

3.2.2 Quan sát mẫu thí nghiệm thứ hai 63

3.3 Đánh giá ảnh hưởng của phân bố cốt thép tới ứng xử cột BTCT tiết diện chữ L 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Kết quả thí nghiệm 19

Bảng 2.1: Tính toán cột lệch tâm xiên 23

Bảng 2.2: Thông số thiết kế kết cấu công trình 30

Bảng 2.3: Kết quả tính trong phần vách 1 39

Bảng 2.4: Kết quả tính trong phần vách 2 40

Bảng 2.5: So sánh giải pháp thiết kế hai loại cột 51

Bảng 3.1 : Tổng hợp kết quả thí nghiệm 75

Bảng 3.2: So sánh kết quả thí nghiệm hai mẫu thí nghiệm 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Mặt đứng tổng thể công trình 4

Hình 1 2 : Bên trong căn hộ - vị trí tiết diện cột điển hình 5

Hình 1 3: Mặt đứng tòa nhà đang thi công 6

Hình 1 4: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L 7

Hình 1 5: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L 8

Hình 1 6: Vị trí cột dạng vách sau khi đổ bê tông 9

Hình 1 7: Mẫu thí nghiệm 10

Hình 1 8: Mặt cắt ngang của cột 11

Hình 1 9: Cột trước và sau thí nghiệm 11

Hình 1 11: So sánh giữa cột chữ L và cột hình vuông 12

Hình 1 12: Sơ đồ thí nghiệm và chi tiết các mẫu 13

Hình 1 13: Dạng phá hoại của cột có mặt cắt chữ L 14

Hình 1 14: Mặt cắt các tiết diện cột trong thí nghiệm 15

Hình 1 15: Sơ đồ thí nghiệm 16

Hình 1 16: Thực hiện thí nghiệm 16

Hình 1 17: Hình ảnh mẫu sau thí nghiệm 18

Hình 2 1: Sơ đồ nội lực nén lệch tâm xiên 21

Hình 2 2: Sơ đồ tính toán cột lệch tâm xiên 22

Hình 2 3: Sơ đồ tính cột dạng vách 26

Hình 2 4: Minh hoạ cách chia phần tử 27

Hình 2 5: Mặt cắt & mặt đứng vách tính theo phương pháp vùng biên 29

Hình 2 6: Mô hình công trình sử dụng giải pháp cột vuông 33

Hình 2 7: Mô hình công trình sử dụng giải pháp cột L 34

Hình 2 8: Kích thước tiết diện hình chữ L và tọa độ trọng tâm 35

Hình 2 9: Chia vách 1 thành 4 phần tử 38

Hình 2 10 Chia vách 2 thành 4 phần tử 39

Hình 2 11: Bố trí cốt thép trong cột tiết diện chữ L 41

Hình 2 12 Kích thước mặt cắt ngang của tiết diện cột hình vuông 42

Hình 2 13: Bố trí cốt thép trong cột hình vuông 45

Hình 2 14 : Biếu đồ so sánh chuyển vị phương X, Y cột vuông 46

Hình 2 15: Biểu đồ so sánh chuyển vị phương X,Y cột L 47

Hình 2 16: Kết quả so sánh chuyển vị hai cột 48

Hình 2 17: Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động của hai cột 49

Hình 2 18: Biểu đồ so sánh môment chân cột 51

Hình 3 1: Cơ cấu làm việc cột tầng 1 53

Hình 3 2: Thiết kế thí nghiệm 53

Hình 3 3: Thiết kế bản mũ cột 54

Hình 3 4: Thiết kế bản đế cột 54

Hình 3 5: Đổ bê tông mẫu 54

Hình 3 6: Hình vẽ bố trí thép cột hai thí nghiệm 55

Hình 3 7 : LVDT gắn tại đỉnh cột 56

Hình 3 8: Đầu đo gia tốc gắn tại đỉnh cột 56

Hình 3 9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm và mặt đứng mẫu 56

