Mô phỏng số ứng xử kết cấu của dầm bê tông cốt thép có lỗ mở bằng mô hình phá hoại dẻo bê tông

Mô số ứng xử kết cấu Dầm bê tơng cốt thép có lỗ mở Mơ hình phá hoại dẻo bê tơng Lê Minh Hồng 2019 Nội Dung CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cần thiết đề tài nghiên cứu 1.2 Các kết nghiên cứu liên quan đến đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Mục tiêu đề tài CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 2.1 Tổng quan phần mềm phần tử hữu hạn chiều ABAQUS 2.2 Các loại phần tử mô ABAQUS 2.2.1 Các dạng tương tác mặt tiếp xúc phần tử 2.3 Ứng xử phi tuyến vật liệu bê tông mô số 2.4 Giới thiệu mơ hình phá hoại dẻo bê tơng (Concret plastic damage) 2.5 Ứng xử chịu nén bê tông 11 2.6 Ứng xử chịu kéo bê tông 12 2.7 Tính tốn giá trị đặc trưng bê tông dựa vào thí nghiệm nén kéo dọc trục nở hơng 14 2.8 Hệ số giảm bền nén kéo bê tông 15 2.9 Chiều dài đặc trưng nứt phần tử 17 2.10 Đánh gí độ tin cậy phương pháp mơ số toán chịu uốn toán chịu cắt 17 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỔ MỞ NHỎ ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU UỐNG CỦA DẦM – ĐỀ XUẤT CƠNG THỨC TÍNH TỐN DẦM CÓ LỖ MỞ NHỎ KHI CHỊU UỐN 23 3.1 khái niệm lỗ mở nhỏ dầm ứng xử dầm có lỗ mở chịu tải trọng 23 3.2 Đề xuất qui trình tính tốn khả chịu mơ ment giới hạn cho tiết diện hình chữ T trường hợp có lỗ mở nhỏ bỏ qua khả chịu nén cốt thép 24 3.3 Kiểm chứng qui trình đề xuất tính tốn Mgh tiết diện chữ T thông qua mô số dầm chịu uốn có khơng có lỗ mở 25 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỔ MỞ NHỎ ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM – ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH TỐN DẦM CĨ LỖ MỞ NHỎ KHI CHỊU CẮT 35 4.1 Tính toán khả kháng cắt cho dầm theo TCVN 5574 – 2012 35 4.2 Đề xuất mô hình tính tốn khả chịu cắt dầm chịu tải tập trung 37 4.3 Kiểm chứng qui trình đề xuất tính tốn Mgh tiết diện chữ T thông qua mô số dầm chịu uốn có khơng có lỗ mở 37 CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỔ MỞ NHỎ ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT CỦA DẦM CHỊU TẢI TẬO TRUNG – ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM CÓ LỖ MỞ NHỎ DỰA TRÊN TCVN 5574 – 2012 46 5.1 Ảnh hưởng lỗ mở nhỏ đến khả chịu cắt dầm 46 5.2 Đề xuất cơng thức tính tốn gia cường dầm có lỗ mở nhỏ chịu lực tập trung 48 5.3 Kiểm chứng qui trình đề xuất tính tốn khả chịu cắt cực hạn bê tơng có gia cường cốt xiên 49 Danh Mục Hình ảnh Hình 2-1: Các loại phần tử khối ABAQUS Hình 2-2: Phần tử ABAQUS Hình 2-3: Dạng tương tác “tie” Hình 2-4: Sự hình thành điều kiện biên động học nút sử dụng tương tác “Embeded” với dung sai hình học giũa nút Hình 2-5: Dạng tương tác “Coupling” đến nút tham chiếu thuộc mặt phẳng Hình 2-6: Sự tương tác “hard contact” nút mặt phụ Slave surface mặt Master surface Hình 2-7: Mặt chảy dẻo theo định nghĩa Lee Fenves (1998) 10 Hình 2-8: Mặt chảy dẻo mặtphẳng  với hệ số K khác 11 Hình 2-9: Ứng xử chịu nén bê tông 11 l Hình 2-10: Ứng xử nén bê tông với chiề dài đặc trưng vết nứt eq 12 Hình 2-11: Mơ hình nứt theo Hillerborg (1983) 13 Hình 2-12: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt bê tông 14 l Hình 2-13: Quan hệ ứng suất kéo – biến dạng với chiều dài đặc trưng vết nứt eq 14 Hình 2-14: Mơ hình phá hoại bê tơng nén 16 Hình 2-15: Mơ hình phá hoại bê tơng kéo 16 ch Hình 2-16: Quan hệ hệ số giảm bền nén dc – biến dạng không đàn hồi  c 16 ck Hình 2-17: Quan hệ hệ số giảm bền kéo dt – biến dạng khơng đàn hồi t 17 Hình 2-18: Sơ đồ thí nghiệm dầm C3 Vecchio Shim (2004) 18 Hình 2-19: Mô Phỏng số dầm C3 19 Hình 2-20: Biểu đồ so sánh quan hệ Lực – chuyển vị điểm dầm C3 19 Hình 2-21: Kết Mô vùng nứt thớ bê tông chịu kéo 19 Hình 2-22: Kết Mô vùng bị nén vỡ thớ bê tông chịu nén 19 Hình 2-23: Hình thái vết nứt dầm C3 theo thí nghiệm Vecchio Shim (2004) 19 Hình 2-24: Mặt cấu tạo thép lớp lớp thí nghiệm chọc thủng Adetifa Polak (2005) 20 Hình 2-25: Mặt cắt A-A 20 Hình 2-26: Mơ Phỏng thí nghiệm nén thủng Adetifa polak (2005) 21 Hình 2-27: Biểu