Khảo sát sự tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng hạn chế nở hông do cốt đai gây ra trong cột bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN THANH KHẢO SÁT SỰ GIA TĂNG CƢỜNG ĐỘ BÊ TÔNG NHỜ HIỆU ỨNG HẠN CHẾ NỞ HÔNG DO CỐT ĐAI GÂY RA TRONG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 85 80 201 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN QUANG HƢNG Phản biện 1: PGS.TS TRƢƠNG HỒI CHÍNH Phản biện 2: TS NGUYỄN HUY GIA Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 09 tháng 11 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 Lý chọn đề tài Cột bê tông cốt thép loại kết cấu phổ biến cơng trình Sự phá hoại cột ảnh hưởng đến phá hoại kết cấu khác ngun nhân dẫn đến phá hoại tồn kết cấu cơng trình Cường độ bê tơng đưa vào tính tốn xác định thơng qua thí nghiệm nén mẫu khơng có hạn chế nở hơng Trong thực tế, bê tơng bị hạn chế nở hông cốt thép Do vậy, nhằm khảo sát vai trò cốt đai ảnh hưởng đến cường độ chịu nén bê tông cột bê tông cốt thép, đề tài nghiên cứu: “Khảo sát tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng hạn chế nở hông cốt đai gây cột bê tơng cốt thép” có ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu Dựa vào kết có sẳn, khảo sát thay đổi cường độ bê tông cột thay đổi thông số kích thước cột, đường kính bước đai, cấp bến bê tơng Qua đề xuất giảm tiết diện cột hợp lý xét đến yêu cầu đảm bảo hạn chề nở hơng thiết kế kết cấu cơng trình Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Cường độ chịu nén bê tông - Phạm vi nghiên cứu: Ảnh hưởng cốt đai đến hạn chế nở hông gây cốt đai cột BTCT Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào kết nghiên cứu có sẳn giới, từ khảo sát ảnh hưởng thông số cấu kiện bê tông cột Bố cục đề tài Mở đầu Nội dung Chương 1: Tổng quan cường độ chịu nén bê tông Chương 2: Sự làm việc bê tông cột bị hạn chế nở hông Chương 3: Khảo sát gia tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng hạn chế nở hông cốt đai gây cột bê tông cốt thép Kết luận kiến nghị CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG 1.1 Các khái niệm bê tông - bê tông cốt thép 1.2 Cƣờng độ bê tông yếu tố ảnh hƣởng Cường độ tiêu quan trọng thể khả chịu lực vật liệu Cường độ bê tông phụ thuộc vào thành phần cấu trúc Trong kết cấu xây dựng, bê tông chịu nhiều tác động khác nhau: chịu nén, uốn, kéo, trượt, chịu nén ưu lớn bê tơng Khi bị nén, ngồi biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, bê tơng cịn bị nở ngang Thơng thường nở ngang mức làm cho bê tông bị nứt bị phá vỡ Nếu hạn chế mức độ nở ngang bê tơng làm tăng khả chịu nén Trong thí nghiệm khơng bơi trơn mặt tiếp xúc mẫu thử bàn máy nén xuất lực ma sát có tác dụng cản trở nở ngang, kết mẫu bị phá hoại theo hình tháp đối đỉnh hình 2.2b Nếu bơi trơn mặt tiếp xúc để bê tơng tự nở ngang biến dạng ngang mức mẫu xuất vết nứt dọc phá hoại xảy hình 2.2c Cường độ mẫu bơi trơn thấp cường độ mẫu khối vng có ma sát - Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông: + Hàm lượng cốt thép ngang ( w): + Cường độ chảy thép đai (fyw): + Cường độ chịu nén bê tông (fc): + Khoảng cách lớp cốt đai (s): + Cách thức cấu tạo cốt đai: + Cốt thép dọc: 1.3 