Phân tích phi tuyến kết cấu dầm cao bê tông cốt thép có khoét lỗ rỗng - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Ứng suất chính tại các điểm quanh lỗ khoét của dầm UH5F3. Hình 7.[r]

(1)

PHÂN TÍCH PHI TUYẾN KẾT CẤU DẦM CAO

BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ KHT LỖ RỖNG

TS CHU THỊ BÌNH

Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết phân tích kết

cấu dầm cao bê tơng cốt thép có kht lỗ rỗng

Thông số khảo sát vị trí lỗ khoét Phần mềm

phân tích phi tuyến kết cấu SAFIR sử dụng

Mơ hình mơ dầm kiểm chứng

cách so sánh kết tính tốn kết thí

nghiệm Kết khảo sát thơng số cho thấy vị trí lỗ khoét xa đường truyền tải khả chịu lực của dầm không bị giảm so với dầm không khoét lỗ.

Abtract: This paper presents the results of

structural analysis of reinforced concrete deep beams with openings The investigation parameter is the location of opening Nonlinear structural analysis computer code SAFIR is used in simulation Verifying works have been done for models using SAFIR code Results from parametric studies show that when the location of the opening is far from the load path, the load resistance of the beam, with opening is similar to that of the solid beam

1 Giới thiệu chung

Dầm gọi dầm cao (Deep Beam) mang đặc điểm sau [1]: tỉ số

nhịp thông thủy chiều cao dầm bé

bằng 4; dầm xuất tải trọng tập trung

khoảng bé lần chiều cao dầm tính từ mép gối

đỡ

Dưới tác dụng tải trọng, dầm hình

thành chống chịu nén nối vị trí đặt tải

trọng gối đỡ (hình 1) Đối với cấu kiện dầm

thông thường, thường sử dụng giả thiết

biến dạng phẳng để lập sơ đồ ứng suất cho tiết diện

và giải toán tính tốn cốt thép dựa sơ

đồ ứng suất trạng thái phá hoại Tuy nhiên, đối

với dầm cao giả thiết biến dạng phẳng lý

thuyết uốn khơng cịn Để tính tốn dầm

cao phải sử dụng phương pháp phân tích với phân

bố biến dạng phi tuyến, quy đơn giản

cách sử dụng mơ hình giàn ảo (strut-and-tie

method)

Hình Các trường hợp định nghĩa dầm cao

Với dầm cao có khoét lỗ cho đường

ống kỹ thuật chạy qua, phân bố ứng suất biến dạng

trong dầm trở nên phức tạp Dựa thí

nghiệm cơng bố tài liệu [2], tác giả sử

dùng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAFIR

để mơ dầm có kể đến tính phi tuyến vật liệu Kết mô tương đối trùng khớp với

kết thí nghiệm Dùng mơ hình vừa kiểm chứng,

dầm cao bê tông khảo sát với vị trí lỗ kht thay đổi

2 Mơ dầm phần mềm SAFIR

SAFIR phần mềm máy tính phát triển

(2)

đích phân tích phi tuyến kết cấu điều kiện cháy Để tính kết cấu nhiệt độ thường, ta cho nhiệt độ không đổi 20oC Chi tiết xem tài

liệu [3,4] Phần mềm kiểm chứng qua

nhiều nghiên cứu công bố [5,6,7] SAFIR

hiện dùng 120 trường đại học trung

tâm nghiên cứu giới Khoảng 70 trung tâm

thiết kế sử dụng phần mềm

Nghiên cứu mơ dầm với lỗ kht

có kích thước hình

Hình Các kích thước dầm

Các dầm có tiết diện 160x600 mm, dài

2.4m, khoảng cách hai gối tựa đơn

2.1m Cốt dọc dầm đường

kính 19mm Để nghiên cứu ảnh hưởng

lỗ khoét, cốt đai không bố trí đoạn

dầm có lực cắt, có hai cốt đai đầu

dầm

Các thông số: k a1 , m a1 , k h2 , m h2 , fc' a

thay đổi bảng '