Hình 3 10: Quá trình lắp dựng mẫu thí nghiệm thứ nhất 58

Hình 3 11: Các vết nứt ngang xuất hiện 59

Hình 3 12: Các vết nứt thí nghiệm mẫu thứ nhất 60

Hình 3 13: Kết thúc thí nghiệm 61

Hình 3 14: Các loại vết nứt quan sát được sau thí nghiệm 63

Hình 3 15: Lắp dựng mẫu thí nghiệm vào giá 64

Hình 3 16: Lắp đặt các cảm biến 65

Hình 3 17: Lăp đặt hệ kích vào thân cột 65

Hình 3 18: Quá trình trang trí mẫu thí nghiệm 66

Hình 3 19 : Mẫu thí nghiệm sau khi được hoàn tất 66

Hình 3 21: Khoảng cách vết nứt ngang (phương vuông góc tải trọng) 68

Hình 3 22: Các vết nứt phát triển về số lượng lan ra mặt sau của cột 68

Hình 3 23: Các vết nứt nghiêng xuất hiện (cùng phương tải trọng) 69

Hinh 3 21: Đo chuyển vị 70

Hình 3 24: Kết thúc thí nghiệm mẫu thứ hai 71

Hình 3 25: Hình ảnh so sánh vết nứt ngang cùng phương tải trọng 72

Hình 3 26: Hình ảnh so sánh vết nứt ngang vuông góc phương tải trọng 72

Hình 3 27: Hình ảnh vết nứt nghiêng mặt ngoài cột 73

Hình 3 28: Hình ảnh vết nứt nghiêng mặt trong cột 73

Hình 3 29: Hình ảnh phá hoại hai mẫu thí nghiệm 74

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Với sự phát triển của kinh tế- xã hội, số lượng nhà cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều tại Việt Nam Việc sử dụng mặt cắt dạng đăc biệt (chữ L,V,…) đối với cột BTCT trở nên phổ biến bởi những yêu cầu về kiến trúc và công năng Tuy nhiên, cơ sở thiết kế các cột có dạng mặt cắt bất đối xứng - trong đó có dạng chữ L chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và mô phỏng đơn giản Một số nghiên cứu

đã được thực hiện ở trong và ngoài nước nhưng chưa làm rõ hết những ứng xử cục bộ, phức tạp của cột BTCT mặt cắt chữ L Điều đó dẫn đến việc thiết kế các cột dạng chữ L trong khung BTCT được triển khai hiện nay chưa đảm bảo tính hợp lý cả về phương diện kỹ thuật lẫn kinh tế

Ứng xử cục bộ của cột BTCT có mặt cắt chữ L phụ thuộc vào nhiều tham số như độ mảnh, lực dọc, bố trí cốt thép, cường độ bê tông Bên cạnh các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng, rất cần thiết có những minh chứng thực nghiệm để làm rõ sự làm việc của dạng cột này Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép tới ứng xử cột bê tông cốt thép” có tính cấp thiết cao

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xác định được ảnh hưởng của sự phân bố cốt thép tới ứng xử của cột BTCT có tiết diện bất đối xứng chịu tải trọng đứng và ngang đồng thời thông qua nghiên cứu thực nghiệm

III Đối tượng nghiên cứu

Cột bê tông cốt thép có tiết diện chữ L

IV Phạm vi nghiên cứu

Cột BTCT có 2 trường hợp bố trí cốt thép, bố trí cốt thép tập trung và bố trí cốt thép phân bố đều

V Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm

VI Kết cấu của luận văn

Ngoài Lời mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, kết cấu của luận văn gồm 03 chương:

Chương 1: Tổng quan về cột BTCT có tiến diện bất đối xứng

Chương 2: Cơ sở tính toán cột BTCT tiết diện chữ L

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu đồng thời tải trọng ngang và tải trọng đứng

