Đánh giá khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo một số tiêu chuẩn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ MINH TÂM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP ĐÀ NẴNG - 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ MINH TÂM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN ANH THIỆN ĐÀ NẴNG - 2018 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo cán khoa Đào tạo Sau đại học trƣờng Đại Học Bách khoa Đà Nẵng giúp đỡ, dẫn tác giả suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả xin có lời cảm ơn đặc biệt đến thầy TS Trần Anh Thiện truyền đạt cho tác giả kiến thức qúy báu giúp cho tác giả hồn thiện kiến thức nhƣ hoàn thành Luận văn Qua đây, tác giả muốn kính gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Do trình độ tác giả có hạn chế định, cố gắng hoàn thành hoàn thiện nhƣng Luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, tác giả mong đƣợc ý kiến đóng góp thầy cô bạn đồng nghiệp để Luận văn đƣợc hoàn thiện Trân trọng Đà Nẵng, ngày 11 tháng năm 2018 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Lê Minh Tâm LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 11 tháng năm 2018 Tác giả Lê Minh Tâm ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN Học viên: Lê Minh Tâm Chuyên ngành: Kỹ thuật XD cơng trình DD&CN Mã số: 60 58 02 08 Khóa: 32 Trƣờng Đại học Bách khoa-ĐHĐN Tóm tắt: Vách bê tông cốt thép đƣợc sử dụng phổ biến để chịu tải trọng ngang nhƣ tải trọng gió động đất có cƣờng độ độ cứng lớn Luận văn khảo sát so sánh sở lý thuyết tính tốn khả chịu cắt vách bê tơng cốt thép, xây dựng trình tự bƣớc tính tốn theo tiêu chuẩn ACI 318-14, Eurocode 1992-1-1:2004 Eurocode 1998-1:2004 Kết nghiên cứu cho thấy độ chênh lệch khả chịu cắt vách kháng chấn không kháng chấn theo tiêu chuẩn Eurocode lớn nhiều so với tiêu chuẩn ACI 318-14 Luận văn so sánh đánh giá khả chịu cắt vách theo cƣờng độ bê tông tỉ lệ lực dọc tiêu chuẩn này, theo hai trƣờng hợp có khơng có thiết kế kháng chấn Từ khóa: bê tơng cốt thép, vách cứng, khả chịu cắt, cốt thép ngang, tiêu chuẩn thiết kế Abstract: Reinforced concrete shear walls are commonly used to resist lateral loads such as wind or earthquake loadings due to their high strength and stiffness This thesis investigated and compared the theoretical basis for determining the shear capacity and developed the procedures for shear design of reinforced concrete walls in accordance with various building codes including ACI 318-14, Eurocode 1992-1-1:2004 and Eurocode 1998-1:2004 The results show that the difference in shear capacity between non-seismic and seismic structural walls according to Eurocodes is much larger than that according to ACI 318-14 Comparisons of the design shear capacity versus concrete strength and axial load level were also carried out among these building codes, for both cases of nonseismic and seismic design Key words: reinforced concrete, shear wall, shear strength, shear reinforcement, building code MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG 1.1.1 Cƣờng độ bê tông 1.1.1.1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 1.1.1.2 Sự phá hoại mẫu thử 1.1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông 1.1.2 Giá trị trung bình giá trị tiêu chuẩn cƣờng độ 1.1.2.1 Giá trị trung bình 1.1.2.2 Giá trị đặc trưng 1.1.2.3 Giá trị tiêu chuẩn 1.1.3 Cấp độ bền mác bê tông 1.1.3.1 Mác theo cường độ chịu nén M 1.1.3.2 Cấp độ bền chịu nén B 1.1.3.3 Cấp độ bền chịu kéo Bt 1.2 TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU CỐT THÉP 1.2.1 Đặc trƣng học 1.2.2 Phân loại cốt thép 10 1.3 VAI TRÒ, ĐẶC ĐIỂM CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP 11 1.3.1 Vai trị vách bê tơng cốt thép 11 1.3.2 Đặc điểm làm việc vách bê tông cốt thép 12 1.3.3 Các loại vách bê tông cốt thép 13 1.3.3.1 Phân loại vách theo chiều cao 13 1.3.3.2 Phân loại vách bê tông cốt thép theo công 14 1.3.3.3 Sự làm việc vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang 14 1.4 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 18 1.4.1 Nghiên cứu Ning Xu (2010) [15] 18 1.4.2 Nghiên cứu M.A Osman (2011) [16] 18 1.4.3 Các nghiên cứu mô ứng xử phi tuyến cấu kiện BTCT phƣơng pháp phần tử hữu hạn 19 1.4.4 Mơ hình giàn với xiên nghiêng góc 45o 20 1.4.5 Mơ hình giàn với góc nghiêng thay đổi [17] 22 1.4.6 Mơ hình chống giằng [17] 23 1.4.7 Mơ hình miền nén (Compression Field Theory – CFT)[17] 24 1.4.8 Lý thuyết miền nén cải tiến (Modified Compression Field Theory MCFT)[18] 26 1.5 MỘT SỐ HÌNH ẢNH VÁCH CỨNG BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ HƢ HẠI DO ĐỘNG ĐẤT 28 1.6 KẾT LUẬN 31 CHƢƠNG TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN 32 2.1 TÍNH TỐN THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ ACI 318-14 32 2.1.1 Khả chịu cắt vách bê tông cốt thép trƣờng hợp không thiết kế kháng chấn 32 2.1.2 Khả chịu cắt vách bê tông cốt thép trƣờng hợp thiết kế kháng chấn 33 2.2 TÍNH TỐN THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE VÀ EUROCODE 33 2.2.1 Khả chịu cắt bê tông 33 2.2.2 Tính tốn cƣờng độ tiết diện nghiêng 34 2.2.2.1 Mơ hình dàn ảo 34 2.2.2.2 Các công thức 38 2.2.3 Điều kiện hạn chế 41 2.2.4 Tính tốn cốt thép ngang chịu cắt 38 2.2.5 Khả chịu cắt vách trƣờng hợp không thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn EC2-2004 38 2.2.6 Khả chịu cắt vách trƣờng hợp thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn EC8-2004 38 2.3 MỘT SỐ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC TIÊU CHUẨN TÍNH TỐN 39 CHƢƠNG SO SÁNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP GIỮA TIÊU CHUẨN HOA KỲ ACI 318-14 VỚI TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC2-2004 VÀ EC8-2004 40 3.1 BÀI TOÁN 40 3.1.1 Vách không thiết kế kháng chấn 40 3.1.2 Vách có thiết kế kháng chấn 41 3.2 BÀI TOÁN 41 4.2.1 Vách không thiết kế kháng chấn 41 4.2.2 Vách có thiết kế kháng chấn 42 3.3 BÀI TOÁN 42 3.4 BÀI TOÁN 43 3.5 BÀI TOÁN 44 3.6 BÀI TOÁN 49 3.7 MỘT SỐ NHẬN XÉT 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 8; Eurocode2 Chữ viết tắt Giải thích E Mô đun đàn hồi F Tải trọng (tác động) G Tải trọng thƣờng xun I Mơ men qn tính M Mô men uốn Q Tải trọng tạm thời T Mô men xoắn V Lực cắt b Chiều rộng tiết diện ngang d Chiều cao làm việc tiết diện a’ Khoảng cách từ mép bê tông chịu nén tới trọng tâm cốt thép chịu nén e Độ lệch tâm h Chiều cao tiết diện mặt phẳng uốn i Bán kính quán tính k Hệ số l Chiều dài nhịp s Khoảng cách cốt đai t Chiều dày x Khoảng cách từ mép bê tông chịu nén tới trục trung hịa Ac Diện tích tiết diện ngang bê tơng As Diện tích tiết diện ngang cốt thép chịu kéo A’s Diện tích tiết diện ngang cốt thép chịu nén Asw Diện tích tiết diện ngang cốt thép chịu cắt (cốt đai, xiên) Es Mô đun đàn hồi cốt thép DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Tiêu chuẩn ACI 318-14 Chữ viết tắt Giải thích Mu Mơmen ngoại lực tác dụng từ tổ hợp lực tính tốn Mn Khả chịu lực cấu kiện , xác định từ điều kiện cụ thể tiết diện Ma Mômen lớn dọc theo trục dầm Icr Mô men quán tính trục qua trọng tâm tiết diện trƣờng hợp tiết diện khơng có khe nứt Es Mô đun đàn hồi cốt thép Ec Mô đun đàn hồi bê tông s Biến dạng cốt thép chịu kéo  's Biến dạng cốt thép chịu nén f 'c Cƣờng độ chịu nén bê tông fr Cƣờng độ chịu kéo bê tông fy Cƣờng độ chịu kéo cốt thép a Chiều cao vùng bê tông chịu nén d Khoảng cách từ mép biên vùng nén tới lớp thép chịu kéo d’ Khoảng cách từ mép biên