c

f cường độ

chịu nén mẫu trụ bê tông Bảng 1. Các thông số mẫu thí nghiệm

Tên mẫu thí nghiệm a

mm mm mm mm MPa MPa mm

UH5F1 75 150 270 60 420 80.4 300

UH5F2 75 150 240 120 420 80.4 300

UH5F3 75 150 210 180 420 80.4 300

H5F1 75 150 270 60 420 52.9 300

H5F2 75 150 240 120 420 52.9 300

H5F3 75 150 210 180 420 52.9 300

L5F3C 75 150 210 180 420 23.5 300

H10T3 225 150 210 180 420 52.9 600

UH10T3 225 150 210 180 420 80.4 600

UH15F3 225 450 210 180 420 80.4 900

1

k a m a1 k h2 m h2

' c

f

y

f

Các dầm mô nửa nhịp

tính chất đối xứng dầm (hình 3) Các thép

kích thước 160*100*10 mm đặt gối tựa

và vị trí đặt tải để tránh ứng suất tập trung Trong

mô phỏng, tải trọng điểm đặt gối tựa

dàn thành điểm với khoảng cách

điểm 50 mm

Tài liệu [2] không nêu rõ loại cốt dọc phía

và cốt đai đầu dầm Trong mơ tạm lấy cốt

dọc phía 212 cốt đai đai 6 đầu

dầm Để đánh giá ảnh hưởng hai loại cốt thép

này tới khả chịu lực dầm, mô

đã tiến hành với thay đổi cường độ cốt

(3)

ảnh hưởng chúng không đáng kể ứng

suất hai loại cốt thép nhỏ dầm bị

phá hoại

Mơ hình ứng suất- biến dạng bê tông cốt

thép phi tuyến theo tiêu chuẩn Eurocodes [8,9]

Quan hệ ứng suất - biến dạng vật liệu chịu kéo,

nén trục có dạng hình

Trong phần tử shell, mơ hình vật liệu chịu nén

hoặc kéo trục chọn cho tương thích với

đường ứng suất - biến dạng trục giới thiệu

trong tiêu chuẩn châu Âu (hình 3a) Các ứng suất

và biến dạng theo trục quy đổi thành ứng

suất quy đổi eq biến dạng quy đổi pl eq, Quan hệ ứng suất biến dạng quy đổi sau:

6

,

3 / 1

0 1.0004

pl eq c eq

cm f            

    (1)

Trong c1 biến dạng đỉnh fcm

cường độ bê tông chịu nén trục (hình

3a) Tiêu chuẩn chảy dẻo Von Mises dùng

cho nhánh chịu nén Nhánh chịu kéo dùng tiêu

chuẩn Rankine cut off Chi tiết xem tài liệu [7]

stress

strain fy

Ea

a) Bê tơng b) Cốt thép

Hình Quan hệ ứng suất - biến dạng vật liệu bê tơng cốt thép

Qua mơ có phân bố ứng suất dầm

hình Trong phần tử shell có hiển thị phương

ứng suất điểm Ứng suất màu đậm (xanh)

ứng suất nén chính, màu nhạt (đỏ) ứng suất kéo

chính Vết nứt dầm hình thành ứng suất kéo

vượt cường độ nên vết nứt có phương vng góc

với phương ứng suất kéo Kết mơ

cho thấy phương ứng suất kéo (nét màu đỏ

trong hình hình 6) tương đối phù hợp với hình ảnh

các vết nứt đo (hình 7)

F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0

F0 F0 F0 F0

F0 F0

F0 F0 F0 F0 F0

X

Y

Z

Diam ond 2012.a.0 for SAFIR

FILE: H5F2 NODES: 450 BEAMS: TRUSSES: SHELLS: 408 SOILS: SOLIDS: NODES PLOT SHELLS PLOT IMPOSED DOF PLOT POIN T LOADS PLOT Structure Not D isplaced selected

c oncrete.TSH LOWREBAR TSH UPREBAR.TSH LINKBAR.TSH holes.TSH

(4)

F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0

F0 F0 F0 F0

F0 F0 F0 F0 F0

F0 F0

X

Y

Z

FILE: UH5F2 NODES: 450 BEAMS: TRUSSES: SHELLS: 408 SOILS: SOLIDS: NODES PLOT SHELLS PLOT IMPOSED DOF PLOT POINT LOAD S PLOT Structure Not Displaced selected N1-N2 MEMBRANE FORCE PLOT TIME: 20 sec

