Ứng dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao bê tông cốt thép có gia cường cốt sợi thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ HẢI LONG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình DD&CN 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 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết phương án nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Vũ Hải Long MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÀN ẢO, DẦM CAO VÀ BÊ TÔNG CỐT SỢI 1.1 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÀN ẢO 1.1.1 Giới thiệu mơ hình giàn ảo 1.1.2 Ứng dụng mơ hình giàn ảo 1.1.3 Các giả thiết cấu tạo ngun lý chung lập mơ hình giàn ảo 1.1.4 Kết cấu mơ hình giàn ảo 1.1.5 Các phận cấu thành mơ hình giàn ảo 1.1.6 Nội lực mơ hình giàn ảo 10 1.2 TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO 13 1.2.1 Khái niệm dầm cao 13 1.2.2 Các phân tích trạng thái làm việc dầm cao 14 1.2.3 Các mơ hình giàn ảo dầm cao 15 1.2.4 Tính tốn thiết kế, sử dụng mơ hình giàn ảo 17 1.3 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI 20 1.3.1 Khái quát bê tông cốt sợi 20 1.3.2 Phân loại bê tông cốt sợi 21 1.3.3 Đặc điểm chung cốt sợi cho bê tông cốt sợi 22 1.3.4 Lĩnh vực sử dụng bê tông cốt sợi 25 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 26 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP 26 2.1 DẦM CAO SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 27 2.1.1 Ứng xử kéo dầm BT cốt sợi thép không sử dụng cốt thép thường 27 2.1.2 Ứng xử kéo dầm BT cốt sợi thép có sử dụng cốt thép thường 28 2.1.3 Phương thức mô tả thiết kế dầm cao BT cốt sợi thép 28 2.2 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ TÍNH TỐN DẦM CAO BÊ TƠNG CỐT SỢI THÉP 29 2.3 LƯU ĐỒ THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 33 2.4 THIẾT LẬP BẢNG TÍNH EXCEL 33 2.5 VÍ DỤ THIẾT KẾ MẪU THÍ NGHIỆM 35 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 39 CHƯƠNG 3: XÁC MINH KẾT QUẢ TÍNH TỐN VỚI THÍ NGHIỆM 39 3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 40 3.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm 40 3.1.2 Thiết bị thí nghiệm 42 3.1.3 Xác định cường độ vật liệu 43 3.1.4 Thiết lập, bố trí thí nghiệm 46 3.2 MƠ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 47 3.2.1 Mô tả kết thí nghiệm 47 3.2.2 Đánh giá kết đo, xác minh lý thuyết tính tốn 48 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP Học viên: Vũ Hải Long Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số:60.58.02.08, Khóa: K34-Khánh Hịa, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Mơ hình giàn ảo phương thức thiết kế đơn giản hiệu cho kết cấu dầm cao giả thiết tính tốn theo Bernulli khơng cịn xác Ý tưởng xây dựng mơ hình tưởng tượng kết cấu bê tông cốt thép mô kết cấu giàn ảo bao gồm chịu nén, giằng chịu kéo giao vùng nút Sự phá hoại xảy bê tông chống bị nén vỡ cốt thép giằng bị chảy dẻo Bê tông loại vật liệu ụng rộng r i x y ựng c khuynh hướng phá hoại giòn Giải pháp pha trộn cốt ợi vào ê tông làm thay đ i ứng xử ê tông, gia tăng độ ẻo cho ê tông, hạn chế khe nứt, n ng cao độ an toàn cho kết cấu o đ , việc ứng dụng bê tông cốt sợi thép kết cấu dầm cao s làm tăng cường độ chống, khả chịu kéo bê tông cốt sợi xét đến khả chịu kéo giằng nên làm giảm cốt thép kéo điều bỏ qua bê tơng thường Luận văn nghiên cứu mơ hình giàn ảo cho dầm cao bê tông cốt thép gia cường cốt sợi thép ứng dụng n để thiết lập quy trình thiết kế dầm cao sử dụng vào thiết kế kết cấu cơng trình thực tế Từ khóa – Mơ hình giàn ảo (STM), ầm cao, ê tơng cốt ợi thép (SFRC), cốt ợi thép (SF), thiết kế APPLICATION OF THE STRUT AND TIE METHOD IN DESIGN DEEP BEAMS FOR STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE Abstract – Strut and tie model is a simple and effective design method for deep beam structure when the calculation hypothesis according to Bernulli is no longer accurate The idea of modeling is to imagine that the reinforced concrete structure is simulated by a Strut and tie structure consisting of compressive struts, tensive ties and intersect at the node area The damage occurs when concrete in the strut is broken and reinforced in the brace is yield Concrete is a material widely used in construction today and tends to damage brittle The solution of mixing fiber into concrete will change the behavior of concrete, increase the toughness for concrete, limit the cracks, improve the safety of the structure Therefore, the application of steel fiber in deep beam structure will increase the strength of the struts, the tensile strength of the concrete is considered in the tensile strength of the tie, thus reducing the reinforcement and this is ignored for normal concrete This thesis will study Strut and Tie models for deep beam reinforced concrete reinforcing steel fiber and apply it to establish deep beam design processes used in actual building structural design Keywords – Strut and Tie Model (STM); Deep beam; Steel fiber reinforced concrete (SFRC); Steel fiber (SF); design DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU fcu : Cường độ nén hiệu vùng nút Fnn : Cường độ chịu nén anh định bê tông vùng nút Anz : Diện tích mặt cắt vng góc với phương chịu lực n : Hệ số hiệu f c’ : Cường độ chịu nén d : Chiều cao dầm b : Bề rộng dầm Acs : Diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu chịu nén Fns : Cường độ chịu nén s : Hệ số hiệu Fnt : Cường độ giằng nbc : Số lượng thép chịu nén fy : Cường độ chịu kéo cốt thép Ri : Bán kính vết nứt a : Khoảng cách từ gối tựa tới điểm đặt lực d : Chiều cao dầm P : Tải trọng tập trung N : Lực dọc dàn li : Chiều dài dàn Ec : Mô đun đàn hồi bê tông Es : Mô đun đàn hồi cốt thép Rb : Cường độ chịu nén bê tông Rs : Cường độ chịu kéo cốt thép : Hệ số sức kháng wt : Bề rộng giằng wc : Bề rộng chống a1 : Khoảng cách hai vị trí đặt tải BT : Bê tông BTCT : Bê tông cốt thép SFRC : Bê tông cốt sợi thép DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tra hệ số βs, βn hệ số hiệu 12 Bảng 1.2 Thuộc tính loại sợi khác 25 Bảng 2.1 Xác định kích thước hình học mơ hình giàn ảo 31 Bảng 2.2 Đặc trưng hình học dầm 35 Bảng 2.3 Nội lực giàn 36 Bảng 2.4 Xác định bề rộng chống, giằng 37 Bảng 2.5 Bảng tính cốt thép giằng 38 Bảng 3.1 Kết thí nghiệm nén mẫu bê tơng 44 Bảng 3.2 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép 45 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Ứng dụng mơ hình giàn ảo Hình 1.2 Mơ hình giàn ảo dầm bê tông cốt thép nhịp đơn giản Hình 1.3 Giàn khơng Hình 1.4 Từ dạng bố trí vết nứt suy dạng hợp lý mơ hình giàn ảo Hình 1.5 Thanh chống Hình 1.6 Các vùng nút thủy tĩnh 10 Hình 1.7 Các vùng nút phần giao cấu kiện 10 Hình 1.8 Các mơ hình tính tốn kích thước chống .11 Hình 1.9 Dầm cao 13 Hình 1.10 Quỹ đạo ứng suất 14 Hình 1.11 Dầm cao chịu tải trọng mép đáy 15 Hình 1.12 Mơ hình giàn ảo dầm cao .16 Hình 1.13 Dầm cao liên tục hai nhịp 16 Hình 1.14 Mơ hình giàn ảo dầm liên tục hai nhịp 17 Hình 1.15 Mơ hình giàn ảo đồ bố trí cốt thép dầm giản đơn .19 Hình 1.16 Mơ hình giàn ảo đồ bố trí cốt thép dầm liên tục 20 Hình 1.1 Ph n loại bê tông cốt sợi theo Rabovich F.N 23 Hình 1.18 Một số loại cốt sợi dùng cho bê tông cốt sợi .24 Hình 2.1 Dầm cao hai lực tập trung 30 Hình 2.2 Ph phân bố ứng suất dầm cao 30 Hình 2.3 Mơ hình giàn ảo tính tốn dầm cao .31 Hình 2.4 Kích thước dầm bê tông 35 Hình 2.5 Ph phân bố ứng suất dầm cao 36 Hình 2.6 Mơ hình giàn ảo tính tốn dầm