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT BTCT CÓ TIẾT DIỆN

BẤT ĐỐI XỨNG

1.1 Tìm hiểu chung:

Trong những năm gần đây nhà cao tầng đang phát triển rất mạnh và ngày càng phổ biến tại Việt Nam Cho đến nay giải pháp kết cấu chịu lực chính chủ yếu vẫn là kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực, kết cấu liên hợp bê tông cốt thép Theo xu hướng mới yêu cầu về thẩm mỹ nhà cao tầng cũng được ưu tiên hơn Nhà cao tầng đỏi hỏi công tác thiết kế các phòng chức năng và không gian chung trở nên linh hoạt và hợp lý, kiểu kiến trúc bố trí các cột có tiết diện như vuông, chữ nhật hay tròn, đã dẫn đến giảm không gian sử dụng và thẩm mỹ của công trình Chính vì vậy để nâng cao hiệu quả kinh tế và thẩm mỹ công trình việc sử dụng cột dạng vách chữ nhật, tiết diện chữ V, L được sử dụng rộng rãi

Ưu điểm của cấu kiện cột dạng vách chữ nhật, chữ V, L có mômen kháng uốn cao hơn cột tiết diện vuông, từ đó làm tăng độ cứng tổng thể kết cấu và giảm chuyển vị ngang công trình Mặt khác nhược điểm của cột tiết diện chữ L, V là ứng xử sau đàn hồi của cột Dưới tác dụng điều kiện gia tải, sự tập trung nhiều ứng suất nén gây ra từ mô men uốn kết hợp với lực dọc trục có thể dẫn đến phá hoại cục bộ hoặc sự mất ổn định của cánh chịu nén đặc biệt là vị trí cánh dưới chân cột, gây ra sự giảm trong độ cứng chống uốn và độ bền Ngoài ra cột được cấu tạo từ các tấm có chiều dày mỏng nên độ cứng kháng xoắn thấp dẫn đến cột

bị phả hủy đột ngột do xoắn

Hình ảnh minh họa công trình nhà cao tầng đang được triển khai thi công tại thành phố Hà Nội trong đó cột được bố trí dạng vách và chữ L, V được áp dụng, Hình 1.1 đến hình 1.6

➢ Dự án - Khu hỗn hợp cao tầng dịch vụ thương mại và nhà ở + Chủ dầu tư : Công ty TNHH 19-12 Bắc Hà

+ Địa điểm : Trung kính - Cầu Giấy- Hà Nội

+ Đang triển khai thi công tháng 10 năm 2017

Hình 1 1: Mặt đứng tổng thể công trình

Hình 1 2 : Bên trong căn hộ - vị trí tiết diện cột điển hình

➢ Khu nhà cao tầng kết hợp thương mại và dịch vụ công cộng

Địa điểm: Lô đất A10 khu đô thị Nam Trung Yên - Cầu Giấy - Hà Nội; Tiến độ: Đang triển khai thi công phần thô tháng 10/2017

Số tầng : 37 tầng

Hình 1 4: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L

Hình 1 5: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L

Hình 1 6: Vị trí cột dạng vách sau khi đổ bê tông

1.2 Sự làm việc của cột BTCT tiết diện chữ L

1.2.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu cột BTCT tiết diện chữ L

Hiện nay, tại Việt Nam và trên thế giới có ít các nghiên cứu về ứng xử của cấu kiện cột bê tông cốt thép tiết diện chữ L Có thể liệt kê ra một số nghiên cứu nêu dưới đây:

+ Nghiên cứu của Hsu [9]:

Hsu đã đề xuất các công thức giải tích và tiến hành chuỗi thí nghiệm trên 10 cột ngắn bê tông cốt thép có tiết diện chữ L dưới tác dụng nén lệch tâm xiên Mẫu cột chữ L liên kết cứng ở hai đầu được thí nghiệm tĩnh đến phá hoại Kết quả thí nghiệm cho thấy các mẫu bị phá hủy khi chịu với các vết nứt ngang xuất hiện ở giữa cột và một vài vết nứt nhỏ xuất hiện dọc theo chiều dài cột

Hình 1 7: Mẫu thí nghiệm

Hình 1 8: Mặt cắt ngang của cột

Hình 1 9: Cột trước và sau thí nghiệm

+ Nghiên cứu của Ramamurthy và Khan [11]:

