Nghiên cứu thiết kế đài cọc bê tông cốt thép sử dụng mô hình giàn ảo cải tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỮU DIỆU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TƠNG CỐT THÉP SỬ DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO CẢI TIẾN Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết phương án nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Hữu Diệu MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÀN ẢO VÀ MƠ HÌNH GIÀN ẢO CHO ĐÀI CỌC 1.1 Tổng quan mơ hình gıàn ảo 1.1.1 Giới thiệu mơ hình giàn ảo 1.1.2 Ứng dụng mơ hình giàn ảo 1.2 Nộı dung mơ hình gıàn ảo 1.2.1 Các giả thiết cấu tạo nguyên lý chung lập mơ hình giàn ảo 1.2.2 Kết cấu mơ hình giàn ảo 1.2.3 Các phận cấu thành mơ hình giàn ảo 1.2.4 Nội lực mơ hình giàn ảo 10 1.3 Các phƣơng pháp lựa chọn mơ hình gıàn ảo 13 1.3.1 Phƣơng pháp cấu trúc liên kết 13 1.3.2 Phƣơng pháp vùng ứng suất 13 1.3.3 Phƣơng pháp lƣợng biến dạng 13 1.4 MƠ HÌNH GİÀN ẢO CHO ĐÀİ CỌC 13 1.4.1 Mơ hình giàn ảo đài cọc 13 1.4.2 Tính tốn thiết kế, sử dụng mơ hình giàn ảo đài cọc 14 1.5 Kết luận chƣơng 16 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO CẢI TIẾN TÍNH TỐN ĐÀI CỌC 17 2.1 Xây dựng mơ hình gıàn ảo cảı tıến 17 2.1.1 Giới thiệu mơ hình giàn ảo cổ điển 17 2.1.2 Đề xuất mơ hình giàn ảo cải tiến tính tốn đài cọc 18 2.2 Tính tốn đàı cọc theo mơ hình gıàn ảo cảı tıến 19 2.2.1 Tính tốn d cho đài hai cọc 19 2.2.2 Tính tốn d cho đài nhiều hai cọc 22 2.2.3 Tính toán kiểm tra đài cọc 24 2.3 Lƣu đồ tính tốn đài cọc 29 2.4 Kết luận chƣơng 31 CHƢƠNG 3: XÁC MINH MƠ HÌNH TÍNH TỐN VỚI THỰC NGHIỆM - VÍ DỤ MINH HỌA - KHẢO SÁT THAM SỐ 32 3.1 Xác mınh mơ hình tính tốn với thực nghıệm 32 3.1.1 Giới thiệu thí nghiệm 32 3.1.2 Xác minh với kết thí nghiệm 33 3.2 Các ví dụ tính tốn thıết kế đàı cọc 35 3.2.1 Ví dụ thiết kế đài hai cọc 35 3.2.2 Ví dụ thiết kế đài bốn cọc 38 3.3 Khảo sát tham số 42 3.3.1 Đề xuất tham số khảo sát 42 3.3.2 Khảo sát tham số đề xuất 43 3.4 Kết luận chƣơng 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (bản sao) TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TƠNG CỐT THÉP SỬ DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO CÀI TIẾN Học viên: Nguyễn Hữu Diệu Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 - Khóa: K33 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN TĨM TẮT: Hiện nay, việc tính tốn thiết kế đài cọc bê tơng cốt thép theo mơ hình giàn ảo giới hạn ứng suất nén chống bê tông không vƣợt cƣờng độ chịu nén để ngăn chặn phá hoại giòn cốt thép chịu kéo giằng không bị phá hoại kéo đứt Trong mơ hình giàn ảo cổ điển, giàn từ vị trí cột, mặt đài hƣớng đến trục cọc mức cốt thép chịu kéo Tuy nhiên, thực tế đài cọc cịn có cốt thép cột neo vào đài cọc, vị trí vùng nút chân cột di chuyển vào bên đài độ sâu d mở rộng tiết diện cột thành diện tích làm tăng cƣờng độ nút Nhƣ vậy, mô hình giàn ảo phản ánh làm việc thật kết cấu kết tính tốn an toàn cho thiết kế cọc Luận văn giới thiệu mơ hình giàn ảo mới, cách xác định vị trí đặt tải đài quy trình tính tốn thiết kế đài cọc Bên cạnh cƣờng độ bê tông, chiều cao đài cọc đƣợc khảo sát để đánh giá ảnh