ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN GIA TUYẾN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Chuyên ngành : Kỹ thuật 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 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 cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Gia Tuyến MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÀN ÁO VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC .3 1.1 Sơ lược mơ hình giàn ảo ứng dụng mơ hình giàn ảo 1.2 Ứng dụng mơ hình giàn ảo 1.3 Tổng quan dầm cao .14 1.3.1 Khái niệm dầm cao .14 1.3.2 Các phân tích trạng thái làm việc dầm cao 15 1.3.3 Các mơ hình giàn ảo dầm cao 16 1.3.4 Tính tốn thiết kế, sử dụng mơ hình giàn ảo .19 1.4 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 23 1.4.1 Giới thiệu dầm cao bê tông ứng lực trước 23 1.4.2 Ưu, nhược điểm dầm cao ứng lực trước 23 1.4.3 Các ứng dụng dầm cao bê tông ứng lực trước 23 1.5 Kết luận chương 24 CHƯƠNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO CHO DẦM CAO SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 25 2.1 Mơ hình giàn ảo tính toán dầm cao ứng lực trước 25 2.2 Quy trình thiết kế dầm cao ứng lực trước .30 2.3 Ví dụ minh họa thiết kế dầm cao ứng lực trước .33 2.4 Kết luận chương 36 CHƯƠNG XÁC MINH QUY TRÌNH TÍNH TỐN VỚI THÍ NGHIỆM 38 3.1 Chế tạo mẫu, thiết bị thí nghiệm 38 3.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm 38 3.1.2 Thiết bị thí nghiệm 40 3.1.3 Xác định cường độ vật liệu .43 3.2 Thiết lập thí nghiệm thực thí nghiệm 46 3.3 Đánh giá kết thí nghiệm 48 3.4 Khảo sát tham số 50 3.5 Kết luận chương 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 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 TĨM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TỐN DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC Học viên: Nguyễn Gia Tuyến Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 , Khóa: K34 Khánh Hòa, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Trong tính tốn, thiết kế dầm thơng thường , giả thiết Bernulli giả thiết quan trọng Tuy nhiên, giả thiết khơng cịn xác với dầm cao phân bố biến dạng dầm cao phi tuyến 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 Hiện nay, nghiên cứu thực tính tốn dầm cao mơ hình giàn ảo dầm cao thông thường, dầm cao có khoét lỗ…và chưa có nhiều nghiên cứu đề cập đến tính tốn dầm cao dự ứng lực trước Vì vậy, việc nghiên cứu tính tốn dầm cao ứng lực trước mơ hình giàn ảo cần thiết để đưa giải pháp bố trí cáp cấu tạo cốt thép phù hợp với ứng xử dầm Luận văn nghiên cứu mơ hình giàn ảo cho dầm cao bê tông ứng lực trước ứng dụng để thiết lập quy trình tính tốn thiết kế Chương trình thực nghiệm thực để xác minh quy trình thiết kế Từ khóa – Mơ hình giàn ảo (STM), dầm cao, bê tơng ứng lực trước, khả chịu cắt dầm cao, phân bố ứng suất APPLICATION OF STRUT-AND-TIE MODEL FOR PRESTRESSED CONCRETE DEEP BEAMS DESIGN Abstract – Reinforced concrete beam design, the Bernulli hypothesis is an important assumption However, this hypothesis is no longer accurate with deep beams because deformation distribution in deep beams is nonlinear 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 Currently, the studies only perform deep beam calculations by strut and tie model for normal deep beams, deep beams with holes and there are not many studies mentioning the pre-stressed concrete beams Therefore, it is necessary to study the calculation of prestressed concrete beams with strut and tie models to provide cable layout solutions and reinforcement