Ứng dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao bê tông ứng lực trước.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , NGUYỄN GIA TUYẾN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH HÙNG Phản biện 2: TS TRẦN ANH THIỆN Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 03 năm 2019 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thiết kế, tính tốn dầm thơng thường giả thiết Bernulli giả thiết quan trọng Tuy nhiên giả thiết khơng xác với dầm cao phân phối biến dạng dầm cao phi tuyến Do phương pháp tính tốn dầm thơng thường khơng phù hợp tính tốn dầm cao, cần phương pháp khác Và phương pháp áp dụng thiết kế, tính tốn dầm cao phương pháp mơ hình “giàn ảo” Hiện nay, phương pháp mơ hình giàn ảo chấp nhận để phân tích tính tốn kết cấu, có tiêu chuẩn ACI, Eurocode Đã có nhiều đề tài, nhiều viết liên quan đến việc tính tốn dầm cao phương pháp mơ hình giàn ảo Tuy nhiên, cấu kiện dầm cao chọn nhiều mơ hình giàn ảo khác để tính tốn (do mơ hình giàn ảo u cầu đường tải trọng cân tĩnh), kết khác với mơ hình chọn khác Hiện nay, nghiên cứu thực tính tốn dầm cao mơ hình giàn ảo dầm cao thơng thường, dầm cao có kht lỗ….và chưa thấy nghiên cứu đề cập đến tính tốn dầm cao dự ứng lực trước Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán dầm cao dự ứng lực trước phương pháp mơ hình giàn ảo cần thiết để đưa giải pháp cấu tạo, khảo sát ứng xử, trạng thái làm việc kết cấu nhằm áp dụng hiệu tính tốn dầm cao dự ứng lực trước phương pháp mơ hình giàn ảo xây dựng nhà cao tầng có khơng gian kiến trúc tầng thơng thống rộng rãi khơng bị vướng nhiều hệ cột Đó lý để thực đề tài: “Ứng dụng mơ hình giàn ảo thiết kế dầm cao ứng lực trước” 2 Mục tiêu nghiên cứu Tổng quan mơ hình chống giằng mơ hình chống giằng thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép ứng lực trước Xây dựng mơ hình giàn ảo, thiết kế chế tạo mẫu thực thí nghiệm mẫu dầm bê tông cốt thép ứng lực trước đề xuất quy trình tính tốn cho dầm cao sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Dầm cao Phạm vi nghiên cứu: Mơ hình giàn ảo thiết kế dầm cao bê tông cốt thép ứng lực trước Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết: Thu thập tài liệu, tìm hiểu lý thuyết tính tốn dầm cao, lý thuyết mơ hình giàn ảo tiêu chuẩn ACI tài liệu có mơ hình giàn ảo tính tốn cho dầm cao bê tơng cốt thép Đề xuất quy trình thiết kế dầm cao sử dụng mơ hình giàn ảo thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước, khảo sát tham số ảnh hưởng Phương pháp thực nghiệm: Xác minh kết tính tốn lý thuyết với kết thực nghiệm Kết dự kiến Mơ hình giàn ảo thiết kế dầm cao ứng lực trước Trình tự tính tốn thiết kếdầm cao mơ hình giàn ảo sử dụng bê tơng cốt thép ứng lực trước Các kết thí nghiệm xác minh kết tính tốn Bố cục đề tài Đề tài gồm có chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÀN ẢO VÀ BÊ TƠNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC Chương 2: MƠ HÌNH GIÀN ẢO SỬ DỤNG CHO DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC Chương 3: XÁC MINH QUY TRÌNH TÍNH TỐN VỚI THÍ NGHIỆM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÀN ÁO VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1 