đồ so sánh quan hệ Lực – chuyển vị điểm sàn 21 Hình 2-28: Hình thái vết nứt xiên góc tháp chọc thủng 22 Hình 2-29: Chu vi tháp chọc thủng mô 22 Hình 3-1: Phân bố ứng suất thép bê tông mặt cắt chịu uốn dầm 23 Hình 3-2: Mơ ment giới hạn tiết diện chữ T có lỗ mở nhỏ 24 Hình 3-3: Sơ đồ gia tải chuyển vị mơ hình dầm 25 Hình 3-4: Kích thước hình học dầm đặc – D1 25 Hình 3-5: Kích thước hình học dầm có lỗ mở DL-2 26 Hình 3-6: Kích thước hình học dầm có lỗ mở DL-3 26 Hình 3-7: Cấu tạo cốt thép dầm D1, DL2, DL3 26 Hình 3-8: Chiều cao vùng nén mơ hình dầm D1, DL2, DL3 27 Hình 3-9: Mối quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông B20 chịu nén 31 Hình 3-10: Mối quan hệ hệ số hư hỏng bê tông – biến dạng không đàn hồi chịu nén 31 Hình 3-11: Mối quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông B20 chịu kéo 32 Hình 3-12: Mối quan hệ hệ số hư hỏng bê tông – biến dạng khơng đàn hồi chịu kéo 32 Hình 3-13: Mô số dầm D1 32 Hình 3-14: Mô số DL2 32 Hình 3-15: Mô số DL3 32 Hình 3-16: Vùng nứt vùng nén vỡ dầm đặc D1 33 Hình 3-17: Vùng nứt vùng nén vỡ dầm lỗ mở DL2 33 Hình 3-18: Vùng nứt vùng nén vỡ dầm lỗ mở DL3 33 Hình 3-19: Giá trị ứng suất thép dầm DL3 trạng thái phá hoại 33 Hình 3-20: Giá trị ứng suất thép dầm D1 trạng thái phá hoại 33 Hình 3-21: Giá trị ứng suất thép dầm DL2 trạng thái phá hoại 34 Hình 3-22: Mối quan hệ chuyển vị - Lực dầm D1 DL2 34 Hình 3-23: Mối quan hệ chuyển vị - Lực dầm DL3 34 Hình 4-1: Sơ đồ nội lực tiết diện nghiêng với trục dọc cấu kiện bê tông cốt thép tính tốn độ bền chịu cắt 35 Hình 4-2:: Kích thước hình học cấu tạo cốt thép dầm chịu lực tập trung DP1, DP2, DP3 38 Hình 4-3: Kích thước hình học cấu tạo cốt thép dầm chịu lực tập trung DP4 38 Hình 4-4: Mơ số Dầm Bê tông cốt thép chịu cắt DP1, DP2, DP3 43 Hình 4-5: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D1P (L=800mm) 43 Hình 4-6: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D2P (L=1000mm) 43 Hình 4-7: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D3P (L=1350mm) 43 Hình 4-8: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D4P (L=800mm, cốt đai đường kính 6mm) 44 Hình 5-1: Cấu tạo dầm DP1-O 46 Hình 5-2: Cấu tạo dầm DP2-O 46 Hình 5-3: Cấu tạo dầm DP3-O 46 Hình 5-4: Mơ số dầm có lỗ mở dầm DP1-O, DP2-O, DP3-O ABAQUS 47 Hình 5-5: Hình dạng phá hoại dầm DP1-O 47 Hình 5-6: Hình dạng phá hoại dầm DP2-O 47 Hình 5-7: Hình dạng phá hoại dầm DP3-O 47 Hình 5-8: Hình dạng vết nứt xiên góc mơ số dầm có khơng có lỗ mở 48 Hình 5-9: Hình thái vết nứt xiên góc thí nghiệm Mansur mơ 48 Hình 5-10: Cấu tạo dầm RC-DP1-O 50 Hình 5-11: Cấu tạo dầm RC-DP2-O 50 Hình 5-12: Cấu tạo dầm RC-DP3-O 50 Hình 5-13: Mơ số dầm có lỗ mở gia cường 54 Hình 5-14: Hình dạng phá hoại dầm RC-DP1-O 54 Hình 5-15: Phổ giá trị ứng suất Mises cốt thép gia cường dầm RC-DP1-O 54 Hình 5-16: Hình dạng phá hoại dầm RC-DP2-O 55 Hình 5-17: Phổ giá trị ứng suất Mises cốt thép gia cường dầm RC-DP2-O 55 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cần thiết đề tài nghiên cứu Dầm cấu kiện quan trọng kết cấu dân dụng, kết hợp với hệ khung – vách tạo thành hệ chịu lực cho cơng trình Với việc phát triển hạ tầng Việt Nam, cơng trình cao tầng chung cư, trung tâm thương mại xây dựng ngày nhiều, việc tăng khoảng cách thơng thủy tầng đóng vai trị quan trọng việc thiết lập quy mơ dự án xây dựng Một giải pháp làm tăng khoảng cách thông thủy tầng hệ thống điện, nước, cáp quang… phải sử dụng giải pháp xuyên qua dầm Vấn đề đặt thách thức lớn cho người thiết kế phải xem xét đến suy giảm độ cứng cường độ dầm xuất lỗ mở để hệ thống kỹ thuật, dầm xuất vết nứt sớm hơn, độ võng lớn so với dầm đặc, … Nếu khơng có biện pháp gia cường yêu cầu nghiêm ngặt vị trí, kích thước lỗ mở, dầm có khả bị hư hỏng khơng cịn với sơ đồ tính tốn ban đầu TCVN khơng đề cập đến việc tính tốn gia cường cho dầm có lỗ mở Việc thiết kế dầm có lỗ mở chủ yếu phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm lực người thiết kế Điều mang tính cảm quan thiếu sở khoa học Các đề tài nghiên cứu ảnh hưởng lỗ mở đến khả chịu lực độ võng dầm Việt Nam nghiên cứu chưa nhiều, theo tìm hiểu tác giả có đề tài cơng bố nước, nhiên chưa mang tính định hướng cho việc thiết kế Kết đề tài sở khoa học để hoàn thiện việc phân tích phục vụ thiết kế gia cường cho dầm có lỗ mở 1.2 Các kết nghiên cứu liên quan đến đề tài ✓ Trong nước Việc nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép khơng có lỗ mở (dầm đặc) giai đoạn trước sau suất vết nứt đến phá hoại hoàn toàn ứng xử phi tuyến phức tạp, đặc biệt giai đoạn giảm bền Các nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm đặc bị phá hoại theo chế chịu uốn, chịu cắt thực nước, Trần Anh Thiện, Trần Văn Toản, Vũ Hồng Nghiệp Vũ Đình Hùng Theo tìm hiểu tác giả, ứng xử dầm bê tơng cốt thép có kht lỗ mở chưa nghiên cứu thực nghiệm Việt Nam Mô số ứng xử dầm cao bê tơng cốt thép có kht lỗ mở phần mềm SAFIR Chu Thị Bình thực Tuy nhiên, nghiên cứu dùng phần tử shell để mô bê tông cốt thép tốn phẳng khơng mơ cốt đai Thêm nữa, việc nghiên cứu dừng lại việc đánh giá ảnh hưởng vị trí khoét lỗ mở đến khả chịu tải trọng cực hạn dầm theo mơ số chưa minh chứng độ xác kết mô tải trọng – chuyển vị qua giai đoạn chịu tải so với kết thực nghiệm, đặc biệt giai đoạn giảm bền Theo tìm hiểu tác giả, nay, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu nước phân tích ứng xử dầm bê tơng cốt thép có kht lỗ mở thực nghiệm mơ số ✓ Ngoài nước Ảnh hưởng lỗ mở đến ứng xử chịu lực dầm nghiên cứu thực nghiệm công bố rộng rãi cho loại dầm khác hình dạng chữ nhật, chữ T, dầm cao với vị trí lỗ mở khoét vùng chịu uốn, vùng chịu cắt, phần bê tông chịu nén, phần bê tông chịu kéo… Các hình thức gia cường cường lỗ mở đề cập đến cơng bố Hanson trình bày kết thực nghiệm tác động lỗ mở vuông bụng lên cường độ ứng xử dầm bê tông cốt thép liên tục Các thông số kích thước kích thước, vị trí cốt thép gia cường lỗ thay đổi để khảo sát phân bố lực lỗ mở Những quy trình thiết kế đề xuất cho dầm có lỗ mở vng trình bày nghiên cứu Mansur cộng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm mẫu dầm với dạng lỗ mở phân bố khác nhau, tất dầm kích thước, tiết diện hàm lượng thép kết luận trình bày sau: Trạng thái phá hoại sau dầm liên tục xảy theo chế phá hoại hình thành khớp dẻo góc lỗ mở Việc tăng chiều dài chiều rộng lỗ mở làm xuất vết nứt sớm dầm, dầm chuyển vị lớn trước phá hoại; nhiên việc tăng kích thước lỗ mở làm giảm khả chịu lực dầm mà không ảnh hưởng đến chế phá hoại dầm Vị trí lỗ mở theo chiều dài dầm ảnh hưởng đến tải trọng gây nứt; nhiên vị trí lỗ mở nằm vùng có giá trị mơ ment uốn lớn gây cho dầm chuyển vị lớn làm giảm khả làm việc dầm Việc xuất lỗ mở bụng dầm nguyên nhân phát triển vết nứt xiên góc sớm, tải trọng làm xuất vết nứt dầm giảm theo chiều dài lỗ mở Nếu khơng có cốt thép gia cường để ngăn cản phát triển vết nứt góc lỗ mở, vết nứt có xu hướng phát triển nhanh chiều dài bề rộng 1.3 Phương pháp nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu đề tài khảo sát dầm có lỗ mở nhỏ, việc khảo sát đánh giá ảnh hưởng lỗ mở nhỏ đến khả chịu lực cực hạn dầm toán chịu uốn chịu cắt tiến hành phần mềm mô phần tử hữu hạn chiều ABAQUS Việc thiết kế cho toán chịu uốn chịu cắt dầm tính tốn theo TCVN 5574 – 2012, giá trị thiết kế so sánh với kết mô số thu từ phần mềm ABAQUS nhằm đánh giá suy giảm khả chịu lực dầm có khơng có lỗ mở nhỏ từ đề xuất cơng thức tính tốn phù hợp 1.4 Mục tiêu đề tài Tiêu chuẩn Việt Nam hành TCVN 5574 – 2012 hướng dẫn tính tốn thiết kế cho toán chịu uốn chịu cắt cho dầm đặc, hồn tồn khơng đề cập đến việc thiết kế dầm có lỗ mở Đề tài nghiên cứu đề xuất số phương pháp tính liên quan đến tốn thiết kế cho dầm có lỗ mở sở áp dụng toán thiết kế TCVN 5574 – 2012 sau: ▪ Đề xuất qui trình tính tốn khả chịu mơ ment giới hạn tiết diện có lỗ mở nhỏ sở áp dụng TCVN 5574 – 2012 ▪ Đề xuất qui trình tính tốn khả chịu lực cắt dầm đặc chịu tải tập trung sở áp dụng TCVN 5574 – 2012 ▪ Đề xuất qui trình thiết kế cốt thép đai cốt thép xiên cho toán gia cường lỗ mở chịu cắt phù hợp với điều kiện thi công Việt