Các tác giả tiến hành loạt thí nghiệm trên cột bê tông cốt thép có mặt cắt chữ L và hình chữ nhật nhằm xác định sức kháng của cột khi chịu nén lệch tâm xiên Kết quả thí nghiệm cho thấy dạng phá hoại cũng tương đồng như nghiên cứu của Hsu Sức kháng của cột có mặt cắt chữ L không chênh lệch nhiều so với mặt cắt có tiết diện chữ nhật “quy đổi” Hình 1.10 và 1.11

Hình 1 10 Sơ đồ thí nghiệm Hình 1 11: So sánh giữa cột chữ L và cột

hình vuông

+ Nghiên cứu của Li và Phạm [10]:

Các tác giả đã tiến hành thí nghiệm với 10 mẫu cột bê tông cốt thép chịu đồng thời tải trọng nén đúng tâm và tải trọng lặp theo phương ngang Quan sát

kết quả thí nghiệm cho thấy có 2 dạng phá hoại đối với cột: dạng phá hoại chẻ dọc thân cột và uốn ở 2 đầu cột Khác với cột có tiết diện chữ nhật, lực nén dọc không ảnh hưởng đến sức kháng cắt của cột Phương của tải trọng ngang tác dụng lên cột ảnh hưởng khá rõ ràng tới sức kháng cắt của cột

Hình 1 12: Sơ đồ thí nghiệm và chi tiết các mẫu

Hình 1 13: Dạng phá hoại của cột có mặt cắt chữ L

+ Aman [8] thực hiện bốn thí nghiệm gần như tĩnh trên bốn bức tường tiết

diện chữ L bằng bê tông chịu cắt dưới sự tác dụng của tải dọc trục kết hợp tải trọng tuần hoàn Các mẫu thí nghiệm này có thể phân loại như kết cấu bán lắp ghép được xây dựng các tấm panel chế tạo trước làm việc như một dạng bê tông trong thời gian xây dựng Tác giả đã báo cáo rằng tất cả các mẫu thử bị phá hủy uốn với một vài vết nứt phồng ở thép dọc tại mép cánh tự do song song với hướng của tải trọng ngang Ngoài ra, sự giảm độ bền của các mẫu gần điểm phá hủy rõ ràng hơn bởi giá trị đỉnh của tải tuần hoàn ngang giảm đáng kể

+ Nguyễn Xuân Huy, Phạm Xuân Đạt [12]

Đã thực hiện thí nghiệm với 05 tổ mẫu, mỗi tổ mẫu bao gồm 02 cột với cùng thông số kết cấu được thử nghiệm phá hủy bằng cách dùng bàn rung để nghiên cứu tác dụng của tải trọng ngang đối với từng loại tiết diện cột Mẫu thí nghiệm được thiết kế với tỷ lệ ¼ từ cột của tòa nhà, các mẫu được đúc cùng một diện tích mặt cắt, hàm lượng cốt thép nhưng khác nhau về hình dạng mặt cắt, bao gồm hình chữ L, chữ V và hình vuông truyền thống

Để mô phỏng ứng xử của các cột này dưới tác động của động đất ngoài thực

tế, 2 mẫu thí nghiệm trong một nhóm được neo hoàn toàn với khối bê tông có kích thước 700x840x2400mm, nặng 3,5T qua đầu phía trên bằng cách sử dụng

bu long cường độ cao Mục đích của khối bê tông đó là để tạo ra lực nén dọc trục

có giá trị

'

0.1Agf cvà cũng đồng hời đóng vai trò như một vật rắn tạo ra hiện tượng trượt cơ học do lực cắt Mỗi mẫu được đặt trên bàn lắc với 2 tấm thép ở bên bản đáy Quá trình gia tải được tăng liên tục đến đỉnh gia tốc Thông qua thí nghiệm đã kiểm tra được sự ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang của cột đến khả năng chịu tải trọng ngang của công trình cũng như dạng phá hoại của nó Một số thông số đầu vào của nghiên cứu này được thể hiện hình 1.14; 1.15;1.16

Hình 1 14: Mặt cắt các tiết diện cột trong thí nghiệm

Hình 1 15: Sơ đồ thí nghiệm

Hình 1 16: Thực hiện thí nghiệm

Năm nhóm mẫu đều được tác dụng theo một phương từ bàn rung với đỉnh gia tốc đồ tăng dần cho đến khi mẫu bị phá hoại Ở bước đầu tiên, đỉnh gia tốc