SƠ LƯỢC VỀ MƠ HÌNH GIÀN ẢO VÀ ỨNG DỤNG CỦA MƠ HÌNH GIÀN ẢO 1.2 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO 1.3 TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO 1.3.1 Khái niệm dầm cao 1.3.2 Các phân tích trạng thái làm việc dầm cao 1.3.3 Các mô hình giàn ảo dầm cao 1.3.4 Tính tốn thiết kế, sử dụng mơ hình giàn ảo 1.4 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 1.4.1 Giới thiệu dầm cao bê tông ứng lực trước 1.4.2 Ưu, nhược điểm dầm cao ứng lực trước 1.4.3 Các ứng dụng dầm cao bê tông ứng lực trước 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO CHO DẦM CAO SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 2.1 MƠ HÌNH GIÀN ẢO TÍNH TỐN DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC Theo thực tế dụng, mơ hình dầm cao chịu lực tập trung sử dụng phổ biến (dầm chuyển đỡ cột bên trên) Vì vậy, luận văn tác giả chọn dầm cao chịu hai lực tập trung (với tỉ lệ a/d=1) để nghiên cứu mơ hình tính Khảo sát dầm cao chịu lực hai tập trung P Khoảng cách hai gối tựa L, khoảng cách từ tải trọng tới vị trí gối tựa a Chiều cao dầm d, khoảng cách hai vị trí đặt lực a1 a1 a d a L Hình 2.1 Dầm cao hai lực tập trung Sử dụng phần mềm sap 2000 để phân tích để quan sát ứng suất nén dầm cao Từ thấy đường truyền tải trọng toán dầm cao chịu hai lực tập trung Hình 2.2 Ứng suất nén dầm cao với tỷ lệ a/d=0,5 Hình 2.3 Ứng suất nén dầm cao với tỷ lệ a/d=1 Hình cho thấy, trường hợp a/d= 0,5 đường tải trọng truyền trực tiếp từ vị trí đặt tải tập trung tới gối tựa Trường hợp a/d= thấy rõ đường truyền tải trọng đường truyền thẳng từ vị trí đặt tải trọng tới gối tựa Dựa vào phân tích ứng suất đàn hồi dầm cao lực nén trước cáp, tác giả lựa chọn mơ hình giàn áo sau: Vn P Vn P Hình 2.4 Sơ đồ giàn ảo hai lực tập trung chịu ứng lực trước Theo kết ứng suất phân tích đàn hồi nguyên tắc lượng biến dạng tối thiểu theo biểu thức Fi Li mi Minimum (Fi, Li, εmi lực, chiều dài biến dạng trung bình phần tử thứ i giàn ảo), mơ hình giàn ảo (MSTM) cho dầm cao ứng lực trước gối tựa đơn giản chịu tải tập trung đối xứng hình vẽ bao gồm nút A bên trên, nút B bên dưới, chống AB, chống thứ cấp AC BC, chống theo phương ngang giằng theo phương ngang Hình 2.5 Mơ hình giàn ảo hiệu chỉnh cho mơ hình dầm cao ứng lực trước Hiển nhiên, mơ hình khơng thể mang thêm tải trọng chống AB bị nén vỡ mặt cho chống thứ cấp AC BC hoạt động hiệu Vì vậy, phá hoại chống AB xác định trạng thái tới hạn mơ hình, chống thứ cấp có tác dụng chuyển tải Tuy nhiên, để đạt khả chịu lực cao hơn, phá hoại sớm, chẳng hạn trượt cáp, nên ngăn chặn để đảm bảo chống thứ cấp hoạt động hỏng mô hình giàn ảo Từ điều kiện cân lực nút C: Fpe cos Fc2 sin p Fc1 cos Fc2 cos Fc1 sin Trong đó: sin cos Fc1 Fc2 h0 hp p sin( ) sin cos p sin( ) Fpe (2.1) Fpe hp góc e a e chống AC BC so với phương ngang, Fc1 Fc2 lực chống AC BC; hp khoảng cách từ đỉnh dầm đến điểm neo cáp ứng lực trước; h0 chiều cao làm việc dầm, a nhịp chịu cắt đo điểm đặt lực tập trung tâm gối tựa; e khoảng cách từ tâm gối tựa đến đầu dầm; Fpe ứng lực trước hiệu Vì nút B bên chịu ứng suất nén – kéo đồng thới lớn arctan arctan ; xác định khả chịu lực mơ hình.Từ điều kiện cân lực nút B