BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH
-------------------
PHÙNG QUỐC VIỆT
KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
TP.HỒ CHÍ MINH - 2020
BỘ XÂY DỰNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH
-------------------
PHÙNG QUỐC VIỆT
KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS.KS. NGUYỄN HỮU ANH TUẤN
TP.HỒ CHÍ MINH - 2020
-1-
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, xu thế phát triển trong thiết kế kiến trúc
của các nhà cao tầng là tạo ra các công trình có công năng sử dụng
đa dạng. Thay đổi lớn về hệ lưới cột vách giữa các tầng trên và dưới
Dầm cao là một trong những giải pháp.
Xuất phát từ những lý do trên học viên lựa chọn và nghiên cứu đề tài
“KHẢO SÁT CÁC PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU
LỰC CỦA DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP”.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Từ việc nghiên cứu đề tài, tác giả mong muốn bổ sung nâng cao kiến
thức và tìm hiểu sâu hơn về kết cấu dầm cao. Qua đó có cái nhìn đầy
đủ hơn về dầm cao, từ phạm vi sử dụng, đến lựa chọn phương án tính
toán sao cho hiệu quả nhất.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi luận văn là dầm cao BTCT một
nhịp, chịu tải tập trung được khảo sát bằng các phương pháp:
- Phương pháp tính toán dầm cao bê tông cốt thép theo mô hình
chống giằng (Strut and tie Model)
- Phương pháp cánh tay đòn nội lực.
- Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm cao bằng việc áp dụng
một số quy đinh theo TCVN 5574-2018
Trong các phiên bản trước của tiêu chuẩn bê tông và bê tông cốt thép
TCVN 5574-1991, TCVN 5574-2012 chưa có chỉ dẫn nào về tính
toán dầm cao nhưng đến phiên bản mới nhất TCVN 5574-2018 đã có
hướng dẫn ngắn gọn về kiểm tra khả năng chịu lực cho phần tử tấm
-2-
tường bê tông cốt thép. Do đó, một trong những mục tiêu của luận
văn là đề xuất quy trình phân tích và kiểm tra bền cho dầm cao bê
tông cốt thép có vận dụng những điều khoản của TCVN 5574-2018.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO VÀ ÁP DỤNG
DẦM CAO TRONG XÂY DỰNG
TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP
Khái niệm
Dầm cao là cấu kiện chịu tải trọng tác dụng trên một mặt, còn các gối
tựa ở phía mặt đối diện sao cho các thanh chống chịu nén có thể hình
thành và phát triển từ các tải trọng tác dụng đến các gối tựa.
a. Trường hợp 1 b. Trường hợp 2
Hình 2.1 Các trường hợp dầm cao.
CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
MÔ HÌNH CHỐNG - GIẰNG
Khả năng chịu lực của thanh chống [1], [2], [4]
Quy phạm ACI 318-14[6] quy định khả năng chịu lực danh định của
thanh chống bê tông:
(23.4.1a ACI 318M-14) (3.1)
hệ số giảm khả năng chịu lực (ACI 318M-14 lấy )
-3-
(23.4.3 ACI 318M-14) (3.2)
Trong đó:
0,85 là hệ số giảm cường độ bê tông kể đến tình trạng chịu lực dài
hạn.
theo bảng 23.4.3 Quy phạm ACI 318-14[6]
Khả năng chịu lực của vùng nút
Theo ACI 318 [6], khả năng chịu lực danh định của vùng nút:
(23.9.1 ACI 318M-14) (3.3)
hệ số giảm khả năng chịu lực (Quy phạm ACI 318M-14 lấy
), là cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông vùng nút
(23.9.2 ACI 318M-14) (3.4)
Trong đó:
theo bảng 23.9.2 ACI 318M-14
Kiểu vùng nút trong mô hình STM
Vùng nút C-C-C 1,0
Vùng nút C-C-T 0,8
Vùng nút C-T-T 0,6
là diện tích của mặt vùng
(ở mặt nút) (3.5)
Hay (thiên về an toàn) (3.6)
Khả năng chịu lực của thanh giằng
(3.7)
là hệ số giảm khả năng chịu lực (ACI 318M-14 lấy )
-4-
PHƯƠNG PHÁP CÁNH TAY ĐÒN NỘI LỰC
Phá hoại do uốn.