structure suitable for beam behavior This thesis will study the strut and tie model for pre-stressed concrete beams and apply it to establish the design calculation process Experimental programs are performed to verify the design process Keywords – Strut and Tie Model (STM); Deep beam; Prestressed concrete; strength shear of deep beam; stress fields DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU fcu Fnn Anz n fc’ d b Acs Fns s Fnt : Cường độ nén hiệu vùng nút : Cường độ chịu nén danh định bê tơng vùng nút : Diện tích mặt cắt vng góc với phương chịu lực : Hệ số hiệu : Cường độ chịu nén : Chiều cao dầm : Bề rộng dầm : Diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu chịu nén : Cường độ chịu nén : Hệ số hiệu : Cường độ giằng nbc fy Ri A d P : Số lượng thép chịu nén : Cường độ chịu kéo cốt thép : Bán kính vết nứt : Khoảng cách từ gối tựa tới điểm đặt lực : Chiều cao dầm : Tải trọng tập trung N li Ec Es Rb Rs : Lực dọc dàn : Chiều dài dàn : Mô đun đàn hồi bê tông : Mô đun đàn hồi cốt thép : Cường độ chịu nén bê tông : Cường độ chịu kéo cốt thép : Hệ số sức kháng wt wc a1 : Bề rộng giằng : Bề rộng chống : Khoảng cách hai vị trí đặt tải DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tra hệ số βs, βn hệ số hiệu .13 Bảng 2.1 Kích thước hình học dầm 33 Bảng 2.2 Thông số vật liệu cáp ứng lực trước 34 Bảng 2.3 Bê tông cốt thép 34 Bảng 3.1 Kết thí nghiệm nén mẫu bê tông .44 Bảng 3.2 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép 10 45 Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật cáp dự ứng lực 45 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Ứng dụng mơ hình giàn ảo Hình 1.2 Mơ hình giàn ảo dầm bê tơng cốt thép nhịp đơn giản Hình 1.3 Giàn không 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 11 Hình 1.8 Các mơ hình tính tốn kích thước chống 12 Hình 1.9 Dầm cao 14 Hình 1.10 Quỹ đạo ứng suất 15 Hình 1.11 Dầm cao chịu tải trọng mép đáy 16 Hình 1.12 Mơ hình giàn ảo dầm cao 17 Hình 1.13 Dầm cao liên tục hai nhịp 18 Hình 1.14 Mơ hình giàn ảo dầm liên tục hai nhịp 19 Hình 1.15 Mơ hình giàn ảo sơ đồ bố trí cốt thép dầm giản đơn 21 Hình 1.16 Mơ hình giàn ảo sơ đồ bố trí cốt thép dầm liên tục 22 Hình 2.1 Dầm cao hai lực tập trung 25 Hình 2.2 Ứng suất nén dầm cao với tỷ lệ a/d=0,5 .26 Hình 2.3 Ứng suất nén dầm cao với tỷ lệ a/d=1 26 Hình 2.4 Sơ đồ giàn ảo hai lực tập trung chịu ứng lực trước 26 Hình 2.5 Mơ hình giàn ảo hiệu chỉnh cho mơ hình dầm cao ứng lực trước 27 Hình 2.6 Giản đồ tính dầm cao ứng lực trước sử dụng mơ hình giàn ảo 31 Hình 2.7 Bố trí cốt thép dầm cao ứng lực trước .33 Hình 3.1 Công tác lắp đặt cốt thép cho dầm bê tơng ứng lực trước 38 Hình 3.2 Công tác lắp đặt strain gauge vào cốt thép chủ 39 Hình 3.3 Mẫu thí nghiệm sau hồn thành cơng tác chế tạo .39 Hình 3.4 Đổ bê tơng cho mẫu thí nghiệm 40 Hình 3.5 Đúc mẫu bê tơng mẫu trụ 150×300mm dưỡng hộ 43 Hình 3.6 Thí nghiệm nén mẫu bê tơng .44 Hình 3.7 Thí nghiệp ép chẻ .44 Hình 3.8 Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép 44 Hình 3.9 Lắp đặt thiết bị thiết bị đo cho mẫu dầm cao thường 46 Hình 3.10 Vết nứt cấp tải P = 210kN 47 Hình 3.11 Vết nứt cấp tải P = 300kN 47 Hình 3.12 Vết nứt cấp tải P = 396.9kN 48 Hình 3.13 Chiều rộng vết nứt cấp tải P = 396.9kN .48 Hình 3.14 Đồ thị quan hệ tải trọng chuyển vị 49 Hình 3.15 Chuyển vị mặt mặt nhịp dầm 49 Hình 3.16 Đồ thị tải trọng biến dạng nén bê tơng mặt dầm 50 Hình 3.17 Đồ thị tải trọng - biến dạng cốt thép ϕ10 kéo .50 Hình 3.18 Ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu lực dầm .51 