cơng thức có: Vn Fc2 sin Fc sin s T Fc cos Trong đó: m s p sin )sin ; n s (2.2) mFpe s Vn tan Fc2 cos sin cos sin( Vn sin (2.3) nFpe s sin cos sin( p sin( )sin s s ) ; Fc T lực chống AB giằng nằm dưới; s góc nghiêng chống AB Ứng suất nén f2 chống AB nút B tính theo cơng thức: Fc f2 A str (2.4) Với Astr tiết diện ngang chống nút B định nghĩa: Astr bw (la cos s l b sin s ) (2.5) Trong đó: bw bề rộng bụng (bề rộng dầm); la chiều dày nút B; lb bề rộng mang tải Cho ứng suất kéo f1 nút B định nghĩa Tan sau: f1 kT sin A c / sin s kp (2.6) s Trong đó: p ứng suất kéo trung bình tương đương cắt qua chống chính; Ac diện tích tiết diện ngang dầm; k k’ hệ số phân bố ứng suất nút B nút A tương ứng Tan đề xuất k’=0 k=2 Như hình, xem xét cốt thép dọc nghiêng góc wi so với phương ngang khoản cách theo phương đứng hwi từ đỉnh dầm đến giao điểm cốt thép với trục chống AB Từ điều kiện cân lực theo hướng f1 điều kiện cân mô men nút A, k k’ tính sau: h k ' wi h0 k h wi h0 (2.7) 10 bw lc fc' Fc1 cos Fc cos Vn qFpe tan s lc bw fc' tan s q sin cos p sin( s s (2.11) (2.12) ) (2.13) sin( )sin s h la / l c / (2.14) s a Trong công thức lc chưa biết xác định ban đầu, cần phải tính lặp Để đơn giản ta giả thiết l a = lc tính tốn Vn hai lần liên tiếp cho chênh lệch nhỏ 2% Như với cách bố trí cốt thép cáp ứng lực dầm ta xác định khả chịu lực dầm 2.2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC Hình 2.6 Giản đồ tính dầm cao ứng lực trước sử dụng mơ hình giàn ảo Bước 1: Thơng số hình học dầm gồm: 11 a – khoảng cách từ điểm đặc tải đến tâm gối tựa e – khoảng cách từ tâm gối tựa đến đầu dầm bw – bề rộng dầm h – chiều cao dầm h0 – chiều cao làm việc la, lb – chiều cao bề rộng nút B lc – chiều cao nút A Bước 2: Thông số đầu vào cáp ứng lực trước gồm: Φcáp – đường kính cáp ứng lực n – Số lượng cáp Asp – Diện tích cáp fpy – giới hạn chảy cáp fpu - giới hạn bền cáp ftổn hao - Ứng suất tổn hao cáp Eps – Mô dul đàn hồi cáp Fban đầu – Lực căng cáp ban đầu Bước 3: Thông số đầu vào bê tông cốt thép - Dự định số cốt thép thường bố trí miền kéo: n số đường kính cáp; fy – giới hạn chảy cốt thép thanh; - Chọn cấp độ bền bê tông, xác định khả chịu kéo f’c bê tơng Bước 4: Tính tốn thiết kế ft + Tính θs từ cơng thức 2.14 Giả thiết lc = la với la=2(h-h0) h la / l c / s a + Xác định ft từ công thức 2.8 kAs fy sin s Aw fyw sin( s w ) k p (Fps Fpe )sin( s p1 ) Ac / sin s Ac / sin s Ac / sin s fct 12 + Tính Vn từ cơng thức 2.9 2.10 knFpe sin s 0.8mFpe ft Ac / sin s fc' Astr Vn1 k sin s 0.8 ' 2ft A c fc Astr sin s Vn2 (fc' Astr mFpe )sin s Chọn giá trị nhỏ Vn1 Vn2 + Tính lại lc theo cơng thức 2.12, so sánh lc lần liên tiếp cho không vượt 2% lc Vn qFpe tan bw fc' tan s s Bước 5: Cấu tạo cốt thép.