Tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ i theo một số tiêu chuẩn thiết kế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ¾¾¾¾¾¾¾¾¾ TRƯƠNG TUN NHẬT TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP TIẾT DIỆN CHỮ I THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2014 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Phản biện 1: PGS.TS Trương Hồi Chính Phản biện 2: TS Phạm Thanh Tùng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 11 tháng 01 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Sự tăng trưởng nhanh kinh tế nước ta thúc đẩy mạnh mẽ tốc độ phát triển ngành xây dựng số lượng đa dạng loại hình kết cấu Các kết cấu làm nhà cao tầng, nhà nhịp lớp, hệ ngày xuất nhiều Việt Nam nước giới Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) ngày sử dụng rộng rãi có hiệu Đánh giá khả chịu lực cấu kiện nhiệm vụ quan trọng công tác thiết kế Trong đánh giá khả chịu cắt cấu kiện chịu uốn đặt biệt cấu kiện dầm dành nhiều quan tâm công tác nghiên cứu Có nhiều tác giả nghiên cứu tiết diện cấu kiện dầm khác chữ nhật, I, T, tiết diện tròn, hộp rỗng Đặc biệt dầm chữ I tiết diện không đổi sử dụng nhiều dầm cầu trục, dầm mái,… nhà công nghiệp, việc đánh giá khả chịu cắt dầm cần quan tâm nghiên cứu Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép Việt Nam hành TCVN 5574:2012 khả chống cắt dầm BTCT đáp ứng yêu cầu thiết kế nhiều yếu tố chưa xem xét, phân tích cách rõ ràng để đánh giá mức hiệu Ngồi nay, có nhiều cơng trình nước ngồi đầu tư vào nước ta, việc thiết kế tính tốn sử dụng tiêu chuẩn khác phép áp dụng Việt Nam Xuất phát từ thực tế luận văn tác giả chọn đề tài “Tính tốn khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ I theo số tiêu chuẩn thiêt kế” nhằm giúp cho nhà tư vấn thiết kế lưu ý sử dụng tiêu chuẩn Việt Nam nước ngồi để tính tốn kiểm tra Mục tiêu nghiên cứu đề tài Mục tiêu đánh giá khả chịu cắt dầm bê tồng cốt thép tiết diện chữ I không đổi, sử dụng bê tông thường với số tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam nước ngồi Là tài liệu tham khảo cho cơng tác thiết kế công tác nghiên cứu khoa khoa học Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 3.1 Đối tượng nghiên cứu Dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ I không đổi sử dụng bê tông thường 3.2 Phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi luận văn học viên nghiên cứu khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép (BTCT) tiết diện chữ I không đổi, sử dụng bê tông thường, theo số tiêu chuẩn Việt Nam nước Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu cách tính tốn lý thuyết so sánh kết tính tốn ví dụ số theo tiêu chuẩn, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết hợp khảo sát ví dụ số Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, nội dung luận văn trình bày gồm chương: Chương 1: Tổng quan kết cấu dầm bê tông cốt thép Chương 2: Một số tiêu chuẩn tính tốn khả chịu cắt dầm btct tiết diện chữ i Chương 3: Khảo sát ví dụ số tính tốn khả chịu cắt dầm btct tiết diện chữ i theo số tiêu chuẩn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP 1.1 DẦM BTCT VÀ CÁC DẠNG TIẾT DIỆN Dầm bê tông cốt thép (BTCT) cấu kiện bê tơng cốt thép chịu uốn, có chiều cao chiều rộng nhỏ so với chiều dài Tiết diện ngang dầm chữ nhật, chữ T, chữ I, hình thang, hình hộp…, 1.