Kết luận Trong chương này, tác giả trình bày khái quát bê tông, trọng đến khả chịu nén bê tông nhân tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén bê tông Nếu hạn chế mức độ nở ngang bê tơng làm tăng khả chịu nén bê tông 5 CHƢƠNG SỰ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG TRONG CỘT KHI BỊ HẠN CHẾ NỞ HƠNG 2.1 Bê tơng bị hạn chế nở hông 2.1.1 Cường độ nén bê tông 2.1.2 Bê tông hạn chế nở hông theo tiêu chuẩn EN1992- 1-1-2004 2.1.3 Quan hệ ứng suất – biến dạng bê tơng nở hơng 2.1.4 Mơ hình cột tiết diện tròn bọc đai liên tục 2.1.5 Ứng dụng vào cột tiết diện chữ nhật đặt cốt đai Hình 2.1 2.1.6 Khái niệm cột tương đương Cường độ cực đại bê tông hạn chế nở hông - biểu thức Légeron Paultre (2003) (2.1) Áp lực hạn chế nở hông hiệu dụng trở thành: Biến dạng tương đối cốt đai là: (2.2) (2.3) Hình cơng thức nêu thể mối quan hệ / I’e , xác định qua kết nghiên cứu thực nghiệm Từ kết nghiên cứu Cusson Paultre (1995), mối quan hệ đề xuất cho phép áp dụng với nhiều loại bê tông khác sau: (2.4) (2.5) 2.2 2.3 Các mơ hình xác định cƣờng độ bê tông bị hạn chế nở hông 2.2.1 Mô hình Richart (1928) 2.2.2 Mơ hình Mander (1988) 2.2.3 Mơ hình sửa đổi Scott (2001) Các bƣớc tính tốn theo mơ hình Légeron Paultre Bước 1: Tính tốn dụng cốt thép kháng nở hơng theo phương y Ke sey Ashy (2.6) sc Bước 2: Tính thông số K K Ke f 'c sey E s 'c (2.7) Bước 3: Tính ứng suất cốt thép thời điểm bê tông bị hạn chế nở hông đạt ứng suất lớn nhất: f hy f 'h 0.25 f 'c 10) sey ( K 0.43 'c E s & f hy (2.8) Bước 4: Tính áp suất hữu hiệu tác dụng lên lõi bê tông theo phương y thời điểm ứng suất cốt thép đạt f’h f 'ley sey f 'h Bước 5: Tính số hạn chế nở hông hữu hiệu: (2.9) I 'e f 'ley (2.10) f 'c Bước 6: Tính cường độ bê tông bị hạn chế nở hông: 0.24( I 'e )0.7 f 'c f 'cc (2.11) Bước 7: Tính biến dạng bê tông bị hạn chế nở hông tương ứng với cường độ f’cc 'cc 2.4 35( I 'e )1.2 'c (2.12) Kết luận Chương tác giả tập trung phân tích làm việc bê tông bị hạn chế nở hông, mối quan hệ ứng suất biến dạng bê tông bị nở hơng Trình bày mơ hình xác định cường độ bê tông hạn chế nở hông Xác định cường độ cực đại bê tông hạn chế nở hông bê tông theo biểu thức Légeron Paultre với bước tính tốn cụ thể 9 CHƢƠNG KHẢO SÁT SỰ GIA TĂNG CƢỜNG ĐỘ BÊ TÔNG NHỜ HIỆU ỨNG HẠN CHẾ NỞ HÔNG DO CỐT ĐAI GÂY RA TRONG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1 Tổng quan ví dụ áp dụng Luận văn dùng mơ hình Légron Paultre để tính tốn bê tơng bị kiềm chế nở hơng Hình 3.1 Các tiết diện cột khảo sát Bảng 3.1 Mô tả tiết diện Mô tả tiết diện Ký hiệu Hình a: Tiết diện cột vng, đai đơn COL-A Hình b: Tiết diện trịn, đai trịn COL-B Hình c: Tiết diện vng, đai kép COL-C Hình d: Tiết diện vuông, đai kép COL-D 3.2 Xét cột vng 250x250 Xét cột loại COL-A có thơng số sau: Hình 3.2 Tiết diện cột 250x250 Bê tơng C20/25 theo EC2: có cường độ đặc trưng fck=20MPa, cường độ trung bình fcm=28MPa, mơ đun đàn hồi Eb=3.103MPa, c=0.02 Thép có fy=295MPa, mơ đun đàn hồi Es=2.105MPa Tiết 10 diện vng 250x250 có đai 6sl00, cốt dọc 16 Lớp bảo vệ cốt thép 20mm (tính từ tim cốt đai) − Theo liệu cho ta có thơng số hình học sau: Khoảng cách cốt thép đai: s=100mm Kích thước lõi