hƣởng đến khả chịu tải đài Từ khóa – mơ hình giàn ảo; giàn ảo cải tiến; chống; giằng; đài cọc ABSTRACT: At present, besides using the traditional method for the design of reinforced concrete pile caps by considering the pile caps as beam or slab structure, the strut-and-tie model is used Strut-and-tie model limits compresive stress in concrete strut not exceed the compressive strength of the concrete to prevent brittle damage and tension stress in reinforcement tie for preventing tension damage Almost the current strut-and-tie models for designing pile caps consider concrete strut from the bottom of column (at the top of the pile cap) to axis of the pile at the level of reinforcing bar However, in practice the reinforcing bars of column are extended to the pile caps, so the position of the node at the base of the column moves a distance d inside the pile caps and enlarges the colume section as a larger new cross section that increase the strength at the node Therefore, a improved strut-and-tie model that accurately reflects the real behaviour of the structure is proposed The results from the proposed model compared with the empirical data show the reliability of the improved model In addition, parametric study was investigated to evaluate the effect of different factors on the load capacity of the pile Keywords –Strut and tie model; improved strut and tie; strut; tie; pile cap DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT fc’ H Bd Ld L n fck fyk d’ h d r Ntk Mx, My Dp a,b α fcd fcd1 fcd2 σc2 : Cƣờng độ chịu nén bê tông : Chiều cao đài cọc : Bề rộng đài cọc : Chiều dài đài cọc : Khoảng cách tim cọc : Số lƣợng cọc đài : Cƣờng độ bê tông : Cƣờng độ cốt thép : Khoảng cách từ mép dƣới đài đến trọng tâm cốt thép : Chiều cao làm việc đài cọc : Chiều sâu mặt phẳng hội tụ giằng : Khoảng cách từ tim cọc đến mặt phẳng 0,25 từ tim cột : Tải trọng lực dọc thiết kế : Momen chân cột theo phƣơng Ox; Oy : Đƣờng kính cọc : Chiều rộng, chiều cao cột : Góc tạo độ nghiêng thang giằng : Cƣờng độ đặc trƣng bê tông : Cƣờng độ bê tông tới hạn cho đài hai cọc : Cƣờng độ bê tông tới hạn cho đài nhiều hai cọc : Ứng suất vùng nút đỉnh cọc : Tỷ số nén Av Amr μ μmin : Diện tích mở rộng cột vào đài cọc : Diện tích mở rộng cọc vào đài : Hàm lƣợng cốt thép đài cọc : Hàm lƣợng cốt thép tối thiểu đài cọc DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 3.1 Thơng tin đài cọc thí nghiệm 32 3.2 Kích thƣớc đài cọc thí nghiệm 33 3.3 Xác minh tính tốn với thực nghiệm 34 3.4 Tải trọng tác dụng lên đầu cọc 39 3.5 Khảo sát ảnh hƣởng chiều cao H đến làm việc 44 3.6 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến làm việc đài cọc 46 3.7 Ảnh hƣởng kích thƣớc cột đến làm việc đài cọc 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Tên hình Ứng dụng mơ hình giàn ảo Mơ hình giàn ảo dầm bê tông cốt thép nhịp đơn giản Giàn giàn không Từ dạng bố trí vết nứt suy mơ hình giàn ảo hợp lý Thanh chống ảo (Struts) Các vùng nút giàn ảo Các mơ hình tính tốn kích thƣớc chống Mơ hình giàn ảo cho đài cọc Mơ hình giàn ảo cổ điển cho đài hai cọc Mơ hình giàn ảo cải tiến đề xuất Ứng suất giàn