Nam Thông qua mô số, nghiên cứu đánh giá độ tin cậy công thức đề xuất kỹ thuật gia cường lỗ mở Thiết lập quy trình mơ có độ tin cậy nhằm tiếp tục nghiên cứu vấn đề khác cho dầm bê tông cốt thép mà khơng cần thiết phải tiến hành thí nghiệm CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 2.1 Tổng quan phần mềm phần tử hữu hạn chiều ABAQUS Phần mềm mô ABAQUS xây dựng sở lý thuyết phần tử hữu hạn với nhiều tính vượt trội việc phân tích phi tuyến kết cấu, bao gồm phân tích phi tuyến vật liệu phi tuyến hình học, mơ hình xây dựng sở thành lập hệ trục tọa độ, khai báo định nghĩa tiết diện, mô hình vật liệu, ràng buộc điều kiện biên động học, cách chia nhỏ phần tử Mô số ABAQUS cho phép dự đoán trạng thái phá hoại sau cấu kiện thông qua tải trọng cực hạn, hình thành phát triển vùng phá hoại bê tông thông qua xuất biến dạng dẻo vùng nén kéo 2.2 Các loại phần tử mô ABAQUS Phần tử khối Solid Trong thư viện ABAQUS có nhiều loại phần tử khối khác thể Hình 2-1 loại phần tử có ưu điểm riêng, phần tử C3D8 loại phần tử có nút góc loại phần tử phổ biến áp dụng cho tốn phân tích kết cấu có dạng hình học khơng phức tạp, phần tử cho kết với khả hội tụ cao xác, thời gian giải nhanh so với loại phần tử khác Phần tử C3D20 loại phần tử có 20 nút, loại phần tử dùng tính tốn mơ hình chi tiết, cần thu kết tốt, nhiên sử dụng phần tử làm tăng khối lượng tính tốn nhiều thời gian giải nhiều thời gian Phần tử C3D10 loại phần tử có 10 nút áp dụng mơ hình có hình dạng bất thường, phần tử cho kết không tốt loại phần tử C3D8 C3D20 Qua việc phân tích phần tử đề tài sử dụng phần tử C3D8 để tiến hành mô dầm bê tơng Hình 0-1: Các loại phần tử khối ABAQUS Phần tử Phần tử chịu lực kéo lực nén, khơng có khả chịu uốn sử dụng để mô tả cốt thép chịu lực nằm phần tử khác.Trong tốn mơ dầm phần tử mơ phần tử cốt thép dọc cốt thép ngang Sự làm việc phần tử phần tử khối C3D8 thông qua ràng buộc điều kiện biên động học Hình 2-2: Phần tử ABAQUS Đối với toán 2D sử dụng phần tử T2D2 (Truss-2D-2 nodes) để mô cốt thép dầm Đây loại phần tử dàn, có nút, nút có bậc tự Phần tử có thành phần biến dạng dọc trục 11 11 Tương tự, với toán 3D sử dụng phần tử T3D2 (Truss-3D-2 nodes) để mô cốt thép dầm Gồm có nút, nút có bậc tự 2.2.1 Các dạng tương tác mặt tiếp xúc phần tử Giữa mặt tiếp xúc phần tử luôn tồn điều kiện tương tác, quan điểm nhận thấy rõ ràng loại phần tử có vật liệu khác Mơ ứng xử mặt tương tác đóng vai trị quan trọng việc thiết lập mơ hình ứng xử kết cấu Trong ABAQUS có nhiều lựa chọn cho việc mô tương tác giũa mặt tiếp xúc, sau tương tác sử dụng đề tài Dạng tương tác “Tie” Trong dạng tương tác mặt tiếp xúc định nghĩa mặt (master surface) mặt cịn lại mặt phụ (slave surface) Các nút mặt phụ gắn chặt với nút mặt ràng buộc tương tác “Tie” Điều có nghĩa nút bề mặt phụ phải chuyển động tịnh tiến quay với nút bề mặt gần Hình 0-3: Dạng tương tác “tie” TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CẮT CỦA DẦM - BÀI TOÁN THIẾT KẾ Tên cấu kiện DẦM DP4 A Vật liệu sử dụng Bê tông B20 Cường độ nén 11.5 N/mm2 Hệ số điều kiện  1.0 Cường độ nén tính tốn 11.5 N/mm2 Cường độ kéo tính tốn 0.9 N/mm2 Module đàn hồi E 27000 N/mm2 Cốt thép CB300-T Cường độ tính tốn cắt 272 N/mm2 Module đàn hồi 200000 N/mm2 B Tính tốn diện tích thép yêu cầu Chiều cao tiết diện h 800 mm (nhập) Bề rộng tiết diện b 300 mm (nhập) Độ vươn cánh Sc mm Bề rộng cánh qui ước bf' 300 mm Chiều cao sàn hf' 150 mm (nhập) khoảng cách a0 50 mm chiều cao làm việc bê tơng h0 750 mm Chọn đường kính cốt đai d d06 Chọn số nhánh đai n (nhánh) R A Chọn bước đai s 100 mm 153.7 (N/mm) qsw = sw sw s 1/ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG C Khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt lực tập trung a= 800 mm (nhập) Tính tốn mặt cắt nghiêng nguy hiểm   (1 +  +  ) R bh n f bt  b2 qsw  d (Qsw + Qb ) * = = c =  dc  1,5Rbt bh02  qsw  b2 = b1 = n = Với φ w1 Es Eb 1405.635 mm 1217.316 mm Bê tông hạt nặng 0.885 A sw bs     =    1.07 0.000 (Ảnh hưởng cánh chịu nén tiết diện chữ T) 1217.316 mm Chọn C* Bảng