cao thí nghiệm .36 Hình 2.7 Mơ mơ hình giàn ảo tính tốn dầm cao 37 Hình 2.8 Bố trí cốt thép dầm cao BT cốt sợi thép 39 Hình 3.1 Hồn thành lắp đặt cốt thép dầm 40 Hình 3.2 Cơng tác lắp đặt strain gauge vào cốt thép chủ .41 Hình 3.3 Gia cơng lắp đặt ván khuôn dầm 41 Hình 3.4 Đ bê tơng bảo ưỡng dầm bê tơng 41 Hình 3.5 Đúc mẫu bê tơng mẫu trụ 150×300mm ưỡng hộ 44 Hình 3.6 Thí nghiệm nén mẫu bê tông 44 Hình 3.7 Thí nghiệp ép chẻ 44 Hình 3.8 Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép 45 Hình 3.9 Cốt thép sợi Minox0960-VH, trịn có móc hai đầu 45 Hình 3.10 Hình ảnh cốt sợi thép thực tế thí nghiệm 46 Hình 3.11 Lắp đặt thiết bị thiết bị đo cho mẫu thí nghiệm 47 Hình 3.12 Xuất vết nứt cấp tải 150kN .47 Hình 3.13 Vết nứt xuất song song vết nứt cũ cấp tải 270 kN 48 Hình 3.14 Kết thúc thí nghiệm cấp tải 380kN 48 Hình 3.15 Đồ thị quan hệ tải trọng – chuyển vị dầm 49 Hình 3.16 Đồ thị quan hệ tải trọng – chuyển vị dầm 49 Hình 3.1 Đồ thị quan hệ tải trọng – biến dạng bê tơng 50 Hình 3.18 Đồ thị quan hệ tải trọng – biến dạng cốt thép .50 49 Với kết thu từ số liệu cảm biến đo lực LVDT v đồ thị thể mối quan hệ chuyển vị đứng dầm tải trọng tác dụng Hình 3.15 Quan sát thấy tải trọng đạt đến giá trị P = 378.4 (kN) dầm đạt chuyển vị 4.8 mm, tải thí nghiệm Ptn = 378.4 kN > Ptk = 300 kN Hình 3.15 Đồ thị quan hệ tải trọng – chuyển vị dầm Hình 3.16 Đồ thị quan hệ tải trọng – chuyển vị dầm b) Đồ thị quan hệ tải trọng – biến dạng 50 Trong thí nghiệm khảo sát biến dạng bê tông, cốt thép cách gắn Strain gauge mặt bê tông dầm cốt thép chịu lực vùng chịu kéo dầm vị trí biên dầm Kết thu hình 3.17, 3.18 Hình 3.17 Đồ thị quan hệ tải trọng – biến dạng bê tông Kết biến dạng bê tông vùng nén lúc dừng thí nghiệm biến dạng tuyến tính Hình 3.18 Đồ thị quan hệ tải trọng – biến dạng cốt thép 51 Kết biến dạng cốt thép dầm loại đường kính 12 16 tương đương iến dạng cốt thép dầm kéo 2-3 có kết lớn nhiều so với biến dạng cốt thép gần biên dầm kéo 2-5 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương đ thực nội dung sau: Tiến hành chế tạo mẫu theo kết tính toán giải pháp cấu tạo thực chương Chế tạo mẫu thí nghiệm với kích thước thật để kết thu từ thí nghiệm phản ánh với thực tế làm việc liên kết Thiết lập thí nghiệm, tham số đo đo ằng cảm biến điện ghi lại kết chương trình máy tính Sự làm việc dầm cao tính tốn kết thí nghiệm cho thấy việc tính tốn khả thi đảm bảo an tồn, đảm bảo cho ứng dụng tính tốn thiết kế thực tế 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn đ thực nghiên cứu ứng dụng mơ hình giàn ảo thiết kế dầm cao bê tông cốt thép c gia cường cốt sợi thép nhằm đưa qui trình tính tốn để áp dụng vào thiết kế kết cấu thực tế xây dựng công trình Qui trình đề xuất tính tốn kiểm tra thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy qui trình tính ưới đ y kết luận nhận được: - Nghiên cứu lý thuyết tính tính tốn; - Xây dựng qui trình tính lập bảng excel để d dàng áp dụng tính tốn; - Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cho thấy vết nứt kéo phân bố đều, chiều cao vết nứt bề rộng vết nứt không lớn Dựa vào kết so sánh tính tốn thực nghiệm ta thấy đảm bảo độ an toàn đảm bảo cho ứng dụng tính tốn thiết kế thực tế kết cấu cơng trình KIẾN NGHỊ Cần nghiên cứu thực nghiệm thêm với nhiều mẫu thí nghiệm c hàm lượng cốt sợi thép thay đ i để c đánh giá xác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Moradi, M Reza Esfahani, Application of the strut-and-tie method for steel fiber reinforced concrete deep beams [2] JYL Voo.SJ.Foster, Variable engagement model for the design of fibre reinforced concrete structures, in: ECI Conference on Advance Materials for Construction of Bridges, Buildings and other Structures-III