bê tơng bị bó: c=250-2x20=210mm Diện tích lõi bê tơng: Acc=cxc=210x210=44100 mm2 Diện tích cốt đai tính theo phương y: Ashy =2(3.14*62/4)=56.52mm2 Cường độ bê tông: f’c=fcm=28MPa Biến dạng bê tông điểm tương ứng với fcm: ’c= c=0.002 Giới hạn chảy thép: fhy=fy=295MPa Tổng diện tích cốt dọc: 4x(3.14x162/4)=803.84mm2 Suy tỉ lệ thép dọc: cc=803.84/44100=0.018 Tiến hành bước tính tốn mục 2.3 Ke sey K f 'h s 4c cc Ke Ke Ashy s.c 100 4.210 0.0018 0.79 f 'c sey E s 'c 0,25 f 'c ( K 10) 56.52 100.210 0.0079 205,53MPa 0.79 0.00213 28 0, 00213.2.105.0, 002 0,43 'c Es 172MPa& sey f 'ley sey f 'h 0,00213.205,53 0, 437 MPa f hy 26 10 295MPa 11 I 'e f 'cc 'cc f 'ley f 'c 0, 437 28 0, 016 0, 24( I 'e )0,7 f 'c 35( I 'e )1,2 'c 0, 24(0,016)0,7 28 28, 4MPa 35(0,016)1,2 0,002 0,0025 Từ kết nhận thấy: Khi có cốt đai cường độ chịu nén cột tăng: 28, 28 100 1,43% 28 3.3 Xét cột vuông 1000x1000 Tỉ lệ cường độ bê tông bị kiềm chế nở hông cường độ bê tông thường fcc’/fc’ với khoảng cách cốt đai s Hình 3.3 Tiết diện cột 1000x1000 3.3.1 Thông số đầu vào Sử dụng bê tông C40/50 thép đai EXCEL để khảo sát 6, 8, 10, lập bảng tính 12 Bê tơng C40/50 theo EC2 có: Cường độ đặc trưng fck 40 MPa Cường độ trung bình fcm 48 MPa Mơ đun đàn hồi Eb 3.00E+03 MPa cc =2*f'cc / E cc 0.004 Thép Cường độ fy Mô đun đàn hồi 295 MPa Es 2.00E+05 MPa Cột Cạnh Cạnh Lớp bảo vệ Kích thước lõi Diện tích lõi b h abv c Acc 1000 1000 30 940 883600 mm mm mm mm Thép đai D s n Ashy 10 50 392.7 mm mm D Asd 20 mm 5026.55 mm2 Bố trí thép Hệ số đai Thép dọc 16 mm2 Hình 3.4 Các thông số đầu vào cho cột 1000x1000 Kết 3.3.2 Bảng 3.2 Kết tỉ lệ f’cc/f’c ứng với trường hợp s (mm) s (mm) 75 100 125 150 175 200 250 f'cc/f'c (D6) 1.0104 1.0083 1.0063 1.0063 1.0042 1.0042 1.0042 f'cc/f'c (D8) 1.0208 1.0146 1.0125 1.0104 1.0083 1.0083 1.0063 f'cc/f'c (D10) 1.0917 1.0292 1.0188 1.0146 1.0125 1.0125 1.0083 13 Hình 3.5 Đồ thị f’cc/f’c khoảng cách đai s(mm) Nhận xét 3.3.3 Khoảng cách đai tăng kết hội tụ giá trị hay nói cách khác f’cc=f’c, tức đai thưa vai trị hạn chế nở hơng giảm Đai có đường kính lớn mức độ ảnh hưởng đến khả chống nở hông cột tăng 3.4 Xét cột chữ nhật (thay đổi tiết diện 500x500, 500x600 , 500x700, 500x800, 500x900, 500x1000, 500x1200) 3.4.1 Thông số đầu vào Sử dụng bê tông C40/50 thép đai EXCEL để khảo sát 6, 8, lập bảng tính 14 Bê tơng C40/50 theo EC2 có: Cường độ đặc trưng fck 40 MPa Cường độ trung bình fcm 48 MPa Mơ đun đàn hồi Eb 3.00E+03 MPa cc =2*f'cc / E cc 0.004 Thép Cường độ fy Mô đun đàn hồi 295 MPa Es 2.00E+05 MPa Cột Cạnh Cạnh Lớp bảo vệ Kích thước lõi Diện tích lõi b h abv c Acc 1000 500 30 940 883600 mm mm mm mm Thép đai D s n Ashy 10 100 392.7 mm mm D Asd 20 mm 3769.91 mm2 Bố trí thép Hệ số đai Thép dọc 3.4.2 12 mm2 Kết Bảng 3.3 Kết tỉ lệ f’cc/f’c ứng với giá trị tiết diện (mm) thay đổi h (mm) f'cc/f'c (D6) f'cc/f'c (D8) 500 1.018 1.091 600 1.014 1.035 700 1.012 1.027 800 1.010 1.018 900 1.008 1.016 1000 1.008 1.014 1200 1.006 1.012 15 Hình 3.6 3.4.3 Đồ thị f’cc/f’c kích thước tiết diện (mm) Nhận xét Qua đồ thị cho thấy tiết diện từ 800mm trở kết bắt đầu hội tụ, vai trò cốt đai hạn chế nở hơng khơng cịn thể rõ nét Đồ thị gồm hai đường D6 