tính tốn chọn C C0 C* C* < L L < C* < 2h0 C* C* < L L < C* < 2h0 C a a C 800 C0 C* C0 a 800 Tính toán giá trị Khả chịu cắt nhỏ bê tông tiết diện nghieng C Chọn khoảng cách C 800 mm Qb = b (1 +  f + n ) R bt bh02 380 kN c0  b (1 +  f + n ) R bt bh   c Qb =  1,5R bh  bt  c     =   Khả chịu cắt bê tông tiết diện nghiêng C 380 kN 285 kN Qb = Chọn khoảng cách C mm 800 Khả chịu cắt cốt đai tiết diện nguy hiểm Qw = qsw c0 122.99 kN Tổng khả chịu cắt cốt đai cốt thép Qdb = Qb + Qsw 407.753 kN 42 285 kN Qui trình mơ thiết lập thông số mô tiến hành tương tự tốn dầm chịu uốn Hình 4-4: Mô số Dầm Bê tông cốt thép chịu cắt DP1, DP2, DP3 Kết mô số cho thấy dầm bị phá hoại lực cắt, vết nứt xiên góc xuất từ điểm đặt lực tập trung hướng phía gối tựa Hình 4-3, Hình 4-4, Hình 4-5 Hình 4-5: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D1P (L=800mm) Hình 4-6: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D2P (L=1000mm) Hình 4-7: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D3P (L=1350mm) 43 Hình 4-8: Hình dạng vết nứt xiên góc Dầm D4P (L=800mm, cốt đai đường kính 6mm) Xác định giá trị C C0 từ kết mơ số Dựa vào hình thái vết nứt xiên góc phương pháp mơ số, nhận xét hình chiếu vết nứt nghiêng nguy hiểm C0 xuất phát từ điểm đặt lực tập trung có chiều dài với chiều cao làm việc tiết diện Dầm Hình dạng vết nứt xiên D1P Chiều dài hình chiếu Chiều dài hình chiếu vết nứt nghiêng C vết nứt nghiêng nguy hiểm C0 C = 800mm C0 = 730,39mm D2P C = L = 1000mm C0 = C* = 730,39mm D3P C = L = 1000mm C0 = C* = 730,39mm D4P C = L = 1000mm C0 = L = 800mm Kết so sánh tính tốn theo công thức đề xuất mô số phần mềm ABAQUS 44 Tên dầm Qu (bài toán thiết kế) kN Qgh (bài tốn mơ số) kN Tí số Q gh Qu Dầm DP1 Dầm DP2 Dầm DP3 Dầm DP4 596.671 539.718 480.656 407.753 800 700 635 500 1.34 1.29 1.32 1.34 Dựa vào kết mô số nhận thấy mơ hình đề xuất tính tốn khả chịu lực cắt cực hạn đề xuất theo mục 4.2 đáng tin cậy có hệ số an toàn khoảng 1.34 45 CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỔ MỞ NHỎ ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT CỦA DẦM CHỊU TẢI TẬO TRUNG – ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM CÓ LỖ MỞ NHỎ DỰA TRÊN TCVN 5574 – 2012 5.1 Ảnh hưởng lỗ mở nhỏ đến khả chịu cắt dầm Để khảo sát ảnh hưởng lỗ mở nhỏ đến khả chịu cắt dầm, dầm DP1, DP2, DP3 đề cập chương khoét lỗ mở vị trí dầm tương ứng dầm có tên sau; DP1-O, DP2-O, DP3-O có cấu tạo Hình 5-1, Hình 5-2, Hình 5-3 Hình 5-1: Cấu tạo dầm DP1-O Hình 5-2: Cấu tạo dầm DP2-O Hình 5-3: Cấu tạo dầm DP3-O 46 Mô số tiến hành để khả sát chế phá hoại dầm, qui trình mơ tương tự mô dầm đề cập chương Hình 5-4: Mơ số dầm có lỗ mở dầm DP1-O, DP2-O, DP3-O ABAQUS Kết mô số Hình 5-5, Hình 5-6, Hình 5-7 Hình 5-5: Hình dạng phá hoại dầm DP1-O Hình 5-6: Hình dạng phá hoại dầm DP2-O Hình 5-7: Hình dạng phá hoại dầm DP3-O Kết so sánh giá trị dầm có khơng có lỗ mở Dầm có lổ mở phạm vi mép đến lực tập trung D1_OP(L1 = 800mm) D2_OP(L2 = 1000mm) D3_OP(L3 = 1350mm) Kết Lực cắt phá hoại mô Qu (kN) 424 Dầm khơng có lổ mở phạm vi mép đến lực tập trung D1(L1 = 800mm) Kết Lực cắt phá hoại mô Qu (kN) 800 Kết tính tốn cho tốn thiết kế Qđb (kN) 596.671 400 D2(L2 = 1000mm) 700 539.718 333 D3(L3 = 1350mm) 635 480.656 47 Qua bảng kết so sánh nhận thấy việc xuất lổ mở làm giảm khả chịu cắt dầm nhiều, giá trị lực cắt dầm có lỗ mở mô nhỏ trường hợp sử dụng cơng thức tính dầm đặc Do việc áp dụng cơng thức tính tốn cốt đai dầm khơng có lỗ mở tốn có lỗ mở khơng phù hợp thiếu an tồn Khả kháng cắt dầm có lỗ mở suy giảm nhận thấy qua hình dạng vết nứt xiên góc theo hình chiếu C0 dầm có lỗ mở cần tính tốn lại cách phù hợp Tên dầm Hình dạng phá hoại D1P Tên dầm D1P-O D2P D2P-O Hình dạng phá hoại Hình 5-8: Hình dạng vết nứt xiên góc mơ số dầm có khơng có lỗ mở Xác định chiều dài hình chiếu vết nứt nguy hiểm C0 Dựa vào hình thái vết nứt xiên góc dầm có lỗ mở nhận thấy vị trí vết nứt xiên góc Hình 5-9 Vết nứt xiên góc qua tâm lỗ mở tạo với phương ngang góc 45 độ, Kết phù hợp với kết nghiên cứu Mansur