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA CÁNH TIẾT DIỆN DẦM CHỮ I 1.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM 1.3.1 Các hình thức phá hoại dầm a Dạng phá hoại uốn b Dạng phá hoại uốn - cắt 1.4 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM VÀ CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN 1.4.1 Khả chịu cắt dầm a Khả chịu cắt dầm khơng có cốt đai b Khả chịu cắt dầm có cốt đai 1.4.2 Mơ hình tính tốn khả chịu cắt dầm bêtơng a Mơ hình giàn với xiên nghiên góc 450 Các tác giả bỏ qua ứng suất kéo bê tông vết nứt xiên giả thiết lực cắt chịu ứng suất nén xiên bê tơng, nghiêng góc 45° trục dọc Khi đề cập việc lựa chọn góc nghiêng ứng suất nén xiên, Mưrsch nhận định hồn tồn khơng thể xác định cách tốn học góc nghiêng vết nứt xiên tuỳ thuộc cách thiết kế cốt đai Với ứng dụng thực tế phải đưa giả thiết bất lợi cho góc nghiêng vậy, tiến tới cách tính tốn thơng thường cho cốt đai với giả thiết góc nghiêng 45o Thực nghiệm cho thấy vết nứt xiên thoải góc 45o Nếu cốt đai thiết kế với góc nghiêng thoải này, dùng đến lượng cốt đai Như vậy, việc lựa chọn góc nghiêng 45o thiên an tồn b Mơ hình dàng có góc nghiêng thay đổi Mơ hình giàn cổ điển thơng thường giả thiết nén giàn song song theo hướng vết nứt khơng có ứng suất truyền qua vết nứt Cách chứng minh cho kết an toàn so sánh với thực nghiệm Trong thực tế có nhiều vết nứt nghiêng nên xuất nhiều góc nghiêng nhiên mơ hình có kể đến tham dự bê tơng phương pháp quan tới tiết diện nghiêng thay đổi nên gọi mơ hình có dàng có góc nghiêng thay đổi c Lý thuyết miền nén miền nén cải tiến Sau dầm BTCT bị nứt, phần bê tông nằm vết nứt tham gia chịu cắt tạo thành dải nén nghiêng Phương pháp đánh giá khả chịu cắt dải bê tông chịu nén nghiêng vết nứt gọi lý thuyết miền nén (CFT) Vấn đề CFT xác định góc nghiêng q Như vậy, thấy rằng: Lý thuyết miền nén bỏ qua đóng góp ứng suất kéo vùng bê tơng bị nứt có ước lượng lớn biến dạng đánh giá thấp cường độ Lý thuyết miền nén cải tiến (MCFT) phát triển lý thuyết miền nén CFT có kể tới ảnh hưởng ứng suất kéo vùng bê tông bị nứt Khi ứng suất kéo kể tới, theo lý thuyết MCFT, kể phần tử khơng có cốt đai dự báo sức kháng cắt đáng kể sau nứt Sức kháng cắt dự báo không hàm lượng cốt thép đai gia cường mà lượng cốt thép dọc Tăng lượng cốt thép dọc tăng sức kháng cắt Qua kết thí nghiệm so sánh với lý thuyết, MCFT đưa điểm tiến so với CFT dự báo tin cậy khả kháng cắt cấu kiện d Mơ hình chống giằng Trước hình thành vết nứt, trường ứng suất đàn hồi tồn xác định cách sử dụng phép giải tích đàn hồi Sự hình thành vết nứt làm đảo lộn trường ứng suất này, gây định hướng lại chủ yếu nội lực Sau hình thành vết nứt, nội lực mơ hình hố cách sử dụng mơ hình chống giằng bao gồm chống chịu nén bê tông, giằng chịu kéo thép mối nối xem vùng nút Nếu chống đầu mút chúng hẹp so với đoạn chống nứt theo chiều dọc Đối với chống khơng có cốt thép điều dẫn đến phá hỏng Các chống có cốt thép nằm ngang để chống lại hình thành vết nứt chịu tải trọng nhiều Sự hư hỏng xảy chảy dẻo chịu kéo