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thiết kế, tính tốn dầm thơng thường giả thiết Bernulli giả thiết quan trọng Tuy nhiên giả thiết khơng cịn xác với dầm cao phân phối biến dạng dầm cao phi tuyến Do phương pháp tính tốn dầm thơng thường khơng cịn phù hợp tính tốn dầm cao, cần phương pháp khác Và phương pháp áp dụng thiết kế, tính tốn dầm cao phương pháp mơ hình “giàn ảo” Hiện nay, phương pháp mơ hình giàn ảo chấp nhận để phân tích tính tốn kết cấu, có tiêu chuẩn ACI, Eurocode Đã có nhiều đề tài, nhiều viết liên quan đến việc tính tốn dầm cao phương pháp mơ hình giàn ảo Tuy nhiên, cấu kiện dầm cao chọn nhiều mơ hình giàn ảo khác để tính tốn (do mơ hình giàn ảo u cầu đường tải trọng cân tĩnh), kết khác với mơ hình chọn khác Hiện nay, nghiên cứu thực tính tốn dầm cao mơ hình giàn ảo dầm cao thơng thường, dầm cao có kht lỗ….và chưa thấy nghiên cứu đề cập đến tính tốn dầm cao dự ứng lực trước Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán dầm cao dự ứng lực trước phương pháp mơ hình giàn ảo cần thiết để đưa giải pháp cấu tạo, khảo sát ứng xử, trạng thái làm việc kết cấu nhằm áp dụng hiệu tính tốn dầm cao dự ứng lực trước phương pháp mơ hình giàn ảo xây dựng nhà cao tầng có khơng gian kiến trúc tầng thơng thống rộng rãi khơng bị vướng nhiều hệ cột Đó lý để thực đề tài: “Ứng dụng mơ hình giàn ảo thiết kế dầm cao ứng lực trước” Mục tiêu nghiên cứu Tổng quan mơ hình chống giằng mơ hình chống giằng thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép ứng lực trước Xây dựng mơ hình giàn ảo, thiết kế chế tạo mẫu thực thí nghiệm mẫu dầm bê tông cốt thép ứng lực trước đề xuất quy trình tính tốn cho dầm cao sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Dầm cao 14 1.3 TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO 1.3.1 Khái niệm dầm cao Tác động dầm xét đến thiết kế chịu uốn ln/dc nhỏ 5/2 (đối với nhịp liên tục) 5/4 nhịp đơn, nhịp ngắn phải thiết kế có “tính đến biến dạng khơng tuyến tính Tác động dầm cao cịn xét đến thiết kế chịu cắt ln/d nhỏ Vậy dầm cao dầm mà lực nén tải trọng tập trung đáng kể gối đỡ Điều xuất tải trọng tập trung lớn khoảng 2d tới gối đỡ dầm tải trọng phân bố có tỷ số nhịp với chiều cao ln/d nhỏ khoảng đến Hình 1.9 Dầm cao 15 1.3.2 Các phân tích trạng thái làm việc dầm cao Hình 1.10 Quỹ đạo ứng suất Những phân tích đàn hồi dầm cao trạng thái chưa nứt có ý nghĩa trước hình thành vết nứt Trong dầm cao, hình thành vết nứt xuất phần ba đến tải trọng giới hạn Sau vết nứt phát triển, phân bố lại ứng suất cần thiết khơng có lực kéo ngang qua vết nứt, kết phân tích đàn hồi mối quan tâm chủ yếu chúng thể phân bố ứng suất gây vết nứt đưa dẫn hướng cho vết nứt dòng lực sau nứt Trong hình 2.a, đường đứt nét quỹ đạo ứng suất nén song song với hướng ứng suất nén đường liền nét quỹ đạo ứng suất kéo song song với ứng suất kéo chính.các vết nứt dự đốn xuất vng góc với đường liền nét (song song với đường liền nét đứt) Trong trường hợp dầm giản đơn đỡ tải trọng tập trung nhịp, ứng suất nén tác dụng gần song song với đường nối tải trọng trục đỡ, ứng suất kéo lớn tác dụng song song với đáy dầm, ứng suất nén ứng suất kéo ngang mặt phẳng thẳng đứng điểm nhịp (hình 1.10) Dầm giản đơn đàn hồi chưa nứt đỡ tải trọng có quỹ đạo ứng suất thể hình 1.9.Sự phân bố ứng suất ngang mặt phẳng 16 thẳng đứng nhịp 1/4 nhịp Các quỹ đạo ứng suất biểu diễn giàn giản đơn giàn phức tạp Trong trường hợp đầu tiên, tải trọng chia thành hai phần, phần thể vectơ hợp lực Trong trường hợp thứ hai tải trọng chia làm bốn phần Góc thay đổi từ 68o l/d = 