+ Cốt thép nằm ngang sườn dầm: Ah / (b.S h ) 0.0015 + Cốt thép thẳng đứng sườn dầm: Av / (bs S v ) 0.0025 + Kiểm tra cốt thép chịu lực phá vỡ bụng chống hình chai vi sin i 0,003 + Xác định đoạn neo cốt thép: lan (0.02 f y fc' ) b Trong đó: λ=1; =1 cho bê tơng thường Bước 6: Thể vẽ 2.3 VÍ DỤ MINH HỌA THIẾT KẾ DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC Xác định khả chịu lực dầm cao ứng lực trước chịu hai lực tập trung với tỉ số a/d =1 có kích thước hình học hình vẽ Biết bê tơng sửu dụng có f’c=30MPa, cốt thép sử dụng 10 miền kéo 10 vùng nén Cường độ giới hạn chảy cốt thép fy=350MPa Bố trí cáp ứng lực trước 12.7mm với quỹ đạo hình Giới hạn chảy cáp fpy=1670MPa, giới hạn bền 13 fpu=1860MPa Tấm đặc tải trọng phản lực làm thép kích thước 200x250 dày 20mm 600 600 600 2Ø10 600 Ø8 a150 2Ø10 Ø12 2Ø10 1800 250 Hình 2.7 Bố trí cốt thép dầm cao ứng lực trước Bước 1: Mơ tả kích thước hình học dầm Bảng 2.1: Kích thước hình học dầm bw (mm) h (mm) h0 (mm) a (mm) e (mm) lb (mm) hp (mm) la (mm) lc (mm) 250 600 550 600 100 200 400 100 49.5 (rad) Ac (mm2) hp1 (mm) kp k 0.785 150000 455 2.96 w (rad) Α (rad) (rad) Astr (mm2) 0.22689 0.983 0.519 51744.6 p1 Bước 2: Thông số đầu vào cáp ứng lực trước gồm: Bảng 2.2: Thông số vật liệu cáp ứng lực trước cáp Aps (mm) (mm ) 12.7 98.71 n fpy fpu Eps (MPa) (MPa) (GPa) 1670 1860 200 fban đầu ftổn hao f pe (MPa) (MPa) (MPa) 1302 130.2 Bước 3: Thông số đầu vào bê tông cốt thép 1171.8 14 Bảng 2.3: Bê tông cốt thép f'c (MPa) fct (MPa) fy (MPa) fyw (MPa) (mm) 30 2.60682 350 350 10 Bước 4: Xác định s n As (mm2) 157.08 (góc nghiêng chống AB) với giả thuyết lc = 49.5mm, h - la /2 - lc /2 600 100 / 49.5 / 0.719 s a 600 Bước 5: Xác định ft tính tốn khả chịu lực ft Vn1 Vn2 4x107.08 350 sin0.719 50.3 sin(0.719 0.785) 150000 / sin0.719 150000 / sin0.719 2.96 (168845 115668)sin(0.719 0.227) 2.607 3.76(MPa) 150000 / sin0.719 Tính Vn từ công thức (2.9) (2.10), chọn giá trị nhỏ 0.729 115668 sin 0.719 0.8 0.612 115668 3.76 150000 / sin 0.719 30 51744.6 301.7kN sin(2 0.719) 0.8 20 3.76 150000 30 51744.6 sin 0.719 ' (fc Astr mFpe )sin s =(30 51744.6 + 0.612 115668)sin0.719=1069.1(kN) Tính lc: Vn qFpe tan s 301.7 103 0.245 115668 tan0.719 lc 49.73mm 250 30 tan0.719 bw fc' tan s Kiểm tra: ∆l/lc = (49.5 - 49.73)/49.5 = 0.46% < 2% (thỏa) → Khả chịu lực dầm: Vn = 301.7kN Bước 6: Cấu tạo cốt thép dầm + Cốt thép nằm ngang sườn dầm: Dùng 10 đặt phía bên mặt sườn, cự ly cách Sh = 250 mm chạy suốt chiều cao dầm Ah / (b.S h ) 78.5 / (250 250) 0.0021 0.0015 15 + Cốt thép thẳng đứng sườn dầm: Dùng đặt phía bên mặt sườn, cự ly cách Sn =150 mm chạy suốt chiều dài dầm Av / (bs S v ) 50.3 / 250 / 150 0.0027 0.0025 + Kiểm tra cốt thép chịu lực phá vỡ bụng chống hình chai vi sin i 0.0021 sin250 0.0027 sin650 0,0033 0,003 + Xác định đoạn neo cốt thép lan (0.02 f y fc' ) b (0.02 1 350 145.03 / 30 145.03) b 15 Trong đó: λ=1; =1 cho bê tông thường Với 10 → lan = 150mm b 16 THIẾT KẾ DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC CHỊU HAI LỰC TẬP TRUNG THƠNG SỐ HÌNH HỌC CỦA DẦM a 600 (mm) e 100 (mm) bw 250 (mm) h 600 (mm) h0 550 (mm) la 100 (mm) lb 200 (mm) lc 49.5 (mm) Ac 150000 (mm2) hp 400 (mm) hp1 455 (mm) α 0.98279 rad β 0.51915 rad θp1 0.22689 rad THÔNG SỐ CÁP ỨNG LỰC TR ƯỚC ϕcáp 12.7 (mm) n Asp Cáp 98.71 (mm2) fpy 1670 MPa fban đầu 1302 MPa fpu 1860 MPa ftổn hao 130.2 MPa Eps 200000 MPa fpe 1171.8 MPa fy 350 MPa THÔNG SỐ VẬT LIỆU BÊ TÔNG, CỐT THÉP f' c 30 MPa n fct 2.607 MPa ϕ β1 0.85 As 10 (mm) 157.08 (mm2) TÍNH TỐN + Phá hoại nén: Vn1 301.698 kN + Phá hoại nút: Vn2 1069.13 kN lc Δl/lc Khả chịu lực dầm Vn 49.7298 (mm) 0.46%