3.2.1.1 Sự phân bố ứng suất trên tiết diện dầm
3.2.1.2 Tính toán khả năng chịu uốn.
Khả năng chịu uốn của dầm[6]
(3.8) (3.9)
Theo dự thảo Eurocode,CEB, ACI [8][4]
Dầm đơn:
với (3.10)
với (3.11)
với (3.12)
Dầm liên tục:
với (3.13)
với (3.14) (3.15)
Phá hoại do cắt
3.2.2.1 Các dạng phá hoại do cắt.
3.2.2.2 Tính toán khả năng chịu cắt
Theo ACI 318 [4], [8]
Đối với dầm chịu tải trọng phân bố đều:
Đối với dầm chịu tải trọng tập trung:
Lực cắt do ngoại lực tác dụng phải thỏa mãn điều kiện:
-5-
(3.16) đối với dầm có tỷ số
(3.17) đối với dầm có tỷ số
(3.18) đối với dầm có tỷ số
Để thuận tiện thi công nên chọn:
Với , (3.19)
Khả năng chịu lực cắt của bê tông dầm cao (Task
Committee 426, 1973)
(3.20)
Với
Khả năng chống cắt của thép ngang dầm cao
Khả năng chịu lực của cốt thép được tính theo công thức sau:
(3.21)
MÔ HÌNH DẦM CAO VỚI PHẦN TỬ TẤM VỎ VÀ KIỂM
TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỰC THEO TCVN 5574-2018.
TCVN 5574-2018[3] đã có hướng dẫn về việc phân tích tấm tường
tổng quát, do đó luận văn này sẽ đề xuất cách vận dụng hướng dẫn
này vào việc mô hình hóa tính toán độ bền cho dầm cao.
-6-
Mô hình phân tích nội lực dầm cao
Hình 3.1 Phần tử dạng tấm tường
Áp dụng một số quy định theo TCVN 5574-2018 để kiểm
tra khả năng chịu lực của dầm cao.
TCVN 5574-2018 [3]Phương trình cân bằng tổng quát Hình 3.1
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.25)
Trong đó: và lần lượt là các lực pháp tuyến và lực trượt.
và lần lượt là các giá trị giới hạn của các lực pháp
tuyến và lực trượt. Giá trị của các lực pháp tuyến giới hạn và
cần được xác định từ tính toán tiết diện tẳng góc kéo hoặc nén
đúng tâm.
Giá trị của lực trượt giới hạn bao gồm thành phần do bê tông
chịu và do cốt thép được xác định như sau:
(3.26)
(3.27)
-7-
KIẾN NGHỊ PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH TÍNH
TOÁN, THIẾT KẾ DẦM CAO TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT
NAM
Mô hình dầm cao bằng phần tử thanh và kiểm tra bền theo
phương pháp cánh tay đòn nội lực theo TCVN 5574-2018
Quy trình tính toán
Bước 1: Xác định và
Bước 2: Diện tích cốt thép chính :
Dầm đơn:
với (3.28)
với (3.29)
với (3.30)
Dầm liên tục:
với (3.31)
với (3.32)
Bước 3: Kiểm tra tiết diện dầm
Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông và cốt thép (3.33)
Khả năng chịu cắt của bê tong
Lực cắt cho cốt thép ngang
-8-
(3.34)
Bước 4: Kiểm tra hàm lượng thép cấu tạo
Thép dọc: , thép ngang : (3.35)
Mô hình dầm cao bằng phần tử tấm vỏ kiểm tra bền theo
TCVN 5574-2018 Kiểm tra (3.36)
Trường hợp 1: cấu kiện chịu kéo,
Trường hợp 2: cấu kiện chịu nén
Kiểm tra (3.37)
Trường hợp 1: cấu kiện chịu kéo
Trường hợp 2: cấu kiện chịu nén,
Kiểm tra (3.38)
Trường hợp 1: cấu kiện chịu kéo,
Trường hợp 2: cấu kiện chịu nén,
Kiểm tra (3.39)
Với hai phương pháp trên tùy theo mức độ tính toán đơn giản hay
phức tạp mà người dùng có thể lựa chọn trong thiết kế thực hành phù
hợp. Với hai phương pháp này vậy liệu (cường độ bê tông, cường độ
thép), hệ số tải trọng, hệ số độ tin cậy điều tuân theo TCVN 5574-
2018. Việc tính toán được minh họa theo các phương pháp sẽ được
thực hiện ở chương sau.
-9-
CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN
THIẾT KẾ DẦM CAO CHỊU MỘT LỰC TẬP TRUNG
Thiết kế dầm bê tông cốt thép chịu một tải tập trung như Hình 4.1. Tải trọng tiêu chuẩn
, , , , ,
Hình 4.1 Dầm cao chịu một lực tập trung
Dùng phương pháp cánh tay đòn nội lực.