Diện tích tiết diện cột mở rộng vào đài hai cọc Diện tích tiết diện cột mở rộng vào đài nhiều hai cọc Minh họa tính tốn cốt thép đài 04 cọc Tính tốn đài cọc microsoft excel 2010 Biểu đồ so sánh tải tính tốn tải thực nghiệm Đài hai cọc chịu tải trọng tâm Bố trí cốt thép đài hai cọc Đài bốn cọc chịu tải trọng tâm Mơ hình giằng – chống Bố trí cốt thép đài bốn cọc Đài bốn cọc chịu tải trọng tâm Biểu đồ tƣơng quan chiều cao H ứng suất σc2; fcd2 Biểu đồ so sánh ứng suất σc2; fcd2 Biểu đồ so sánh ứng suất σc2; fcd2 Trang 4 7 11 14 17 18 20 20 22 26 30 34 35 37 38 41 42 43 45 46 48 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, việc tính tốn thiết kế đài cọc bê tông cốt thép sử dụng tiêu chuẩn thiết kế thƣờng đƣợc thực theo hai phƣơng pháp: Phƣơng pháp thứ nhất, quan niệm đài cọc nhƣ dầm hay sàn với gối đỡ cọc Với phƣơng pháp cốt thép chịu kéo đƣợc xác định dựa vào mô men tiết diện mặt cột cƣờng độ chịu cắt đƣợc thiết kế tƣơng tự nhƣ điều kiện chịu cắt dầm hay thiết kế theo điều kiện chịu cắt thủng sàn theo tiêu chuẩn nhƣ ACI 318, EU2, JSCE 2010, TCVN 55742012 Thƣờng phƣơng pháp đƣợc sử dụng để thiết kế đài cọc chịu uốn (đài cọc chịu uốn đƣợc xem xét khoảng cách từ trục cọc đến mặt cột lớn lần chiều cao đài cọc) Phƣơng pháp thứ hai, đài cọc đƣợc thiết kế theo mơ hình giàn khơng gian gọi mơ hình giàn ảo Mục đích mơ hình giới hạn ứng suất nén chống bê tông không vƣợt cƣờng độ chịu nén để ngăn chặn phá hoại giòn cốt thép chịu kéo giằng không bị phá hoại kéo đứt Trong mô hình giàn ảo cổ điển, giàn từ vị trí cột, mặt đài hƣớng đến trục cọc mức cốt thép chịu kéo Tuy nhiên thực tế đài cọc cịn có cốt thép cột neo vào đài cọc, vị trí vùng nút chân cột di chuyển vào bên đài độ sâu d mở rộng tiết diện cột thành diện tích làm tăng cƣờng độ nút Nhƣ vậy, từ phân tích hạn chế hai phƣơng pháp thƣờng dùng cần đƣợc loại bỏ để thay mơ hình tính toán vừa phản ánh làm việc thật kết cấu bên cạnh cho kết tính toán đạt độ tin cậy lý để thực đề tài “Nghiên cứu thiết kế đài cọc bê tơng cốt thép sử dụng mơ hình giàn ảo cải tiến” Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu mơ hình giàn ảo nói chung mơ hình giàn ảo thiết kế đài móng cọc nói riêng; Xây dựng mơ hình giàn ảo cải tiến cho việc thiết kế đài cọc; Xác minh mơ hình tính tốn với kết thí nghiệm; Thực ví dụ tính tốn khảo sát tham số Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Đài cọc bê tông cốt thép chịu tải trọng tâm có khoảng cách từ trục cọc đến mặt cột nhỏ lần chiều cao đài cọc Phạm vi nghiên cứu: Mơ hình giàn ảo cải tiến tính tốn khả chịu lực đài Phương pháp nghiên cứu Phƣơng pháp lý thuyết: Thu thập tài liệu, tìm hiểu lý thuyết tính tốn đài cọc, lý thuyết mơ hình giàn ảo tiêu chuẩn ACI tài liệu có mơ hình giàn ảo tính tốn cho đài cọc bê tông cốt thép Xây dựng mô hình giàn ảo cải tiến xác minh với kết thực nghiệm Kết dự kiến Đƣa nhận xét chi tiết phƣơng pháp tính tốn đài cọc Xây dựng mơ hình giàn ảo cải tiến để tính tốn đài cọc Đánh giá độ tin cậy mơ hình tính với thực nghiệm Thực số ví dụ tham khảo Khảo sát để đánh giá ảnh hƣởng tham số quan trọng đến làm việc đài cọc Bố cục đề tài Đề tài gồm có chƣơng: Mở đầu Chương 1: Tổng quan mơ hình giàn ảo mơ hình giàn ảo cho đài cọc Chương 2: Xây dựng mơ hình giàn ảo cải tiến lý thuyết tính tốn Chương 3: Xác minh mơ hình với thực nghiệm – Ví dụ minh họa Khảo sát tham số Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo 47 Dựa vào bảng kết biểu đồ ta có nhận xét sau: Khi tăng cƣờng độ thiết kế bê tơng thì ứng suất nén vùng bê tông đỉnh cọc σc2 giảm chậm, ứng suất tới hạn bê tông fcd2 lại tăng lên nhanh Điều gợi ý cho lựa chọn cƣờng độ bê tông thiết kế nên chọn cƣờng độ bê tông vừa đủ không nên chọn cƣờng độ q cao khơng đem lại hiệu lớn chịu lực cho đài cọc Trƣớc thời điểm σc2 = fcd2 việc tăng cƣờng độ thiết kế bê tông mang lại hiệu lớn khả làm việc đài, nhiên sau thời điểm việc tăng cƣờng độ bê tơng khơng đem lại hiệu cao c Khảo sát ảnh hưởng kích thước cột đến sức chịu tải đài cọc Để khảo sát ảnh hƣởng kích thƣớc cột đến làm việc đài cọc ta tiến hành giữ nguyên kiện đầu vào cho tiến hành thay đổi kích thƣớc cột Vì đài cọc vuông chịu tải trọng tâm nên ta lựa chọn tiết diện cột vng tăng kích thƣớc hai cạnh để thuận lợi cho việc tính tốn so sánh đối chiếu kết Q trình thay đổi kích thƣớc cột, ứng với kích thƣớc cột cho ta giá trị ứng suất vùng nút đỉnh cọc σc2, tập hợp điểm ứng suất σc2 vẽ thành đƣờng biểu diễn σc2 theo kích thƣớc cột, từ quan sát kết đƣa nhận xét Bảng 3.7 Ảnh hưởng kích thước cột đến làm việc đài cọc STT 10 Tải Trọng Ntk (kN) 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 Kích thƣớc cột σc2 fcd2 axb(cm) 20x20 30x30 40x40 50x50 60x60 70x70 80x80 90x90 100x100 110x110 (kN/cm2 ) 0,53 0,50 0,48 0,46 0,44 0,42 0,40 0,38 0,36 0,34 (kN/cm2 ) 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 Kết khảo sát đƣợc thể qua biểu đồ: 48 Hình 3.10 Biểu đồ so sánh ứng suất σc2; fcd2 Dựa vào bảng kết biểu đồ ta có nhận xét sau: Khi tăng kích thƣớc tiết diện cột thì ứng suất nén vùng bê tông đỉnh cọc σc2 giảm, ứng suất tới hạn bê tông fcd2 không thay đổi Điều gợi ý cho thiết kế tăng tiết diện cột ứng suất vùng bê tơng chịu nén đỉnh cọc giảm làm tăng khả làm việc đài cọc, nhiên tăng tiết diện cột cần ý đến kích thƣớc cột vừa đủ để cột làm việc bình thƣờng bên cạnh tính kinh tế yếu tố kiến trúc cơng trình Tƣơng tự trƣờng hợp ta giữ nguyên mặt cột tăng kích thƣớc mặt cịn lại cột ta thu đƣợc kết tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp nêu Trong thiết kế tăng kích thƣớc cột ta tiến hành tính lại khoảng cách d cho trƣờng hợp d < tiến hành kiểm tra đài cọc nhƣ trƣờng hợp giàn ảo cổ điển Khi tăng tối đa kích thƣớc cột kích thƣớc đài cọc đài cọc đảm bảo khả làm việc nhiên lúc toán kinh tế 49 kiến trúc cơng trình đƣợc tính đến để có sở đƣa lựa chọn xác c Kết luận Chiều cao đài cọc H, cƣờng độ bê tơng fcd kích thƣớc cột có ảnh hƣởng lớn đến khả làm việc đài cọc Đối với tốn thiết kế có u cầu tăng khả làm việc đài cọc lựa chọn phƣơng án tăng chiều cao đài cọc khả quan đạt hiệu so với việc tăng cƣờng độ thiết kế bê tơng thay đổi kích thƣớc cột Thông qua biểu đồ nhận xét nhận thấy việc khảo sát tham số cần thiết tốn tính tốn đài cọc mơ hình giàn ảo cải tiến, thơng qua giúp ta rút đƣợc kinh nghiệm trình