vùng nén tới thép chịu kéo b Bề rộng tiết diện ngang  Hệ số giảm độ bền cấu kiện  Hàm lƣợng cốt thép As, A’s Diện tích tiết diện ngang cốt thép chịu kéo chịu nén 43 Hình 3.1 Khả chịu lực cắt vách có tỷ số nhịp cắt s=2.0 cấp độ bền thay đổi 3.4 Bài toán Cho vách bê tơng cốt thép nhƣ tốn Hãy khảo sát thay đổi khả chịu lực cắt vách theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 tiêu chuẩn châu Âu EC2-2004 EC8-2004 trƣờng hợp lực dọc thay đổi phạm vi từ (0.02  0.30) Ag f c' Kết tính tốn khả chịu lực cắt vách theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 tiêu chuẩn châu Âu EC2-2004 EC8-2004 trƣờng hợp lực dọc thay đổi phạm vi từ (0.02  0.30) Ag f c' đƣợc tổng hợp Bảng 3.2 sau 44 Hình 3.2 Khả chịu lực cắt vách có tỷ số nhịp cắt s=2.0 lực dọc thay đổi Bảng 3.2 Kết tính tốn khả chịu cắt thay đổi theo lực dọc: Tỷ lệ lực dọc/Khả chịu lực nén tiết diện 20% 22% 24% 26% 28% 30% 32% 34% 36% 38% 40% 42% 44% 46% 48% 50% EC2-2004 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 1841 EC8-2004 998 998 998 998 998 998 998 998 998 998 998 998 998 998 998 998 ACI 318-14 1176 1208 1240 1272 1304 1336 1368 1400 1432 1464 1496 1528 1560 1592 1624 1176 ACI 318-14 (KC) 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 1401 3.5 Bài toán Giống toán nhƣng tỷ số nhịp cắt tăng lên s=5.0 Kết tính toán khả chịu lực cắt vách theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 tiêu chuẩn châu Âu EC2-2004 EC8-2004 trƣờng hợp cấp độ bền B thay đổi phạm vi B25 đến B60 thể hình vẽ sau 45 Hình 3.3 Khả chịu lực cắt vách có tỷ số nhịp cắt s=5.0 cấp độ bền thay đổi 3.6 Bài toán Giống toán nhƣng tỷ số nhịp cắt tăng lên s=5.0 Kết tính tốn khả chịu lực cắt vách theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 tiêu chuẩn châu Âu EC2-2004 EC8-2004 trƣờng hợp lực dọc thay đổi phạm vi từ (0.02  0.30) Ag f c' đƣợc thể hình vẽ sau 46 Hình 3.4 Khả chịu lực cắt vách có tỷ số nhịp cắt s=5.0 lực dọc thay đổi 3.7 Một số nhận xét Khả chịu lực cắt vách bê tông cốt thép không kháng chấn theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 phụ thuộc nhiều vào lực dọc, khả chịu lực cắt vách có thiết kế kháng chấn khơng Vì vậy, với vách có kích thƣớc nhƣ có tỷ số nhịp cắt 2.0, ứng với bê tơng có cấp độ bền B25, khả chịu lực cắt vách không kháng chấn lớn vách có thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 lực dọc lớn khoảng 0.16 Ag f c' ngƣợc lại (xem Hình 3.1 3.2) Với vách có kích thƣớc bố trí cốt thép ngang nhƣ đề cập toán, theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, khả chịu cắt vách khơng có kháng chấn tăng tăng cấp độ bền nén bê tông; tốc độ tăng khả chịu lực cắt vách có kháng chấn lớn vách khơng kháng chấn Theo tiêu chuẩn ACI 318-14, khả chịu cắt vách không kháng chấn giảm tăng tỷ lệ Mu , khả chịu cắt vách không kháng chấn giảm tỷ số Vu nhịp cắt tăng từ 2.0 lên 5.0 Trong đó, với vách có tỷ lệ hw  2.0 , khả chịu lw 47 cắt vách có thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn ACI 318-14 không thay đổi Đối với tiêu chuẩn châu Âu, khả chịu cắt vách có thiết kế kháng chấn đƣợc xác định với góc nghiêng  đƣợc lấy cố định 45o, vách không thiết kế kháng chấn đƣợc lấy tối ƣu với khoảng   22o  45o Vì vậy, khả chịu cắt vách không thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn EC2-2004 thƣờng lớn khả chịu cắt vách có thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn EC8-2004 Với tiêu chuẩn châu Âu, ứng với lƣợng cốt thép ngang có sẵn, tùy theo tƣơng quan khả chịu lực tiết diện nghiêng theo ứng suất nén bê tơng khả chịu lực cốt thép ngang mà khả chịu lực vách tăng theo cấp độ bền hay không 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Từ kết nghiên cứu lý thuyết thơng qua ví dụ tính