đồ được gán là 1m s/ 2 Ngoại trừ việc mất dữ liệu gia tốc đặt trên khối lượng của mẫu cột V-dài, mọi kết quả đều được thu về đầy đủ: (i) chuyển vị ngang ở đỉnh

và chân mẫu, (ii) gia tốc của khối lượng của 4/5 mẫu, (iii) thông số biến dạng của các cốt thép Sau mỗi bước gia tải, sự phát triển của vết nứt được ghi lại trực tiếp trên mẫu

Hình 1 17: Hình ảnh mẫu sau thí nghiệm

Hình 1.17 minh họa trạng thái phá hoại của các mẫu cột sau khi thí nghiệm Sự phá hoại của các mẫu khá đa dạng bao gồm các vết nứt ngang (do uốn), chéo (do cắt) tại các vị trí và ở những thời điểm khác nhau Ngoài ra, cũng xuất hiện việc gãy đứt của cốt thép trong quá trình thí nghiệm đối với mẫu cột dạng hình vuông

Bảng 1.1 tóm tắt lại những kết quả chính trong quá trình thí nghiệm cũng như các quan sát hiện trường của mỗi mẫu: giá trị gia tải lớn nhất, chuyển vị ngang tương đối, dạng và thời điểm xuất hiện vết nứt

Bảng 1.1: Kết quả thí nghiệm

Dạng tiết diện

cột

Đỉnh gia tốc tác dụng (m/s2)

Chuyển vị tương đối lớn nhất theo phương ngang (mm)

Dạng vết nứt và thời điểm tương ứng

Các nhận xét được đưa ra:

- Các dạng cột tiết diện chữ L và chữ V chịu tải trọng ngang tốt hơn so với cột dạng hình vuông truyền thống Ở trạng thái phá hoại do lực dọc, khi cột vuông gần như mất hết khả năng làm việc (xuất hiệu vỡ bê tông diện rộng, cốt thép đứt), các cột dạng đặc biệt vẫn có chưa bị phá hoại nghiêm trọng

- Trong 5 nhóm mẫu tiến hành thí nghiệm, cột dạng V-dài là sự lựa chọn tốt nhất để thiết kế chịu tải trọng ngang Ngoài ưu điểm về kiến trúc, cột V-dài

có độ cứng và sức kháng đối với lực dọc lớn Cột vẫn không bị phá hoại lớn ngay khi đỉnh gia tốc đồ lên tới 12 2

/

m s cũng như khả năng hấp thụ năng lượng tốt

- Như quan sát trên hiện trường, độ mảnh của cột đã ảnh hưởng đến hình thành vết nứt nói riêng và dạng phá hoại nói chung Vì thế, cần tiếp tục nghiên cứu với nhiều dạng mặt cắt khác để tìm ra quy luật của sự thay đổi này

1.2.2 Các nhược điểm của các nghiên cứu

Qua phân tích trên có thể thấy trên thế giới cũng như tại Việt Nam, các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về ứng xử chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng của cột BTCT tiết diện chữ L là chưa nhiều Các kết quả nghiên cứu thường mới mang tính định tính - chủ yếu là mô tả các dạng phá hoại của cột mà chưa có những ứng dụng cụ thể trong thực tế thiết kế công trình Ngoài ra, điểm chung của các nghiên cứu trên là đều được thí nghiệm tựa tĩnh Do đó, việc nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng ứng xử của cột BTCT tiết diện chữ L chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang có tính cấp thiết trong giai đoạn hiện nay

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN CỘT BTCT TIẾT DIỆN

CHỮ L

2.1 Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết tính toán cột lêch tâm xiên được trình bày trong giáo trình

“Thiết kế cột bê tông cốt thép” [4]; cho trường hợp cột chịu nén lệch tâm xiên

chỉ áp dụng cho trường hợp cột có kích thước thỏa mãn tỷ số

1 2

b

h

2.1.1 Khái niệm nén lệch tâm

➢ Nén lệch tâm xiên là trường hợp nén lệch tâm mà mặt phẳng uốn không chứa trục đối xứng của tiết diện