- Membrane Force + Membrane Force

Hình Ứng suất dầm UH5F2

F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 X Y Z

FILE: UH5F3 NODES: 450 BEAMS: TRUSSES: SHELLS: 408 SOILS: SOLIDS: NODES PLOT SHELLS PLOT IMPOSED DOF PLOT POINT LOAD S PLOT Structure Not D isplaced selected N1-N2 MEMBRANE FOR CE PLOT TIME: 15 sec

- Mem brane Force + Membrane Force

Hình Ứng suất điểm quanh lỗ khoét dầm UH5F3

(5)

3 So sánh kết mô số kết thí nghiệm

Do thí nghiệm không xác định cường độ chịu

kéo bê tông ( fct) nên mô dùng liên hệ

giữa cường độ chịu kéo chịu nén theo tiêu chuẩn

châu Âu để xác định fct Trong bàng 2: Vsolid lực

tính tốn gây phá hoại dầm khơng có lỗ kht; Vopen

là lực tính tốn gây phá hoại dầm có lỗ kht, Vex ,o

là lực phá hoại xác định thí nghiệm với dầm có lỗ khoét

Bảng 2.So sánh kết mơ thí nghiệm Tên mẫu thí nghiệm

cho dầm đặc cho dầm có lỗ

UH5F1 402 381 95% 74%

UH5F2 402 348 87% 83%

UH5F3 402 276 69% 81%

H5F1 357 318 89% 68%

H5F2 357 297 83% 85%

H5F3 357 237 66% 82%

L5F3C 306 153 50% 66%

H10T3 183 168 92% 103%

UH10T3 243 192 79% 104%

UH15F3 168 93 55% 98%

Kết mơ (KN) Kết thí nghiệm (KN) Tỉ lệ cho dầm có lỗ

163.2 185 94.8 514.5 419.4 339.1 466.3 347.9 288.6 233.2

solid

V Vopen Vex o,

/

op en s olid

V V Vopen/Vex o,

Do số liệu thí nghiệm nghiên cứu khác cung

cấp hạn chế nên nghiên cứu so sánh

dầm mơ dầm thí nghiệm trạng thái giới

hạn, khơng có số liệu thí nghiệm q trình gia

tải Kết bảng cho thấy kết tính tốn

bằng mơ số tương đối phù hợp với kết

thực nghiệm, chứng tỏ mơ hình mơ số tin

cậy

4 Nghiên cứu ảnh hưởng vị trí lỗ khoét

Dùng phần mềm SAFIR, nghiên cứu mô

phỏng thêm nhiều dầm để khảo sát ảnh hưởng

vị trí lỗ khoét đến khả chịu tải dầm cao

Các dầm mô có cấu tạo giống dầm thí

nghiệm trình bày phần kích thước lỗ

khoét khơng thay đổi (200mm*160mm) Vị trí lỗ

kht thay đổi từ 100mm đến 750mm tính từ gối tựa

đến mép lỗ (xem hình bảng 3) Như

trường hợp (TH) 1, có lỗ khoét cắt qua đường

nối tải trọng gối tựa Từ TH đến TH lỗ

khoét cách đường nối tải trọng gối tựa theo khoảng cách xa dần Các mẫu khơng có kết thí nghiệm nên đặt tên dầm theo cách thức

khác với phần Hình ảnh phân bố ứng suất

chính dầm xem từ hình đến 10 Có thể nhận

thấy TH lỗ khoét cắt qua đường nối tải trọng gối tựa (thanh chống mơ hình dàn ảo dầm đặc) vị trí quanh lỗ khoét lại tạo

thành chống khác có xu hướng nối

từ tải trọng đến gối tựa Như việc áp dụng mô

(6)

a) TH a) TH Hình Ứng suất dầm TH

a) TH a) TH

Hình Ứng suất dầm TH

a) TH a) TH

Hình 10 Ứng suất dầm TH

Kết tính tải trọng giới hạn dầm (bảng

3) cho thấy lỗ khoét cắt qua đường nối tải

trọng gối tựa dầm bị giảm khả chịu

(7)

trọng giới hạn dầm đặc (TH TH 2) Khi

lỗ khoét nằm đường nối tải trọng gối

tựa gần điểm đặt tải khả

chịu lực dầm ảnh hưởng bới lỗ khoét

(TH TH 4) ảnh hưởng (giảm khả

năng chịu lực 10%)

Bảng Các thông số mẫu làm mơ số kết tính tốn

Tên mẫu thí nghiệm

mm mm mm mm cho dầm đặc cho dầm có lỗ

Case 100 200 240 160 297 225 76%

Case 150 200 240 160 297 258 87%

Case 350 200 240 160 297 273 92%

Case 450 200 240 160 297 291 98%

Case 600 200 240 160 297 297 100%

Case 750 200 240 160 297 297 100%

Tải trọng giới hạn (KN)

k a m a1 k h2 m h2

solid

V Vopen

/

op en solid

V V

5 Kết luận

- Có thể dùng phần mềm SAFIR để làm thực

nghiệm số nghiên cứu ảnh hưởng thông

số đến ứng xử dầm cao bê tơng cốt thép có

kht lỗ Đây gợi ý cho nghiên cứu tiếp

theo ảnh hưởng cường độ chịu kéo

bê tông, ảnh hưởng cốt dọc cốt đai, cách

chọn mơ hình dàn ảo (strut and tie) thiết

kế…;

- Vị trí lỗ khoét ảnh hưởng rõ rệt đến phân bố

ứng suất dầm dẫn đến ảnh hưởng đến khả

năng chịu tải Khi lỗ khoét cắt qua đường nối tải

trọng gối tựa tải trọng giới hạn dầm

giảm so với dầm đặc Mức độ giảm phụ thuộc

vào vị trí lỗ khoét kích thước lỗ khoét;

- Khi lỗ khoét nằm đường nối tải trọng

và gối tựa gần điểm đặt tải khả

chịu lực dầm ảnh hưởng bới lỗ khoét (TH

và TH 4) ảnh hưởng ít;

- Khi lỗ khoét cách xa vị trí đặt tải trọng (TH

và TH 6) khả chịu lực dầm không giảm

so với dầm đặc Nhận xét phù hợp với công

bố tài liệu [10]

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-11) and Commentary.

[2] Keun-Hyeok Yang, Hee-Chang Eun, Heon-Soo Chung (2006) The influence of web openings on the structural behavior of reinforced high-strength concrete deep beams, Engineering Structures,

Volume 28, Issue 13, Pages 1825-1834

[3] Franssen J.M.,(1997) Contributions la modélisation des incendies dans les bâtiments et de leurs effets

sur les structures Thèse d'agrégation, Univ of Liege, F.S.A

[4] Franssen J.M.,(2005) SAFIR A Thermal/Structural Program Modelling Structures under Fire,

Engineering Journal, A.I.S.C., 42 (3)

[5] Franssen J.M., Schleich J.-B., Cajot L.-G., Talamona D., Zhao B., Twilt L & Both K., (1994) A comparison between five structural fire codes applied to steel elements, Proc Fourth International Symposium on Fire Safety Science, Ottawa, Kashiwagi, T, ed., Gaithersburg, 1125-1136

[6] Pintea D & Franssen J.M., (1997) Evaluation of the thermal part of the code SAFIR by comparison with the code TASEF, Proc th Int Conf Steel Structures, M Ivan ed., MIRTON, Timisoara, 636-643

[7] Lim Linus, Andrew Buchanan, Peter Moss, Jean-Marc Franssen (2004), Numerical modelling of two-way reinforced concrete slabs in fire, Engineering Structures, Volume 26, Issue 8, Pages 1081-1091

[8] EN 1992-1-1 (2004):Eurocode 2- Design of concrete structures - Part 1.1: General rules- and rules for buildings, European committee for Standardization

[9] EN 1992-1-2 (2004): Eurocode 2- Design of concrete structures - Part 1.2: General rules- structural fire design, European committee for Standardization

[10] Giuseppe Campione, Giovanni Minafò (2012), Behaviour of concrete deep beams with openings and low shear span-to-depth ratio, Engineering Structures, Volume 41, Pages 294-306.

Ngày nhận bài: 27/7/2017

Ngày nhận bài sửa lần cuối: 28/8/2017