phá hỏng vùng nút Cơ cấu kháng cắt thể nén vòm với cốt thép có tác dụng giằng chịu kéo gối tựa Qua nghiên cứu thực nghiệm, với giá trị a/d < 2,5, sức kháng cắt chủ yếu chống - giằng giảm nhanh a/d tăng lên Sự phá hoại vùng chủ yếu nghiền nén Có thể thấy rõ giá trị a/d < 2,5, mơ hình chống - giằng dự báo xác sức kháng cắt a/d > 2,5, việc dùng mơ hình tiết diện có kể đến phần tham dự bê tông Vc phù hợp Trong thời gian gần đây, hàng loạt thí nghiệm khả chống cắt dầm BTCT tiến hành cho thấy mơ hình miền nén cải tiến cho kết gần với kết thực nghiệm vùng B Vì vậy, mơ hình thường xem mơ hình tin cậy để đánh giá khả chống cắt dầm BTCT Các nghiên cứu cho thấy hồn tồn sử dụng mơ hình để tính tốn, nhiên luận văn học viên nêu giới thiệu mơ hình 1.5 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM 1.5.1 Ảnh hưởng nhịp chịu cắt Khi a < h0, tạo dải nén từ lực tập trung gối tựa khả chịu cắt bê tông chịu Sự phá hoại gần cắt tuý với Rbc ≈ 2,5Rbt, lúc cần kiểm tra điều kiện Qmax ≤ 2,5Rbtbh0 khơng cần tính cốt thép cốt thép khơng huy động vào chịu lực Khi h0 ≤ a ≤ 2,5h0, khả chịu cắt dầm chủ yếu theo chế tác động vòm, hình thức phá hoại nén vỡ vùng nén (do nén - cắt) vết nứt nghiêng.Tuy nhiên phá hoại xảy cốt thép dọc neo chặt vào gối tựa Khi 2,5h0 < a < 6h0 dầm chịu tải trọng phân bố đều, phá hoại tác dụng đồng thời M Q Tại tiết diện xuất vết nứt thẳng góc M, phát triển thành vết nứt nghiêng dẫn đến phá hoại vùng nén Ứng suất kéo đầu gối tựa lớn làm xuất vết nứt nghiêng đầu gối tựa nên dầm bị phá hoại theo kiểu quay hai phần dầm quanh vùng nén Lực dính bê tông cốt thép đầu gối tựa giảm nhanh làm cho cốt thép dễ bị tuột Khi a ≥ 6h0, phá hoại phá hoại uốn Như vậy, chủ yếu phá hoại tiết diện nghiêng ảnh hưởng mơmen lực cắt Lực cắt có xu hướng kéo tách phần dầm vng góc với trục dầm Mơmen có xu hướng quay phần dầm quanh vùng nén 1.5.2 Ảnh hưởng tiết diện Việc lựa chọn sơ kích thước tiết diện cơng việc cơng tác tính tốn thiết kế kết cấu BTCT Yếu tố tiết diện có ảnh hưởng trực tiếp tới khả chịu cắt bê tông tức khả chịu cắt dầm Tuy nhiên việc tính tốn thiết kế cần phải lựa chọn tiết diện cho đáp ứng tiêu chí kiến trúc khả chịu lực tiết diện, đồng thời thoả mãn tính hiệu thi cơng, sử dụng kinh tế, cần kết hợp với yếu tố khác 1.5.3 Ảnh hưởng lực tác dụng dọc trục Rõ ràng, ứng suất nén dọc trục làm tăng ứng suất cắt giới hạn cấu kiện, khả chịu cắt dầm cải thiện Ngược lại, khả chịu cắt dầm bị giảm yếu có tác dụng ứng suất kéo dọc trục Có thể thấy lực nén dọc trục có khuynh hướng làm tăng tải trọng gây nứt xiên Lực nén làm vết nứt uốn không phát triển sâu vào dầm, đó, dầm chịu lực cắt lớn thời điểm ứng suất kéo cường độ chịu kéo bê tông Tiêu chuẩn thiết kế kháng cắt số nước đề cập tới ảnh hưởng biểu thức tính tốn khả chịu cắt dầm 1.5.4 Ảnh hưởng cốt thép dọc Thành phần nội lực tiết diện nghiêng dầm gồm lực cắt mômen Cốt thép dọc thiết kế để chịu mômen chủ yếu Tuy nhiên, cốt dọc có tác dụng chốt chèn, chống lại tách phần dầm lực cắt nêu muc 1.4.1 Như vậy, cốt dọc tham gia chịu lực cắt có ảnh hưởng tới khả chịu cắt dầm BTCT điều cần đề cập đến tính toán.Hàm lượng cốt dọc chịu kéo dầm thành phần As - diện tích cốt thép