➢ Thực tế thường gặp ở tiết diện hình chữ nhật có hai trục đối xứng (tiết diện tròn không xảy ra nén lệch tâm xiên)

➢ Gọi hai trục đối xứng của tiết diện là Ox và Oy Góc giữa mặt phẳng uốn

M

Hình 2 1: Sơ đồ nội lực nén lệch tâm xiên

➢ Có thể phân mômen uốn M thành hai thành phần tác dụng trong hai mặt phẳng chứa trục Ox và Oy là Mx và My (Xem hình vẽ 1.1)

Mx = M.coso

My = M.sino

(2 1)

➢ Trường hợp khi tính toán nội lực đã xác định và tổ hợp riêng Mx và My

theo hai phương thì mômen tổng M là:

➢ Tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm xiên thì cốt thép thường đặt theo chu

vi và đối xứng qua hai trục Trường hợp Mx My thì nên làm cột vuông

Công thức gần đúng tính toán cấu kiện BTCT chịu nén lệch tâm xiên

Xét tiết diện có cạnh Cx, Cy Điều kiện để áp dụng phương pháp gần đúng là: 0.5 

y

x

C

C  2, cốt thép được đặt theo chu vi, phân bố đều hoặc mật độ cốt thép

trên cạnh b có thể lớn hơn (cạnh b được giải thích ở bảng về mô hình tính) Tuy

nhiên với trường hợp 2 <

O

ox e

Hình 2 2: Sơ đồ tính toán cột lệch tâm xiên

Tiết diện chịu lực nén N, momen uốn Mx, My, độ lệch tâm ngẫu nhiên eax,

eay Sau khi xét uốn dọc theo hai phương, tính được hệ số x, y Moment đã gia tăng Mx1; My1

Mx1=xMx; My1= yMy (2 4) Tùy theo tương quan giữa hai giá trị Mx1, My1 với kích thước các cạnh mà đưa về một trong hai mô hình tính toán (theo phương x hoặc y) Điều kiện và ký hiệu theo bảng sau:

Bảng 2.1: Tính toán cột lệch tâm xiên

Mô hình Theo phương Mx Theo phương My

M

C > x1

x

M C

o

x m

h

= −

x1 > h0 thì m0 = 0,4

(2 6) Tính mômen tương đương (đổi nén lệch tâm xiên ra nén lệch tâm phẳng)

Với kết cấu siêu tĩnh : e0= max(e1, ea)

l i

y y

l i

Hệ số ảnh hưởng độ lệch tâm e:

1(0,5 )(2 )

b e

st

sc b

N

R bh A

sc

x

Ne R bx h A

kR Z

Hệ số k < 0,5 là hệ số xét đến việc đặt cốt thép phân bố theo chu vi cho toàn

bộ tiết diện Quy định lấy k=0,4

Cốt thép được đặt theo chu vi, trong đó cốt thép đặt theo cạnh b có mật độ lớn hơn hoặc bằng mật độ theo cạnh h

2.2 Nghiên cứu mô phỏng

Tiêu chuẩn thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép hiện hành của Việt nam [10] chưa đề cập cụ thể cách tính toán loại cấu kiện cột tiết diện dạng vách, tiết diện chữ L Theo một số tiêu chuẩn nước ngoài như ACI 318 [7] hình 2.3, BS 8110, việc tính toán thiết kế cột dạng vách đã được đề cập cụ thể, trong đó phương pháp tính toán dựa trên giả thiết tiết diện phẳng khi thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép Cột tiết diện chữ L sẽ được thiết kế giống như cột dạng vách trong đó mỗi phần cánh cột sẽ chịu lực theo tỷ lệ diện tích (lực dọc) và tỷ lệ độ cứng (mô men)

2.2.1.1 Mô hình :

Phương pháp này chia vách thành những phần tử nhỏ chịu lực kéo hoặc nén đúng tâm, coi như ứng suất phân bố đều trong mỗi phần tử Tính toán cốt thép cho từng phần tử Thực chất là coi vách như những cột nhỏ chịu kéo hoặc nén đúng tâm