tốn cụ thể khả chịu cắt vách bê tông cốt thép, ta đƣa kết luận sau: Tiêu chuẩn EC2 - 2004 thiết lập mơ hình dàn với góc nghiêng chịu nén hay vết nứt thay đổi từ 220 đến 450, bỏ qua đóng góp trực tiếp bê tơng tính khả chịu cắt vách Tiêu chuẩn EC8-2004 tiêu chuẩn ACI 318-14 sử dụng mơ hình dàn với góc nghiêng chịu nén 45o Độ chênh lệch khả chịu cắt vách kháng chấn theo EC8-2004 không kháng chấn theo EC2-2004 lớn nhiều so với tiêu chuẩn ACI 318-14 Tiêu chuẩn ACI 318-14 xem xét ảnh hƣởng tƣơng quan giá trị momen lực cắt thiết kế giá trị lực cắt, yếu tố không đƣợc xem xét cho vách có tỷ số nhịp cắt lớn 2.0 EC2-2004 EC8-2004 Giá trị lực dọc yếu tố ảnh hƣởng lớn đến khả chịu cắt vách theo ACI 318-14; khơng đƣợc xem xét cho vách có tỷ số nhịp cắt lớn 2.0 EC2-2004 EC8-2004 Kiến nghị Để có kết nghiên cứu hồn chỉnh cần thực nghiên cứu tổng quát chất công thức mà tiêu chuẩn sử dụng, liên hệ với kết thực nghiệm vách cứng để kiểm chứng kết Đồng thời, cần khảo sát tất tham số ảnh hƣởng đến khả chịu cắt vách cứng với phạm vi rộng tiêu chuẩn để có kết tồn diện tin cậy 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Trung Hòa Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép Theo Quy Phạm Hoa Kỳ Nhà Xuất Bản Xây Dựng (2011) Lê Thanh Huấn Kết Cấu Nhà Cao Tầng Bê Tông Cốt Thép, Nhà Xuất Bản Xây Dựng, Hà Nội (2010) Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống Kết Cấu Bêtơng Cốt Thép-Phần Cấu Kiện Cơ Bản Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội (2006) Ngô Thế Phong, Lý Trần Cƣờng, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh Kết Cấu Bêtông Cốt Thép-Phần Kết Cấu Nhà Cửa Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội (1996) Trần Mạnh Tn Tính Tốn Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép Theo Tiêu Chuẩn ACI318-2002 Nhà Xuất Bản Xây Dựng (2010) Phạm Xn Tùng Tính Tốn Vách Cứng Theo Tiêu Chuẩn Mỹ ACI318M-08 Bộ Môn Kỹ Thuật Xây Dựng TCVN 198-1997 Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tơng cốt thép tồn khối TCVN 5774-2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9386-2012 Thiết Kế Cơng Trình Động Đất 10 TCVN 2737:1995 Tải Trọng Và Tác Động-Tiêu Chuẩn Thiết Kế 11 Huỳnh Quốc Hùng Kết cấu nhà cao tầng, Trƣờng Đại học xây dựng Miền Trung Tiếng Anh 12 ACI 318 - 14: Building code requirement for structural concrete and Commentary American concrete íntitute 13 Eurocode 1992-1-1:2004: Design of concrete structures 14 Eurocode 1998-1-1:2004:Design of concrete structures for earthquake resistance 15 Ning Xu, Bin Xu, Xiang Zeng, Zhou Jiang and Junming Chen, Dynamic LoadDisplacement Behavior of Rc shear wall under different loading rates: Test and simulations, advanced materials research vols 163-167, 2010 16 M.A Osman, F.I.Khairallah and M.Eldemrdash, behavior of shear walls under axial load and cyclic load, journal of engineering sciences, assiut University 39 (5), 2011.pp.993-946 17 Ahmadreza Shirneshan, A numerical Study on the damaged RC shear walls with Openings Retrofitted by FRP Sheets (2015) 18 Vecchio and Collins, Modified Compression Field Theory - MCFT (1986) ... CHƢƠNG TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN 32 2.1 TÍNH TỐN THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ ACI 318-14 32 2.1.1 Khả chịu cắt vách bê tông cốt thép trƣờng hợp... theo số tiêu chuẩn? ?? Mục đích nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu phƣơng pháp xác định khả chịu cắt vách bê tông cốt thép theo số tiêu chuẩn Phân tích đánh giá khác khả chịu cắt vách bê tông cốt thép tiêu. .. 32 CHƢƠNG TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN 2.1 Tính tốn theo tiêu chuẩn hoa kỳ ACI 318-14 2.1.1 Khả chịu cắt vách bê tông cốt thép trƣờng hợp không