1,0 nhỏ đến khoảng 55o l/d = 2,0 Hình 1.10a thể quỹ đạo ứng suất dầm cao đỡ tải trọng tác dụng lên mép mặt dầm Các quỹ đạo chịu nén tạo nên vòm với tải trọng treo từ vịm ( hình 1.10b 1.10c ), mẫu vết nứt hình 1.10d thể tải trọng truyền từ nhờ cốt thép tác dụng lên vịm chịu nén, sau vịm truyền tải trọng xuống trụ đỡ Biểu đồ tương tự đưa hình 1.11 mơ hình giàn cho thấy lực giằng dọc không đổi dọc theo chiều dài dầm cao Điều có nghĩa lực phải nén chặt lại mối nối khắp phản lực Sự hư hỏng có liên quan đến phần ngun nhân gây cố dầm cao Hình 1.11 Dầm cao chịu tải trọng mép đáy 1.3.3 Các mơ hình giàn ảo dầm cao Hình 1.12 thể mơ hình dàn ảo dầm cao Các tải trọng phản lực, chống giằng bố trí cho trọng tâm cấu kiện giàn đường tác dụng tải trọng tác dụng từ bên trùng từ mối nối Điều cần thiết cho cân mối nối, dầm bêtông cốt thép, neo dầm tiến hành hồn chỉnh móc theo chiều thẳng đứng chiều nằm ngang, 17 trường hợp cực hạn neo thể Hình 1.12 Mơ hình giàn ảo dầm cao Ví dụ dầm giản đơn với cốt thép đai thẳng đứng, chịu tải trọng tác dụng nhịp Đây kết hợp vài giàn, giàn sử dụng chống trực tiếp kéo dài từ tải trọng đến trụ đỡ Giàn chịu lực cắt Vc Một giàn khác sử dụng cốt thép đai cấu kiện chịu kéo thẳng đứng có quạt chịu nén tải trọng phản lực, lực thẳng đứng cốt thép đai tính cách giả định cốt thép đai chảy dẻo Thành phần lực thẳng đứng chống chịu nén nhỏ phải giới hạn chảy cốt thép đai để mối nối trạng thái cân bằng, không sử dụng cốt thép đai phía xa nhất, khơng thể kéo xiên chịu nén từ điểm đặt tải trọng đến đáy cốt thép không lấn vào chống chịu nén trực tiếp 18 Hình 1.13 Dầm cao liên tục hai nhịp Ví dụ hình vẽ 1.13a thể mơ hình giàn ảo cho dầm liên tục hai nhịp Hơn nữa, Các chống thể phần đánh bóng đậm, trụ đỡ bên có hai giàn chịu tải trọng 19 Hình 1.14 Mơ hình giàn ảo dầm liên tục hai nhịp Giàn bên (hình1.14.b) sử dụng cốt thép đỉnh có lực kéo T giàn bên ( hình 1.14.c ) sử dụng cốt thép có lực kéo T1 Độ lớn giàn dựa hình dạng tam giác giá trị Ac.fy cánh chịu kéo Độ lớn dầm tìm cách cộng chúng lại với nhau, lực T T2 neo điểm chịu tải trụ đỡ gối thực ra, cốt thép neo cách kéo dài móc vượt ngồi vị trí neo gối Lưu ý lực kéo T1 T2 giả định không đổi neo gối 1.3.4 Tính tốn thiết kế, sử dụng mơ hình giàn ảo Sự tính tốn thiết kế dầm cao sử dụng mơ hình giàn ảo bao gồm việc bố trí giàn truyền tải trọng cần thiết Một tìm giàn thỏa mãn, mối nối cấu kiện giàn phải thiết kế chi tiết để truyền lực cần thiết, kích thước tổng thể giàn phải đạt đến mức cho toàn giàn vừa khít bên dầm có lớp ngồi tương xứng Các dầm cao liên tục cấu kiện cứng theo nghĩa nhạy với độ lún không trục đỡ chúng chuyển dịch móng chiều cao khơng cột đỡ dầm Giai đoạn tính tốn thiết kế dầm ước tính vùng phản lực sử dụng dể tính đường bao lực cắt momen, xảy phân bố lại momen lực cắt tổng lượng bị giới hạn Vấn đề quan trọng lựa chọn mô hình đỡ tải trọng hướng chống chịu nén nhịp chịu cắt phải hướng chung ứng suất nhịp chịu cắt đó, quỹ đạo ứng suất đơn giản hóa thực hữu ích việc thiết lập mơ hình giàn, nghiên cứu đưa đề nghị 20 chống nên định hướng phạm vi ±15 o góc thể hình Khi sử dụng vài giàn khác nhau, số đó, giàn có lượng cột thép giàn xem mơ hình hóa xác trạng thái làm việc dầm bê tông Giàn đạt đến quỹ đạo ứng suất đàn hồi, độ cứng hai loại vật liệu bê tông cốt thép khác Nếu dầm đủ mảnh để vùng quạt chịu nén tải trọng trụ đỡ không chồng lên nhau, khơng tồn chống chịu nén thay vào vùng chịu nén, trường hợp góc vùng chịu nén xác định cách sử dụng phương trình sau: 10 110.( vu ) f c' bw j.d (1.9) Với 25o