D8, cho thấy tiết diện bé, vai trò cốt đai rõ nét Khi tiết diện tăng từ 500mm lên 600mm, với đai D6 cho kết tỉ lệ f’cc/f’c giảm 3.5 Một số toán khảo sát 3.5.1 Thay đổi cấp bền bê tông Vẫn giữ nguyên thông số cột 250x250, tăng cấp bền bê tông từ C20/25 đến C30/37 16 Bảng 3.4 Kết theo cấp bền bê tông C20/25 C25/30 C30/37 f'cc 28.4 33.4 38.4 'cc 0.0025 0.0023 0.0023 Hình 3.7 Hình 3.8 Giá trị f’cc (Mpa) Giá trị ’cc 17 Nhận xét: Khi tăng cấp bền bê tông, biến dạng nở hông giảm Trong ví dụ này, biến dạng nở hơng giảm từ 0.0025 xuống 0.0023, tức giảm 8% 3.5.2 Thay đối kích thước tiết diện Trong phân tích này, giữ nguyên cấp bền bê tông C20/25 thông số thép, tiến hành thay đổi kích thước mặt cắt cột từ 250mm đến 310mm ta có bảng kết Bảng 3.5 Trường hợp thay đổi kích thước cột 250 260 270 280 290 300 310 f'cc 28.4 28.4 28.3 28.3 28.3 28.3 28.3 'cc 0.0025 0.0025 0.0024 0.0024 0.0023 0.0023 0.0023 Hình 3.9 Giá trị f’cc (Mpa) 18 Hình 3.10 Giá trị ’cc Nhận xét: Khi tăng tiết diện, biến dạng nở hơng giảm Trong ví dụ này, biến dạng nở hông giảm từ 0.0025 xuống 0.0021 Tiết diện từ 400mm trở lên cường độ chịu nén bê tơng khơng tăng nữa, hay nói cách khác tác dụng cốt đai khơng cịn ảnh hưởng 3.5.3 Thay đổi khoảng cách cốt đai Trong phân tích này, giữ nguyên cấp bền bê tơng C20/25 thơng số kích thước cột, điều chỉnh khoảng cách s cốt đai từ s=70mm đến s=180mm 19 Hình 3.11 Giá trị f’cc (Mpa) Hình 3.12 Giá trị ’cc Nhận xét: Khi tăng khoảng cách cốt đai, cường độ chịu nén biến dạng nở hơng giảm Trong ví dụ này, biến dạng nở hông giảm từ 0.0031 xuống 0.0020, tức giảm 35% 3.5.4 Thay đổi loại tiết diện Trong phân tích này, giữ ngun cấp bền bê tơng C20/25 tiến hành thay đổi loại tiết diện (xem Bảng 3.1), ta có bảng kết quả: 20 COL-A COL_B COL-C COL-D f'cc 28.4 28.4 28.8 29.2 ε'cc 0.0025 0.0025 0.0039 0.0055 Hình 3.13 Giá trị f’cc (Mpa) Hình 3.14 Giá trị ’cc 21 Nhận xét: Khả chịu nén cột tăng lên theo loại tiết diện COL-A; COL-B; COL-C; COL-D Qua cho thấy cốt thép đai dày khả chịu nén cột tăng, biến dạng nở hông tăng theo 22 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Để tăng hiệu hiệu ứng hiệu ứng hạn chế nở hông bê tơng sử dụng giải pháp sau: - Tăng cấp độ bền bê tông - Tăng đường kính cốt đai - Bố trí thêm giằng cốt đai - Giảm khoảng cách lớp cốt đai - Sử dụng kết hợp giải pháp KIẾN NGHỊ Có thể cho phép tăng biến dạng cực hạn bê tơng có kiềm chế nở ngang thiết kế so với mức 0.002 nước ta, nên sử dụng cốt đai không lớn 12, khoảng cách không nhỏ 50 mm để tận dụng khả làm việc vật liệu  ... Khảo sát gia tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng hạn chế nở hông cốt đai gây cột bê tông cốt thép Kết luận kiến nghị CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG 1.1 Các khái niệm bê tông - bê. .. việc bê tông bị hạn chế nở hông, mối quan hệ ứng suất biến dạng bê tông bị nở hơng Trình bày mơ hình xác định cường độ bê tông hạn chế nở hông Xác định cường độ cực đại bê tông hạn chế nở hông bê. .. chế nở hơng Trong thực tế, bê tơng bị hạn chế nở hông cốt thép Do vậy, nhằm khảo sát vai trò cốt đai ảnh hưởng đến cường độ chịu nén bê tông cột bê tông cốt thép, đề tài nghiên cứu: ? ?Khảo sát tăng