Mô Phỏng Thí nghiệm Mansur Hình 5-9: Hình thái vết nứt xiên góc thí nghiệm Mansur mơ 5.2 Đề xuất cơng thức tính tốn gia cường dầm có lỗ mở nhỏ chịu lực tập trung 48 Bắt đầu Nhập thông số (Rb, Rsw, b, h, a0, a’0 h0, D, d, n, s) Tăng giá trị qsw h* = h − a − a 0' h = h * −D qsw = R sw Asw s   (1 +  +  ) R bh 1,5R bh n f bt bt C * =  b ,  qsw qsw  C *  2h0     Đúng C=a C0 = C *  b (1 +  f + n ) R bt bh02 1, R bt bh02 Qb =  ,  C C  Qsw = qsw C0    Qs ,inc =  0, 3R sw As ,inc sin  Qu = Qb + Qsw + Qs ,inc 5.3 Kiểm chứng qui trình đề xuất tính tốn khả chịu cắt cực hạn bê tơng có gia cường cốt xiên Các dầm bê tơng có lỗ mở DP1-O, DP2-O, DP3-O gia cường lỗ mở thép đai đường kính 10 thép xiên góc 16, tương ứng dầm RC-DP1-O, RC-DP2-O, RC-DP3-O Hình 5-11, Hình 5-12 Hình 5-13 49 Hình 5-10: Cấu tạo dầm RC-DP1-O Hình 5-11: Cấu tạo dầm RC-DP2-O Hình 5-12: Cấu tạo dầm RC-DP3-O Dầm Khoảng cách L Thép lớp Thép lớp RC-DP1-O RC-DP2-O RC-DP3-O 800 1000 1350 328 + 328 328 + 328 328 + 328 328 328 328 Vật liệu Ký hiệu Cốt thép đai gia cường 10a50 10a50 10a50 Cường độ sử dụng mô 23 Mpa 500 Mpa Cốt thép xiên gia cường    Cường độ sử dụng tính tốn 11.5 Mpa 427 Mpa Bê tơng B20 Cường độ tính tốn CB500 – V cốt thép chủ 28 Cường độ tính toán CB300 – T 300 Mpa 272 Mpa cốt thép đai Cường độ tính tốn CB500 – V 500 Mpa 300 Mpa cốt thép xiên Tính tốn khả kháng cắt dầm theo mơ hình đề xuất dầm RC-DP1-O, RC-DP2-O, dầm RC-DP3-O với việc gia cường thêm cốt xiên chịu cắt 50 TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM CĨ LỖ MỞ CÓ GIA CƯỜNG CỐT THÉP XIÊN GÓC Tên cấu kiện DẦM RC-DP1-O A Vật liệu sử dụng Bê tông B20 Cường độ nén 11.5 N/mm2 Hệ số điều kiện  1.0 Cường độ nén tính tốn 11.5 N/mm2 Cường độ kéo tính tốn 0.9 N/mm2 Module đàn hồi E 27000 N/mm2 Cốt thép CB300-T Cường độ tính tốn cắt 272 N/mm2 Module đàn hồi 200000 N/mm2 B Tính tốn diện tích thép yêu cầu Chiều cao tiết diện h 800 mm (nhập) Bề rộng tiết diện b 300 mm (nhập) Độ vươn cánh Sc mm ' Bề rộng cánh qui ước bf 300 mm ' Chiều cao sàn hf 150 mm (nhập) khoảng cách a0 50 mm khoảng cách a '0 30 mm Đường kính lỗ mở D 150 mm ' chiều cao làm việc bê tông h0 570 mm (h0 = h − a0 − a0 − D) Chọn đường kính cốt đai d d10 Chọn số nhánh đai n (nhánh) R A Chọn bước đai s 50 mm 854.1 (N/mm) qsw = sw sw s 1/ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TƠNG TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG C Khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt lực tập trung a= 800 mm Tính toán mặt cắt nghiêng nguy hiểm   (1 +  +  ) R bh n f bt  b2 qsw  d (Qsw + Qb ) = = c =  dc  1,5Rbt bh02  qsw  b2 = b1 = n = Với φ w1 Es Eb     =    392.5121 mm Bê tông hạt nặng 0.885 A sw bs 453.234 mm  b (1 +  f + n ) R bt bh02      c Qb =  = 1,5 R bt bh0    c   1.39 0.000 (Ảnh hưởng cánh chịu nén tiết diện chữ T) * 392.512 mm Chọn C Bảng tính tốn chọn C C0 C* C* < 2h0 2h0 < C* C* C* < h0 C a C 800 Tăng qsw C0 C* C0 393 Tính tốn giá trị Khả chịu cắt nhỏ bê tông tiết diện nghieng C Chọn khoảng cách C 800 mm Qb = b (1 +  f + n ) R bt bh02 219 h0 < C* < 2h0 kN c0  b (1 +  f + n ) R bt bh02      c Qb =   = 1,5R bh   bt   c Khả chịu cắt bê tông tiết diện nghiêng C 219 kN 164 kN Qb = 164 kN Chọn khoảng cách C mm 393 Khả chịu cắt cốt đai tiết diện nguy hiểm Qw = qsw c0 335.24 kN Tổng khả chịu cắt cốt đai cốt thép (trường hợp khơng có cốt xiên) Qdb = Qb + Qsw 499.717 kN Tính tốn cốt xiên Đường kính cốt xiên d d18 Chọn số cốt xiên n (nhánh) Chọn góc thép xiên 45 độ Cốt thép CB500-V Cường độ tính tốn cắt 300 N/mm2 Tổng khả chịu cắt cốt xiên 32.36 kN 0,3Rs As,inc sin  = Tổng khả chịu cắt dầm có gia cường thép xiên góc Q = Qb + Qsw + Qs,inc = 532.08 kN  51 TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM CĨ LỖ MỞ CÓ GIA CƯỜNG CỐT THÉP XIÊN GÓC Tên cấu kiện DẦM RC-DP2-O A Vật liệu sử dụng Bê tông B20 Cường độ nén 11.5 N/mm2 Hệ số điều kiện  1.0 Cường độ nén tính tốn 11.5 N/mm2 Cường độ kéo tính tốn 0.9 N/mm2 Module đàn hồi E 27000 N/mm2 Cốt thép CB300-T Cường độ tính tốn cắt 272 N/mm2 Module đàn hồi 200000 N/mm2 B Tính tốn diện tích thép yêu cầu Chiều cao tiết diện h 800 mm (nhập) Bề rộng tiết diện b 300 mm (nhập) Độ vươn cánh Sc mm ' Bề rộng cánh qui ước bf 300 mm ' Chiều cao sàn hf 150 mm (nhập) khoảng cách a0 50 mm ' khoảng cách a0 30 mm Đường kính lỗ mở D 150 mm ' chiều cao làm việc bê tông h0 570 mm (h0 = h − a0 − a0 − D) Chọn đường kính cốt đai d d10 Chọn số nhánh đai n (nhánh) R A Chọn bước đai s 50 mm 854.1 (N/mm) qsw = sw sw s 1/ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG C Khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt lực tập trung a= 1000 mm Tính tốn mặt cắt nghiêng nguy hiểm   (1 +  +  ) R bh n f bt  b2 qsw  d (Qsw + Qb ) = = c =  dc  1,5Rbt bh02  qsw  b2 = b1 = n = Với φ w1 Es Eb     =    392.5121 mm Bê tông hạt nặng 0.885 A sw bs 453.234 mm 1.39 0.000 (Ảnh hưởng cánh chịu nén tiết diện chữ T) 392.512 mm Chọn C* Bảng tính tốn chọn C C0 C* C* < 2h0 2h0 < C* C* C* < h0 C a C 1000 Tăng qsw C0 C* C0 393 Tính tốn giá trị Khả chịu cắt nhỏ bê tông tiết diện nghieng C Chọn khoảng cách C 1000 mm Qb = b (1 +  f + n ) R bt bh02 175 h0 < C* < 2h0 kN c0  b (1 +  f + n ) R bt bh02      c Qb =   = 1,5R bt bh0    c Khả chịu cắt bê tông tiết diện nghiêng C 175 kN 132 kN Qb = 132 kN Chọn khoảng cách C mm 393 Khả chịu cắt cốt đai tiết diện nguy hiểm Qw = qsw c0 335.24 kN Tổng khả chịu cắt cốt đai cốt thép (trường hợp khơng có cốt xiên) Qdb = Qb + Qsw 466.821 kN Tính tốn cốt xiên Đường kính cốt xiên d d18 Chọn số cốt xiên n (nhánh) Chọn góc thép xiên 45 độ Cốt thép CB500-V Cường độ tính tốn cắt 300 N/mm2 Tổng khả chịu cắt cốt xiên 32.36 kN 0,3Rs As,inc sin  = Tổng khả chịu cắt dầm có gia cường thép xiên góc Q = Qb + Qsw + Qs,inc = 499.18 kN  52 TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM CÓ LỖ MỞ CÓ GIA CƯỜNG CỐT THÉP XIÊN GÓC Tên cấu kiện DẦM RC-DP3-O A Vật liệu sử dụng Bê tông B20 Cường độ nén 11.5 N/mm2 Hệ số điều kiện  1.0 Cường độ nén tính tốn 11.5 N/mm2 Cường độ kéo tính tốn 0.9 N/mm2 Module đàn hồi E 27000 N/mm2 Cốt thép CB300-T Cường độ tính tốn cắt 272 N/mm2 Module đàn hồi 200000 N/mm2 B Tính tốn diện tích thép u cầu Chiều cao tiết diện h 800 mm (nhập) Bề rộng tiết diện b 300 mm (nhập) Độ vươn cánh Sc mm ' Bề rộng cánh qui ước bf 300 mm ' Chiều cao sàn hf 150 mm (nhập) khoảng cách a0 50 mm ' khoảng cách a0 30 mm Đường kính lỗ mở D 150 mm ' chiều cao làm việc bê tông h0 570 mm (h0 = h − a0 − a0 − D) Chọn đường kính cốt đai d d10 Chọn số nhánh đai n (nhánh) R A Chọn bước đai s 50 mm 854.1 (N/mm) qsw = sw sw s 1/ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG C Khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt lực tập trung a= 1350 mm Tính tốn mặt cắt nghiêng nguy hiểm   (1 +  +  ) R bh n f bt  b2 qsw  d (Qsw + Qb ) = = c =  dc  1,5Rbt bh02  qsw  b2 = b1 = n = Với φ w1 Es Eb     =    392.5121 mm Bê tông hạt nặng 0.885 A sw bs 453.234 mm 1.39 0.000 (Ảnh hưởng cánh chịu nén tiết diện chữ T) 392.512 mm Chọn C* Bảng tính tốn chọn C C0 C* C* < 2h0 2h0 < C* C* C* < h0 C a C 1350 Tăng qsw C0 C* C0 393 Tính tốn giá trị Khả chịu cắt nhỏ bê tông tiết diện nghieng C Chọn khoảng cách C 1350 mm Qb = b (1 +  f + n ) R bt bh02 130 h0 < C* < 2h0 kN c0  b (1 +  f + n ) R bt bh02      c Qb =   = 1,5R bt bh0    c Khả chịu cắt bê tông tiết diện nghiêng C 130 kN 97 kN Qb = 97 kN Chọn khoảng cách C mm 393 Khả chịu cắt cốt đai tiết diện nguy hiểm Qw = qsw c0 335.24 kN Tổng khả chịu cắt cốt đai cốt thép (trường hợp khơng có cốt xiên) Qdb = Qb + Qsw 432.707 kN Tính tốn cốt xiên Đường kính cốt xiên d d18 Chọn số cốt xiên n (nhánh) Chọn góc thép xiên 45 độ Cốt thép CB500-V Cường độ tính tốn cắt 300 N/mm2 Tổng khả chịu cắt cốt xiên 32.36 kN 0,3Rs As,inc sin  = Tổng khả chịu cắt dầm có gia cường thép xiên góc Q = Qb + Qsw + Qs,inc = 465.07 kN  53 Mô số tiến hành để đánh giá độ tin cậy qui trình đề xuất tính tốn gia cường lỗ mở nhỏ cho dầm chịu cắt, qui trình mơ tiến hành tương tự mơ dầm chịu uốn có lỗ mở Hình 5-13: Mơ số dầm có lỗ mở gia cường Kết mơ Hình 5-14, Hình 5-15, Hình 5-16 Hình 5-14: Hình dạng phá hoại dầm RC-DP1-O Hình 5-15: Phổ giá trị ứng suất Mises cốt thép gia cường dầm RC-DP1-O 54 Hình 5-16: Hình dạng phá hoại dầm RC-DP2-O Hình 5-17: Phổ giá trị ứng suất Mises cốt thép gia cường dầm RC-DP2-O Hình 5-18: Hình dạng phá hoại dầm RC-DP3-O Hình 5-19: Phổ giá trị ứng suất Mises cốt thép gia cường dầm RC-DP3-O Dầm có lổ mở phạm vi mép đến lực tập trung RC-DP1-O (L1 = 800mm) RC-DP2-O (L2 = 1000mm) RC-DP3-O (L3 = 1350mm) Kết Lực cắt phá hoại mô Qu (kN) 702 610 590 55 Kết tính tốn cho Hệ số an tồn cho bài tốn thiết kế toán thiết kế theo đề xuất Qđb (kN) công thức đề xuất 532.08 499.18 465.07 1.32 1.22 1.26 5.4 Kết luận Đề tài đề xuất qui trính tính tốn cho dầm có lỗ mở nhỏ toán thiết kế chịu uốn chịu cắt sở áp dụng sở lý thuyết tính tốn TCVN 5574 – 2012 (KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP – TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ ) Thông qua kết mô số cho thấy công thức đề xuất có độ tin cậy áp dụng để tính tốn trường hợp dầm có lỗ mở nhỏ Trong tương lai đề tài tiếp tục phát triển đề xuất cơng thức tính tốn cho dầm có lỗ mở lớn, dầm có nhiều lỗ mở để hồn thiện tồn qui trình tính tốn Tài liệu tham khảo ABAQUS Analysis User’s Manual, Version 6.14, Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA, 2010 B Alfarah, F López-Almansa, S Oller (2017), New methodology for calculating damage variables evolution in Plastic Damage Model for RC structures Engineering Structures, pp 70–86 Cornelissen, H., Hordijk, D., Reinhardt, H., (1986), Experimental determination of crack softening characteristics of normal weight and lightweight concrete, Heron, Vol 31, No 2, Delft, Netherlands EC2, 2007 Eurocode 2: Design of concrete structures — Part 1-1: General rules and rules for buildings British Standards Institute, London Hillerborg A., (1983), Analysis of one single crack, Fracture mechanics of concrete, Elsevier, pp 223-249, Amsterdam, Netherlands Lublinear, J., Oliver, J., Oller, S., Onate, E., (1989), A plastic-damage model for concrete, International Journal of Solids and Structures, Vol 25, No 3, pp 299-326 Lee, J., Fenves, G., (1998), Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structure, Engineering Mechanics, Vol 124, No 8, pp 892-900 MC90, 1993 CEB-FIP Model Code 1990, Design Code, 6th edition, Thomas Telford, Lausanne, Switzerland Krätzig WB, Pölling R (2004) An elasto-plastic damage model for reinforced concretewith minimum number of material parameters Comput Struct 2004;82(15– 16):1201–15 10 Van Mier JGM Concrete fracture a multiscale approach Taylor & Francis; 2013 11 Vonk, RA., (1992), Softening of concrete loaded in compression, PhD thesis, Delft University of Technology 12 Sinha BP, Gerstle KH, Tulin LG Stress-strain relations for concrete under cyclic loading ACI Struct J 1964;62(2):195–210 13 Vecchio, F J., & Shim, W (2004) Experimental and Analytical Reexamination of Classi Concrete Beam Tests Journal of Structural Engineering, 130(3), 460469.doi:10.1061/(asce)07339445(2004) 130:3(460) 14 Somes, N.F and W.G Corley, Circular openings in webs of continuous beams, American Concrete Institute, Detroit, MI, 1974, pp: 359-398 15 Mansur, M.A (1998) Effect of openings on the behaviour and strength of R/C beams in shear Cement and Concrete Composites, Elsevier Science Ltd., Vol 20, No.6, pp: 477-486 16 TCVN 5574 – 2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế 56 ... ABAQUS Kết mơ số Hình 5-5, Hình 5-6, Hình 5-7 Hình 5-5: Hình dạng phá hoại dầm DP1-O Hình 5-6: Hình dạng phá hoại dầm DP2-O Hình 5-7: Hình dạng phá hoại dầm DP3-O Kết so sánh giá trị dầm có khơng có. .. dầm DP1-O Hình 5-2: Cấu tạo dầm DP2-O Hình 5-3: Cấu tạo dầm DP3-O 46 Mô số tiến hành để khả sát chế phá hoại dầm, qui trình mơ tương tự mô dầm đề cập chương Hình 5-4: Mơ số dầm có lỗ mở dầm DP1-O,... Đình Hùng Theo tìm hiểu tác giả, ứng xử dầm bê tơng cốt thép có kht lỗ mở chưa nghiên cứu thực nghiệm Việt Nam Mô số ứng xử dầm cao bê tơng cốt thép có khoét lỗ mở phần mềm SAFIR Chu Thị Bình thực