thiết kế đài cọc hiệu hợp lý 3.4 Kết luận chương Trong chƣơng trình bày nội dung sau: + Khảo sát mơ hình tính tốn đài cọc giàn ảo tiến với thực nghiệm; + Thực hai ví dụ tính tốn thiết kế đài hai cọc đài bốn cọc theo mơ hình giàn ảo cải tiến; + Khảo sát tham số quan trọng ảnh hƣởng đến làm việc đài cọc chiều cao đài cọc H cƣờng độ bê tông fcd Qua nội dung trình bày nhận thấy việc thiết kế đài cọc theo mơ hình giàn ảo cải tiến có sở mang lại kết đạt độ tin cậy tƣơng đối cao qua hứa hẹn áp dụng vào tính tốn thiết kế đài cọc thời gian tới 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận văn hoàn thành đƣợc tất nội dung đề ra, bao gồm: Tổng quan mơ hình giàn ảo mơ hình giàn ảo cho đài cọc; Xây dựng mơ hình giàn ảo cải tiến tính tốn cho đài hai cọc đài nhiều hai cọc; Xác minh mơ hình tính tốn với thực nghiệm tác giả Suzuki, Otsuki Tsubata (1998), kết xác minh tƣơng đồng so với kết thực ngiệm, qua kết luận việc thiết kế đài cọc mơ hình giàn ảo cải tiến đáng tin cậy; Thực đƣợc hai ví dụ minh họa tính tốn cho đài hai cọc đài bốn cọc; Khảo sát ảnh hƣởng chiều cao đài cọc H, cƣờng độ bê tơng fcd kích thƣớc cột đến làm việc đài cọc, qua nhận thấy hai tham số có ảnh hƣởng lớn đến làm việc đài cọc, trƣờng hợp cần tăng khả làm việc đài cọc nên ƣu tiên tăng chiều cao đài cọc H Với kết thu đƣợc ta nhận xét mơ hình giàn ảo cải tiến mô tả với làm việc thực tế đài cọc, kết tính tốn theo phƣơng pháp đáng tin cậy, hứa hẹn áp dụng phƣơng pháp vào tính tốn thiết kế cho toán thực tế Kiến nghị + Trong luận văn xây dựng mơ hình giàn ảo tính tốn cho đài cọc chịu tải trọng tâm, lấy làm sở để phát triển mơ hình tính tốn cho trƣờng hợp khác nhƣ đài cọc có hai cột, đài cọc lệch tâm đài cọc có hình dạng phức tạp khác 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Viết Trung, ThS Dƣơng Tuấn Minh, Ks Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép theo mơ hình dàn ảo [2] ACI (318_11) “Building code Requirements for structural concrete and commentary.”, Farmington Hills: American Concrete Institute Adebar, P and Zhou, Z., (1996) “ Design of deep piles cap by Strut – and – Tie Models ” [3] José Milton de Araújo, Design of Rigid Pile Caps Through an Iterative Strut-And-Tie Model [4] Karl – Heinz Reineck, Examples for the Design of structural concrete with Strut – and – Tie Models [5] JungWoong Park, Daniel Kuchma, and Rafael Souza, Strength Predictions of Pile Caps by a Strut-and-Tie Model Approach [6] GS-TS Nguyễn Đình Tiến, Giáo trình Nền Móng - ĐHXD Hà Nội ... tổ chức: Hiệp hội bê tông dự ứng lực, viện bê tông Hoa kỳ Ủy ban bê tông Châu Âu nghiên cứu đƣa quy định tiêu chuẩn thiết kế vùng D chi tiết Theo tổ chức trạng thái làm việc bê tông giai đoạn giới... cọc : Chiều rộng, chiều cao cột : Góc tạo độ nghiêng thang giằng : Cƣờng độ đặc trƣng bê tông : Cƣờng độ bê tông tới hạn cho đài hai cọc : Cƣờng độ bê tông tới hạn cho đài nhiều hai cọc : Ứng suất... làm việc thật kết cấu bên cạnh cho kết tính tốn đạt độ tin cậy lý để thực đề tài ? ?Nghiên cứu thiết kế đài cọc bê tông cốt thép sử dụng mô hình giàn ảo cải tiến” Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu mơ