dọc chịu kéo thành phần mômen M Nhận xét: Các yếu tố ảnh hưởng đến khả chịu cắt dầm mơ hình nghiên cứu Việc tính tốn phân tích mơ hình khả chịu cắt dầm nhiều tác giả đề cập Các tiêu chuẩn dựa việc phân tích mơ hình để tính tốn khả chịu cắt dầm nhiên tùy theo tiêu chuẩn nước mà yếu tố ảnh hưởng đề cập đến hay không đề cập đến, viêc khảo sát tiêu chuẩn đươc trình bày chương 10 2.5.1 Tính toán dải nghiêng chịu nén vết nứt xiên 2.5.2 Tính tốn tiết diện nghiêng chịu lực cắt a Đối với kết cấu bê tơng cốt thép có cốt thép đai chịu lực cắt b Đối với kết cấu bê tơng cốt thép khơng có cốt thép đai chịu lực cắt 2.5.3 Tính tốn theo giáo trình kết cấu bê tông cốt thép a Dầm chịu tải phân bố b Dầm chịu tải trọng tập trung 2.6 NHẬN XÉT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM THEO CÁC TIÊU CHUẨN Các tiêu chuẩn có quan điểm khả chịu cắt dầm BTCT khả chịu cắt cốt thép đai khả chịu cắt bê tông dầm Nhưng cách xác định khả chịu cắt bê tơng, cốt thép đai với cách tính tốn tiêu chuẩn có khác nhau, khác yếu tố ảnh hưởng đến khả chịu cắt kể đến, Để xem xét cách tổng quát tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, ACI 318-2008, CSA A.23.3-1994, EC2:2008 khả chịu cắt dầm BTCT, ta tiến hành lập bảng tổng hợp thống kê yếu tố ảnh hưởng kể đến tiêu chuẩn 11 Bảng 2.2: Thống kê yếu tố ảnh hưởng đến khả chịu cắt dầm BTCT đề cập đến tiêu chuẩn hành Các yếu tố ảnh STT hưởng đến khả chịu cắt TCVN 5574:2012 TC ACI TC CSA 318-2008 A.23.3-1994 dầm BTCT TC EC2:200 Cánh chữ I Mô men uốn + + + Hàm lượng cốt dọc + + + Bề rộng tiết diện + + + + Chiều cao tiết diện + + + + Lực kéo dọc trục + + + + + + + + Lực nén dọc trục Bê tơng vùng kéo + + Có thể thấy TCVN 5574-2012 tính tốn khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép xác định theo mặt cắt nghiêng thay đổi số tiêu chuẩn tiên tiến khác Tuy nhiên ACI 3182008, CSA A.23.3-1994, EC2:2008 đưa nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả chịu cắt vào tính tốn ảnh hưởng hàm lượng cốt dọc, mômen uốn, bê tông vùng kéo… Còn tiêu chuẩn TCVN 55742012 chưa xét yếu tố Mặc dù tiêu chuẩn ACI 318-2008, CSA A.23.3-1994, EC2:2008 lại bỏ qua tham dự cánh tiết diện chữ I đến khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép sử dụng tiết diện chữ nhật để tính tốn, kết se an tồn Việc tính tốn vào hình bao biểu đồ nội lực, khơng phân biệt tốn tải trọng tập trung hay phân bố, không phân chia nhiều trường hợp để tính tốn tùy độ lớn tải trọng TCVN 5574-2012 12 Trong tiêu chuẩn cho thấy việc tính tốn khả chịu cắt cốt đai yếu tố ảnh hưởng xét đến Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu ảnh hưởng vào khả chịu cắt bê tơng Việc tính tốn khả chịu cắt dầm chủ yếu đề cập yếu tố ảnh hưởng vào bê tông Như cần nghiên cứu nhiều hớn vào khả chịu cắt bê tông Các tiêu chuẩn này, tiêu chuẩn có tính tốn khác nhau, có đề cập đến yếu tố ảnh hưởng khác Từ để thấy rỏ ảnh hưởng yếu tố, phức tạp cách tính tốn, dự báo khả chịu cắt dầm BTCT theo TCVN 5574-2012 tiêu chuẩn ACI 318-2008, CSA A.23.3-1994, EC2:2008 ta khảo sát ví dụ số chương 13 CHƯƠNG KHẢO SÁT CÁC VÍ DỤ SỐ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BTCT TIẾT DIỆN CHỮ I THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN 3.1 CÁC SỐ LIỆU KHẢO SÁT DẦM BTCT TIẾT DIỆN CHỮ I Xét dầm đơn giản bê tông cốt thép tiết diện chữ I cánh không đối xứng kê lên hai gối tựa tự chịu tải trọng tập trung hình vẽ (hình 3.1): Hình 3.1 Sơ đồ dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ I Khảo sát khả chịu cắt dầm với số liệu: Kích thước tiết diện (b, h, hf, bf, h’f, b’f) b = bw =200mm, h = 1000mm, h0 = d = dw = 930mm, b’f = b’c = 650mm, h’f = h’c = 150mm, bf = bc = 400mm,hf = hc = 150mm, Nhịp tính tốn dầm l = 9000mm Cấp độ bền bê tông B25: (Rb = 14,5MPa, Rbt = 1,05MPa) f’c= fck = Rb/1,2 = 25/1,2 = 20,83MPa = 208,3kg/cm2 Cốt thép dọc chịu lực dùng nhóm C-III: (Rs= Rsc = 365MPa) fy = 1,07.365 =390,55 MPa = 3905,53kg/cm2 Chọn 2f16 có As’= 4,02cm2 bố trí cánh Chọn 10f20 có As= 31,42cm2 bố trí cánh 14 Cốt thép đai chịu cắt dùng nhóm C-I: (Rsw= 175MPa, Rsc = 225MPa) fyt = fywd = 1,05.225 =236,25MPa =2362,5kg/cm2 Chọn thép đai nhánh f8 có Asw = Av = 1,00cm2, s=15cm Lực tập trung P chọn P=200kN Vị trí điểm đặt lực tập trung P a > 2,5ho chọn a = 3000mm ho< a2,5ho a=3000mm 15 Hình 3.4 Biểu đồ mơ men lực cắt dầm ho2,5ho, a=3000mm Tiêu chuẩn Giá trị (kN) Sai khác (%) (1)&(2,3,4) TCVN ACI 318- EC2:2008 CSA A23.3- 5574:2012(Qb) 2004 (Vc) (VRd,c) (1) (2) (3) (4) 154,021 150,175 107,870 119,186 -2,497 -29,964 -22,617 94 (Vcg) Nhận xét: Khi a>2,5h0, kết tính tốn khả chịu cắt bê tông dầm theo tiêu chuẩn TCVN cho giá trị lớn từ 20% đến 30% so với tiêu chuẩn EUROCODE, CSA cho giá trị gần với tiêu chuẩn ACI 17 Khi tính theo TCVN khả chịu cắt bê tơng dầm có xét ảnh hưởng phần cách tiết diện vùng nén thông qua hệ số jf , Đối với tiêu ACI, CSA, EUROCODE tính tốn khả chịu cắt bê tơng dầm tiết diện chữ I tính tốn tiết diện chữ nhật Tiêu chuẩn ACI, EUROCODE công thức tính tốn có xét đến ảnh hưởng hàm lượng cốt thép dọc rw,r1 Tiêu chuẩn ACI công thức tính tốn có xét đến ảnh hưởng mơ men lực cắt tiết diện xét Tiêu chuẩn CSA cơng thức tính tốn có xét đến ảnh hưởng hệ số vật liệu fc =0,6 3.2.2 Khả chịu cắt cốt đai a Tính theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 b Tính theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2004 c Tính theo tiêu chuẩn Châu Âu EC2:2008 d Tính theo tiêu chuẩn Canada CSA.A23.3-1994 Bảng 3.2 Tổng hợp giá trị (%) sai khác khả chịu cắt cốt thép đai theo tiêu chuẩn TCVN với tiêu chuẩn khác a>2,5ho, a=3000mm TCVN Tiêu chuẩn Giá trị (kN) Sai khác (%) (1)&(2,3,4) ACI 318- 5574:2012(Qsw) 2004 (Vs) EC2:2008 (VRd,s) (3) CSA A23.3-94 (Vsg) (4) (1) (2) 217,000 146,475 146,475 124,504 -32,500 -32,500 -42,625 18 Nhận xét: Khi a > 2,5h0, kết tính tốn khả chịu cắt cốt thép đai dầm theo tiêu chuẩn TCVN cho giá trị lớn từ 30% đến 43% với tiêu chuẩn EUROCODE, CSA, ACI Tiêu chuẩn EUROCODE, ACI giá trị Tiêu chuẩn CSA có giá trị nhỏ có xét đến hệ số vật liệu fs = 0,85 Trong q trình tính tốn cốt thép đai theo tiêu chuẩn TCVN, tiết diện nghiêng c0 giới hạn h02,5h0, khả chịu cắt dầm theo tiêu chuẩn TCVN cho giá trị lớn từ 20% đến 35% so với tiêu chuẩn EUROCODE, CSA, ACI Khả chịu cắt dầm theo tiêu chuẩn EUROCODE, CSA cho giá trị gần 3.3 TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ, TRƯỜNG HỢP ho