Các giả thiết cơ bản:

Hình 2 4: Minh hoạ cách chia phần tử

➢ Bước 3: Tính lực dọc tác dụng vào mỗi phần tử do lực dọc N và mô men trong mặt phẳng Mx gây ra:

'

0.85 0.8

A A

 =0.9 : hệ số giảm độ bền khi chịu uốn

➢ Bước 5: Kiểm tra hàm lượng cốt thép Nếu Asc < 0: đặt cốt thép chịu nén theo cấu tạo

2.2.2 Phương pháp giả thiết vùng biên chịu mô men

2.2.2.1 Mô hình

Phương pháp này cho rằng cốt thép đặt trong vùng biên ở hai đầu tường được thiết kế để chịu toàn bộ mô men Lực dọc trục được giả thiết là phân bố đều trên toàn bộ chiều dài tường

Các giả thiết cơ bản:

➢ Ứng lực kéo do cốt thép chịu

➢ Ứng lực nén do cả bê tông và cốt thép chịu

2.2.2.2 Các bước tính toán

➢ Bước 1: giả thiết chiều dài B của vùng biên chịu mô men Xét vách chịu lực dọc trục N và mô men uốn trong mặt phẳng Mx Mô men Mx tương đương với một cặp ngẫu lực đặt ở hai vùng biên của tường

mx n

Hình 2 5: Mặt cắt & mặt đứng vách tính theo phương pháp vùng biên

➢ Bước 2: Xác định lực kéo hoặc nén trong vùng biên:

A A

➢ Bước 5: kiểm tra phần tường còn lại giữa hai vùng biên như đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm Trường hợp bê tông đã đủ khả năng chịu lực thì cốt thép chịu nén trong vùng này được đặt theo cấu tạo

số và kích thước kết cấu thể hiện trên bảng 2.1:

Bảng 2.2: Thông số thiết kế kết cấu công trình

Thép Ø>10mm loại AIII fy=3650 kG/cm2 fy=3650 kG/cm2

(CIII - CB400V)

2.2.4 Thiết kế cột

Phân tích và thiết kế kết cấu công trình sử dụng hai giải pháp tiết diện cột BTCT có diện tích mặt cắt ngang tương đương nhau: (i) tiết diện hình vuông (600x600mm) và (ii) tiết diện chữ L (2000x2000x300mm)

Tải trọng gió được tính toán như sau:

a Thành phần gió tĩnh:

* Tải trọng gió tính toán tác dụng lên tầng thứ j của công trình:

Giá trị của thành phần tĩnh tải trọng gió tại điểm có độ cao Z so với mốc chuẩn là:

W = n.W0.k.c.Bj.hj + W0: Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng áp lực trong TCVN 2737-

1995 Với địa hình Hà Nội là vùng IIB  W0 = 95 Kg/m2

+ k : Hệ số tính toán kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao và địa hình, + c : Hệ số khí động, phía gió đẩy c = + 0,8

phía gió hút c = - 0,6 + n: hệ số vượt tải n = 1,2

+ Bj và hj lần lượt là bề rộng đón gió và chiều cao tầng

b Thành phần gió động:

+ Khi f<fL ( fL=1,3Hz công trình BTCT thuộc vùng áp lực gió II-tra bảng TCXD 229-1999), cần tính tải trọng cho n dạng dao động, số n xác đinh theo điều kiện fn<fL<fn+1 Giá trị thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên tàng thứ j trong dạng dao động riêng thứ i được xác định như sau:

+ i Là hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i, không thứ nguyên, phụ thuộc vào thông số ei và độ giảm loga của dao động

+ Wj Là giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió

+ i Hệ số áp lực động của tải trọng gió

+  Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió ( v=0,728)

Từ các dữ liệu đầu vào sử dụng phần mềm Etabs version 9.7.4 trong phân tích kết cấu và thiết kế cốt thép cột vách (phần tính toán chi tiết xem trong phần phụ lục) Quá trình thực hiện và kết quả thu được như thể hiện ở các hình dưới đây: