Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt ngang đối với kết cấu bêtông cốt thép chịu uốn bằng phương pháp thực nghiệm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -oOo HỒ NGỌC TRI TÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT NGANG ĐỐI VỚI KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP MÃ NGÀNH : 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS HỒ HỮU CHỈNH Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM, ngày tháng năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc oOo Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ NGỌC TRI TÂN Ngày, tháng, năm sinh : 22/09/1972 Chuyên ngành : X Nữ Giới tính : Nam / Nơi sinh : TP HCM Xây dựng dân dụng cơng nghiệp Khố (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT NGANG ĐỐI VỚI KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: – Nghiên cứu lý thuyết tính tốn tiêu chuẩn ACI bêtông bị ép ngang (confinement) – Thiết lập công thức tính tốn theo tiêu chuẩn Viện Nam – Khảo sát thực nghiệm dầm chịu uốn với dạng bố trí cốt ngang khác – So sánh kết lý thuyết thực nghiệm 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05 – 07 – 2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 27 – 06 – 2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS HỒ HỮU CHỈNH Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trong suốt năm học tập nghiên cứu trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh tơi có thêm nhiều kiến thức hữu ích, phục vụ cho cơng tác mình, q trình tích lũy kiến thức khơng thể thiếu người thầy, tất thầy/ cô tham gia giảng dạy cho lớp đem hết tâm huyết để truyền thụ kiến thức cho chúng tơi, khơng biết nói ngồi lời cảm ơn chân thành đến tất thầy/ cô Trong q trình hồn thành luận văn này, tơi gặp nhiều vấn đề khó hiểu, đơi làm chậm tiến độ thực đề tài, với động viên, giúp đỡ nhiệt tình thầy Hồ Hữu Chỉnh, tơi hồn thành nhiệm vụ TS Hồ Hữu Chỉnh gỡ cho nhiều gút mắt, phải nghiên cứu kỹ tiêu chuẩn ACI (Mỹ), vốn tiếng Anh am hiểu tiêu chuẩn nước ngồi tơi cịn hạn chế, thầy bảo tận tình, chi tiết, giúp tơi hoàn thành luận văn thời hạn Em xin chân thành cảm ơn thầy! Nhân đây, xin cảm ơn bạn học lớp, lúc làm đồ án, tập, gỡ rối để tiến Một lần xin cảm ơn tất người! Trân trọng TP HCM, Tháng 06 năm 2008 Tác giả luận văn Hồ Ngọc Tri Tân TÓM TẮT Cốt ngang (cốt đai) biết đến cốt thép gia cường cho khả chịu cắt cấu kiện chịu uốn, tính tốn tiêu chuẩn Việt Nam chưa nói đến ảnh hưởng khác cốt ngang : ảnh hưởng đến độ võng (giảm độ võng), tăng độ dẻo dai kết cấu …do cốt ngang làm bêtông lõi bị ràng buộc không tự nở ngang đạt đến giới hạn phá hoại Hiệu việc tăng cường cốt đai cho dầm ta tăng cường thêm cốt đai vùng bêtông chịu nén, có biến dạng lớn, dễ bị phá hoại, chẳng hạn dầm Trong giới hạn đề tài ta tiến hành nghiến cứu hệ thống công thức mà Mander đề nghị [9] sử dụng rông rãi từ sớm vấn đề bêtông bị ép ngang, chẳng hạn như: cường độ bêtông tăng lên không tự nở ngang; ảnh hưởng hình dạng, kích thước, cường độ cốt đai đến khả tăng cường độ bêtông… Vấn đề bêtông bị ràng buộc cốt đai nhắc đến nhiều tiêu chuẩn Mỹ (ACI) Châu Âu (Euro code) kể thực nghiệm thực nghiên cứu nước Với mong muốn tìm hiểu thêm vấn đề ảnh hưởng cốt ngang đến làm việc cấu kiện chịu uốn thực nghiệm với tiêu chuẩn vật liệu Việt Nam (cường độ bêtông thép khác với Mỹ), tác giả thực đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành xây dựng dân dụng công nghiệp MỤC LỤC Trang Ký hiệu qui ước dùng luận văn i Danh mục hình v Danh mục biểu bảng ix Chương Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Những nghiên cứu giới 1.3 Mục tiêu giới hạn nghiên cứu Chương Cơ sở lý thuyết 2.1 Khái quát 2.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng bêtông bị ép ngang 2.3 Tính tốn tỷ số ép ngang 2.4 Thông số khối ứng suất nén bêtông bị ép ngang 10 2.5 Phân tích Moment - độ cong dầm 11 2.5.1 Không thép chịu nén 12 2.5.1.1 Giai đoạn bắt đầu nứt 12 2.5.1.2 Giai đoạn chảy dẻo 12 2.5.1.3 Giai đoạn tới hạn 14 2.5.2 Có thép chịu nén 14 2.5.2.1 Giai đoạn bắt đầu nứt 14 2.5.2.2 Giai đoạn chảy dẻo 15 2.5.2.3 Giai đoạn tới hạn 16 2.5.3 Xét ảnh hưởng cốt ngang 17 2.6 Công thức đề nghị theo tiêu chuẩn Việt Nam 17 2.6.1 Không thép chịu nén 18 2.6.2 Có thép chịu nén 21 2.6.3 Tính tốn ép ngang bêtơng 22 2.6.3.1 Không thép chịu nén 24 2.6.3.2 Có thép chịu nén 24 Chương Tính tốn với số liệu thực tế 25 3.1 Tính tốn theo tiêu chuẩn ACI 25 3.1.1 Số liệu tính toán 25 3.1.2 Giai đoạn bắt đầu nứt 26 3.1.3 Giai đoạn chảy dẻo 26 3.1.3.1 Không thép chịu nén 26 3.1.3.2 Có thép chịu nén 26 3.1.4 Giai đoạn tới hạn 27 3.1.4.1 Không thép chịu nén 27 3.1.4.2 Có thép chịu nén 27 3.1.5 Tính bêtơng bị ép ngang 28 3.1.5.1 Không thép chịu nén 32 3.1.5.2 Có thép chịu nén 32 3.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam 33 3.2.1 Số liệu tính tốn 33 3.2.2 Giai đoạn tới hạn – không thép chịu nén 34 3.2.3 Giai đoạn tới hạn – có thép chịu nén 34 Chương Kết thực nghiệm 36 4.1 Khái quát thí nghiệm 36 4.2 Vật liệu 37 4.2.1 Bêtông 37 4.2.2 Thép 37 4.3 Chế tạo mẫu 37 4.4 Qui trình thí nghiệm 38 4.5 Kết thí nghiệm 41 4.5.1 Phân loại mẫu 41 4.5.2 Biểu đồ P - ∆ 42 4.5.3 Biểu đồ P - ε 44 Chương Phân tích kết - kết luận - kiến nghị 46 5.1 So sánh kết thực nghiệm với lý thuyết tiêu chuẩn ACI 46 5.2 Nhận xét biến dạng 57 5.3 So sánh tiêu chuẩn Việt Nam với thực nghiệm tiêu chuẩn ACI 60 5.4 Kết luận chung 60 5.5 Kiến nghị 62 Phụ lục 63 Tài liệu tham khảo 69 KÝ HIỆU QUI ƯỚC DÙNG TRONG LUẬN VĂN A THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM As Diện tích cốt thép chịu kéo – m.m2, cm2 A’s Diện tích cốt thép chịu nén – m.m2, cm2 Asw Diện tích cốt thép đai – m.m2, cm2 Ab Diện tích tiết diện bêtơng – m.m2, cm2 asw Diện tích nhánh cốt đai – m.m2, cm2 a Lớp bảo vệ cốt thép chịu kéo – m.m, cm a’ Lớp bảo vệ cốt thép chịu nén – m.m, cm b Bề rộng tiết diện cấu kiện – m.m, cm bc Bề rộng tiết diện cịn lại sau bêtơng ngồi lõi bị vỡ – m.m, cm Es Modul đàn hồi thép – MPa, kG/cm2 Eb Modul đàn hồi bêtông – MPa, kG/cm2 h Chiều cao tiết diện cấu kiện – m.m, cm hc Chiều cao tiết diện lại sau bêtơng ngồi lõi bị vỡ – m.m, cm ho Chiều cao hữu hiệu = h – a ; m.m, cm M Moment giới hạn chịu lực cấu kiện – N.mm, kG.cm, T.m n Số nhánh cốt đai Rc Cường độ nén mẫu lăng trụ, cường độ nén mẫu khối vuông chia 1.2 – MPa, kG/cm2 Rcc Cường độ bêtông bị ép ngang (mẫu lăng trụ) – MPa, kG/cm2 Rb Cường độ tính tốn bêtơng – MPa, kG/cm2 Rbn Cường độ tiêu chuẩn bêtông – MPa, kG/cm2 Rsc Cường độ thép chịu nén – MPa, kG/cm2 Rs Cường độ chịu kéo thép – MPa, kG/cm2 -i- Rsw Cường độ chịu kéo thép đai – MPa, kG/cm2 Rlt Cường độ tính tốn mẫu lăng trụ vuông 15x15xx30 (h = 4a) – MPa, kG/cm2 St Bước cốt đai (khoảng cách bố trí đai) – m.m, cm x Chiều cao vùng bêtông chịu nén – m.m, cm εy Biến dạng chảy dẻo thép εcu Biến dạng nén tới hạn (cực hạn) bêtông bị ép ngang (con finement) εcc Biến dạng nén bêtông bị ép ngang εc Biến dạng nén bêtông tự nở ngang εs Biến dạng thép chịu kéo εsm Biến dạng tới hạn (cực hạn) thép chịu kéo ε's Biến dạng thép chịu nén µx Tỷ số (hàm lượng) thép ngang (thép đai) theo phương x µy Tỷ số (hàm lượng) thép ngang (thép đai) theo phương y µs Tỷ số thể tích thép ngang σb Ứng suất trong bêtông miền nén – MPa, kG/cm2 σs Ứng suất thép chịu kéo – MPa, kG/cm2 σ's Ứng suất thép chịu nén – MPa, kG/cm2 - ii - Chương – Phân tích kết - kết luận - kiến nghị GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH Như hình (4.16) – chương 4, ta thấy biểu đồ bị gẫy khúc vị trí có lực P khoảng 2.8 T (M = 0.84 T.m) biến dạng khoảng 1.24 10-3, lúc độ cong φ khoảng 0.6.10-4 Tức moment thực nghiệm lớn lý thuyết (Mcr = 0.75 T.m) độ cong thực nghiệm lớn lý thuyết lần (lý thuyết 0.1.10-4) P = 2.8 T *10-4 -1.5 1.24 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -5 Hình 5.14 Biến dạng mặt cắt ngang dầm thời điểm P=2.8T 12cm Strain Vị trí (cm) -10 -15 -20 Strain -25 Nếu dựa vào biểu đồ biến dạng mặt cắt ngang dầm (hình (5.14)) với việc nối thẳng từ Strain đến Strain ta có đường đứt nét, xác định x = 12cm, giá trị Strain ε = 1.03.10-4 ⇒ ta xác định φ = ε/x = 1.1.10-3 / 12 ≈ 0.1.10-4 cm-1 tức xấp xỉ lý thuyết, chứng tỏ giai đoạn đàn hồi việc tính tốn ly thuyết thực nghiệm xác Việc tính đổi từ chuyển vị qua độ cong cịn chưa thật xác cấu kiện bêtông (không đồng chất) BIỂU ĐỒ (M - φ ) THEO THỰC NGHIỆM CÁC DẦM CÓ ĐAI D15 - MÁC KHÁC NHAU R22 R28 R40 Moment M (T.m) 0 10 15 20 Độ cong φ (*10 -4 25 30 35 -1 cm ) Hình 5.15 Biểu đồ (M - φ) theo thực nghiệm dầm có đai D15, mác khác HVTH: Hồ Ngọc Tri Tân – MSHV: 02105514 Trang - 56 Chương – Phân tích kết - kết luận - kiến nghị GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH • Biểu đồ hình (5.15) cho ta thấy độ cong trường hợp bêtơng có cường độ R22 R28 tương đương, trường hợp bêtông có cường độ R40 lại lớn đáng kể, điều khác với lý thuyết (hình (5.5)) – cường độ bêtơng khác cho kết chênh lệch 5.2 Nhận xét biến dạng Strain Gause dán cho mẫu dầm R40-D15, trình bày chương Số liệu tổng hợp bảng phụ lục (PL-6), biểu đồ BIỂU ĐỒ (P - ε ) STRAIN 12 Lực P (T) 10 0 20 40 60 80 100 -4 Biến dạng ε (*10 ) Hình 5.16 Biểu đồ (P - ε) Strain 4, dầm R40 – D15 BIỂU ĐỒ (P - ε ) STRAIN 12 Lực P (T) 10 0 10 20 30 40 50 -4 Biến dạng ε (*10 ) Hình 5.17 Biểu đồ (P - ε) Strain 3, dầm R40 – D15 HVTH: Hồ Ngọc Tri Tân – MSHV: 02105514 Trang - 57 Chương – Phân tích kết - kết luận - kiến nghị GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH BIỂU ĐỒ (P - ε ) STRAIN 12 Lực P (T) 10 0 10 -4 Biến dạng ε (*10 ) Hình 5.18 Biểu đồ (P - ε) Strain 2, dầm R40 – D15 BIỂU ĐỒ (P - ε ) STRAIN 12 Lực P (T) 10 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -4 Biến dạng ε (*10 ) Hình 5.19 Biểu đồ (P - ε) Strain 1, dầm R40 – D15 Một số nhận định: • Sau cấu kiện bị nứt tất Strain Gause có biến động – giá trị tăng nhanh, biểu qua điểm gẫy khúc • Khi miền bêtông chịu nén gần đạt đến biến dạng phá (ε = 0.003 = 30.10-4) tất Strain gause tăng nhanh, biểu đồ bị gẫy khúc Strain (mép dầm) bị gẫy khúc điểm có ε ≈ 0.001 = 10.10-4 (xem hình 5.19) bêtông chưa bị vỡ, HVTH: Hồ Ngọc Tri Tân – MSHV: 02105514 Trang - 58 Chương – Phân tích kết - kết luận - kiến nghị GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH điểm gẫy khúc tải không tăng nên biểu đồ ngang, nhìn vào chuỗi giá trị ta thấy lúc bêtơng bị phá vỡ • Khi biến dạng dầm lớn - chuyển vị đạt khoảng 80m.m strain gause bị nhiễu động lớn, theo nhận định lúc điểm dán bị bung ra, số liệu khơng cịn xác, nên ta khơng xử lý số liệu • Thí nghiệm cho thấy nhận định tiêu chuẩn ACI đúng, cụ thể là: Biến dạng điểm mặt cắt ngang cấu kiện chịu uốn thẳng trước bị nứt sau bị nứt, bêtơng bị vỡ có đơi chút nhiễu động biến dạng nhỏ, giá trị nhỏ nên dễ dẫn đến sai số Xem hình (5.20) – (5.22) Biến dạng ε (*10-4) -0.5 0.0 0.5 1.0 -5 Straim1 Straim2 -10 Vị trí (cm) Chiều cao dầm = 25cm -1.0 Straim3 -15 -20 Straim4 -25 Hình 5.20 Biến dạng mặt cắt ngang, dầm R40 – D15 – P=2.09T Trước nứt Biến dạng ε (*10-4) -5 Straim1 Vị trí (cm) Chiều cao dầm = 25cm -10 10 15 20 -5 Straim2 -10 Straim3 -15 -20 Straim4 -25 Hình 5.21 Biến dạng mặt cắt ngang, dầm R40 – D15 – P=8.10T Sau nứt HVTH: Hồ Ngọc Tri Tân – MSHV: 02105514 Trang - 59 Chương – Phân tích kết - kết luận - kiến nghị GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH Biến dạng ε (*10-4) Straim1 Vị trí (cm) Chiều cao dầm = 25cm -50 50 100 -5 -10 Straim2 Straim3 -15 -20 Straim4 -25 Hình 5.22 Biến dạng mặt cắt ngang, dầm R40 – D15 – P=12.29T Sau bêtông miền nén bị vỡ Tất nhận định chưa nói lên yếu tố ép ngang bêtông (Confinement), để làm điều khó khăn ta phải dùng strain gause đặc biệt dán vào cốt thép đai chôn bêtông, giới hạn đề tài tác giả chưa thể làm điều 5.3 So sánh tiêu chuẩn Việt Nam với thực nghiệm tiêu chuẩn ACI Tiêu chuẩn Việt Nam tính giai đoạn tới hạn trường hợp bêtông không bị ép ngang (không cốt đai) – xem bảng 3.1, chương Các giai đoạn lại tác giả đề nghị cơng thức tính dưa tiêu chuẩn ACI, nên giá trị không khác so với ACI Về giá trị tới hạn trường hợp khơng cốt đai tác giả có nhận định tính theo tiêu chuẩn Việt Nam cho kết nhỏ tiêu chuẩn ACI, chênh lệch chủ yếu cách qui đổi từ dạng ứng suất đường cong qua hình chữ nhật tiêu chuẩn khác Với nhận định trên, ta không so sánh tiêu chuẩn Việt Nam với thực nghiệm, việc khơng cần thiết 5.4 Kết luận chung Kết luận ý nghĩa việc bố trí cốt đai nhằm tăng cường độ dẻo dai kết cấu chịu uốn: • Thực nghiệm cho thấy cấu kiện chịu uốn có cốt đai bố trí dày vùng bêtông chịu nén làm cho bêtông vùng nén khó bị phá vỡ hơn, dẫn đến cấu kiện có HVTH: Hồ Ngọc Tri Tân – MSHV: 02105514 Trang - 60 Chương – Phân tích kết - kết luận - kiến nghị GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH độ dẻo dai cao, không đổ sập độ ngột đạt đến giá trị tới hạn Điều đặc biệt quan trọng cơng trình chống động đất, trận động đất Trung Quốc vừa qua (tháng 05 năm 2008) nhiều cơng trình sập đổ hồn tồn bêtơng vỡ, cốt đai vị trí nút khung bố trí dày giữ cho bêtơng lõi khơng bị bung cấu kiện cịn đủ sức chống đỡ để khơng sập hồn tồn • Thực nghiệm tác giả mức cốt đai bố trí thơng thường, khoảng cách 10 – 15cm chưa đủ để bó bêtơng lõi khơng bị vỡ bung ra, nên tác giả có nhận định để tăng cường độ dẻo dai kết cấu khoảng cách cốt đai nên khỏang 100m.m) bêtơng vùng nén phá hoại thật (bêtông bung lên), giai đoạn ta giữ tải lâu dài dầm chịu được, chịu lực mảng bêtơng cịn bị mắc kẹt lõi cốt đai không rớt được, thật lúc cấu kiện hết khả chịu lực • Sự khác lớn thực nghiệm lý thuyết theo nhận định tác giả do: o Đối với lý thuyết: xem bêtông lõi bị phá vỡ cốt đai đạt tới giới hạn chảy, tức bêtơng bị bó chặt lõi cốt đai o Đối với thực nghiệm: cốt đai bó chặt bêtơng phạm vi xung quanh nó, cịn phạm vi rộng bêtông bị bung vỡ, xem hình (5.23) 25 cm Bêtông lõi cốt đai bị vỡ Thép đai Vùng ảnh hưởng thép đai Vùng bêtông vỡ Thép chịu kéo Hình 5.23 Cơ chế phá vỡ bêtông HVTH: Hồ Ngọc Tri Tân – MSHV: 02105514 Trang - 61 Chương – Phân tích kết - kết luận - kiến nghị GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH 5.5 Kiến nghị • Do thực nghiệm thời gian ngắn nên số mẫu thực nghiệm không nhiều để kết luận chắn vấn đề bàn luận, nên tác giả kiến nghị nghiên cứu sau cần sâu tìm hiểu ảnh hưởng cốt đai trường hợp cốt đai thưa (>10cm) cốt đai dày (