Davos, Qwitzerland, 2003, pp 1-10 [3] H.H.Abrishami, D.Mitchell, Influence of steel fibres on tension stiffening, ACI Struct.J.94(1997) 769-776 [4] PGS TS Nguy n Viết Trung, ương Tuấn Minh, Nguy n Thị Tuyết Trinh (2005),Tính tốn cấu kiện BTCT theo mơ hình giàn ảo, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội [5] James K.Wight and Gustavo j.Parra- MontesiNos, Strut – and – tie Model for Deep beam Design, Apractical exercise using Appendix A of the 2002 ACI building Code [6] Example for the Design of Structural Concrete with Strut -and Tie Models [7] ACI318_11 Building code Requirements for structural concrete and commentary, chủ biên, American Concrete Institute, Farmington Hills DAI HOC DA NANG TRUING DAI HOC BACH KHOA LONG HOA xA HOI CHU NGHIA VIVI' NAM DO 14p - 'Ey - 11#nh phoc S6: 02%5 /QD-DHBK Da Nang, ngay.211 thong 4,2 nam 2018 QUYET DINH Vt viec giao de tai va trach nhqm ciia nguiri hulfrng dan Juan v an thac si HItU TRUbNG TRUING DAI HOC BACH KHOA Can cir Nghi dinh s6 32/CP 04 thong nam 1994 dia Chinh phu ve viec lap Dai hoc Da Nang; Can cir Thong tu s6 08/2014/TT-BGDDT 20 thong nam 2014 dm BO truang BO Gido chic va Dao tao ve viec ban hanh Quy the to chirc va hog dOng cua dai h9c vUng va cac ca sa giao duc dai h9c vien; Quyet dinh so 6950/QD-DHDN 01 thong 12 nam 2014 cua Giam d6c Dai h9c Da Nang ye viec ban hanh Quy dinh nhiem vu, guy en han h9c Da Nang, cac ca sac giao due dai h9c vier' va cac don vi truc thu0c; Can cir Thong tu s6,15/2014/TT-BGD&DT 15 thong nam 2014 dm BO truong BO Gido chic va Dao tao ve viec ban hanh Quy the Dao tao trinh d0 Thac si; Quyet dinh so 598/QD-DHBK 27/12/2016 ciia Hieu truiyng Tnrong Dai h9c Bach khoa ye viec ban hanh Quy dinh dao tao trinh dO thac si; Can cir Quyet dinh s6 434/DHBK-DT 28/02/2017 dm Hieu true:mg TruOng Dai h9c Bach khoa ye viec lap cac lop cao h9c va cong nhan h9c vien khOa K34; Can cir T6 trinh so 22/TTr-XDDDCN 18/12/2018 cila khoa Xay dung dan dung va cong nghiep ve viec Quyet dinh giao de tai va ngu6i huang dan Juan van thac si cho h9c vien cao hoc chuyen nganh Ky thuat xay dung cong trinh dan dung va ding nghiep; Xet de nghi cua TruOng Phong Dao tao, QUYET DINH Dieu Giao cho hoc vien cao h9c Vu Hai Long, 16p K34.XDD.KH, chuyen nganh Ky thuat xay dyng cong trinh dan dyng va cong nghiep, thuc hien de tai Juan van "Ong dyng mo hinh gian thi"At ke dam cao be tong cat the], có gia ctremg cot soi thep.", duai su huang dan ciia TS Dao Ng9c Th'j Ltec, Trithng Dai hoc Bach khoa - Dai hoc Da Njng Dieu HQC vien cao h9c va ngu6i huang dan c6 ten a Dieu ducre huong cac guyen lqi va thuc hien nhiem vu theo dung quy the dao tao thac si hien hanh dm 130 Gido duc va Dao tao, quy dinh dao tao thac si dm Truang Dai h9c Bach khoa Dieu Cac ong/ba Truang ph6ng T0 chirc — Hanh chinh, Truang phOng £ tao, Truorng pheng Ka hoach — Tai chinh, Truang khoa Xay dung dan dung va cong nghier, ngu6i huang dan luan van va h9c vien có ten a DiL can cir Quyet dinh thi hanh./ IEU TRU'ONG IEU TRU'O'NG Noi nhOn: - Nhir diL 3; - Ltru: VT, Phong DT Phan Minh Dim ... MƠ HÌNH GIÀN ẢO THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP 26 2.1 DẦM CAO SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 27 2.1.1 Ứng xử kéo dầm BT cốt sợi thép không sử dụng cốt thép. .. Lĩnh vực sử dụng bê tông cốt sợi Ứng dụng b? ?tông cốt sợi thép chủ yếu để tăng cường tính dẻo bêtơng bêtơng cốt thép tận dụng khả hút lượng cốt sợi thép Các ứng dụng b? ?tông cốt sợi thép chủ yếu... tài: ? ?Ứng dụng mơ hình giàn ảo thiết kế dầm cao bê tông cốt sợi thép? ?? 2 Mục tiêu nghiên cứu T ng quan mơ hình chống giằng mơ hình chống giằng thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép c gia cường