4.1.1.1 Tính cốt thép chịu uốn
ACI 318-14[6] TCVN 5574-2018[3]
Vật liệu Vật liệu
-10-
, ,
Tải trọng tính toán [6]: Tải trọng tính toán [3]:
Moment lớn nhất tại giữ nhịp: Moment lớn nhất tại giữ nhịp:
Cánh tay đòn moment [8][4]: Cánh tay đòn moment [8][4]:
Diện tích thép chịu kéo: Diện tích thép chịu kéo:
Chọn 3 lớp cốt thép được bố trí trong phạm vi Chọn 3 lớp cốt thép được bố trí trong phạm vi
Chọn 3 lớp cốt thép Chọn 3 lớp cốt thép
Tính chiều cao : Tính chiều cao d:
-11-
Kiểm tra hàm lượng thép cấu tạo: Kiểm tra hàm lượng thép cấu tạo:
4.1.1.2 Tính cốt thép chịu cắt
ACI 318-14[6] TCVN 5574-2018[3]
Vị trí tiết diện nguy hiểm: Lực cắt lớn nhất
Tính nội lực tại vị trí x: , Kiểm tra lực cắt
Kiểm tra lực cắt : Khả năng chịu cắt của bê tông (thỏa) Vị trí điểm đặt lực
Tính lực kháng cắt
Lực cắt cho cốt thép ngang:
Bố trí thép ngang: (2 nhánh)
-12-
Do nên bố trí thép (Thỏa) chống cắt 2 phương Kiểm tra bước cốt thép ngang Tính lực kháng cắt :
Bố trí thép ngang:
Kiểm tra lực cắt Thép dọc thân dầm bố trí cấu tạo
, (Thỏa)
Kiểm tra hàm lượng thép tối thiểu:
(Thỏa)
(Thỏa)
-13-
Phương pháp chống-giằng
ACI 318-14[6]
Vật liệu
Cường độ bê tông , Cường độ thép
Tải trọng tính toán [6]:
Chọn mô hình chống-giằng
Xác định lực nén trong thanh chống xiên AB:
Sơ bộ tiết diện thanh chống xiên AB:
,
Chọn
Cân bằng thanh AC và thanh AB:
Chọn
Kiểm tra lại khả năng chịu lực của thanh chống xiên AB:
-14-
Khả năng chịu lực của thanh chống xiên AB:
thanh chống đủ khả năng chịu lực.
Diện tích các mặt của vùng nút bằng diện tích tiết diện của các thanh
chống, do vậy khả năng chịu lực của vùng nút trong bài toán này
luôn đảm bảo, không cần kiểm tra.
Tính lực trong thanh giằng, chọn và bố trí cốt thép dọc
Diện tích cốt thép yêu cầu
Chọn 3 lớp cốt thép
Được bố trí đều trong khoảng 450mm tính từ đáy dầm.
Mô hình dầm cao bằng phần tử tấm vỏ và kiểm tra bền
theo TCVN 5574-2018[3]
4.1.3.1 Thông số đầu vào
Vật liệu
Bêtông , ,Thép
Tải trọng
-15-
, Tải trọng tiêu chuẩn:
Tải trọng tính toán [3]:
4.1.3.2 Mô hình kết cấu
Hình 4.2 Mô hình dầm cao
4.1.3.3 Biểu đồ ứng suất
Hình 4.3 Biểu đồ ứng suất
Bảng 4.1 Ứng suất trên nhịp dầm
n ê r t í r t ị
Vị trí trên nhịp dầm (mm)
V
0 m ầ d o a c u ề i h c
500 1000 1500 2100 500 -1.64 -0.53 -0.19 -0.46 0.15 1000 -4.41 -1.87 -1.20 -1.58 -0.88 1500 0.93 -0.95 -1.83 -3.16 -2.83 2000 4.41 0.68 -1.69 -4.37 -4.64 0 -0.69 -0.17 -0.05 -0.05 0.01 2700 6.93 2.00 -0.72 -3.34 -19.61
-16-
Hình 4.4 Biểu đồ biểu diễn trên nhịp dầm
Hình 4.5 Biểu đồ ứng suất
Hình 4.6 Biểu đồ biểu diễn
-17-
4.1.3.4 Kiểm tra bền theo TCVN 5574-2018
Áp dụng TCVN 5574-2018[3]
Bảng 4.2 Bảng kiểm tra bền dầm cao tại vị trí giữa nhịp
Diện tích cốt thép chịu kéo:
THIẾT KẾ DẦM CAO CHỊU HAI LỰC TẬP TRUNG
Thiết kế dầm BTCT chịu hai tải tập trung như Hình 4.7
Tải trọng tiêu chuẩn
, ,
Hình 4.7 Dầm cao chịu hai tải tập trung
SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ
Bảng 4.3 Bảng thống kê diện tích thép theo các phương pháp
Diện tích thép chịu kéo (cm2)
Nội dung
Mô hình bằng phần tử thanh
Mô hình bằng phần tử tấm vỏ
Kiểm tra bền
Phương pháp cánh tay đòn nội lực
Chống- Giằng
ACI (1)
ACI (3)
TCVN 5574-2018 (4)
TCVN 5574-2018 (2)
127.45
115.78
124.90
49.2
Dầm 1 lực tập trung
102.33
93.88
108.17
25.3
Dầm 2 lực tập trung
Nhận xét: Như các ví dụ đã được thực hiện 4.1 và 4.2 trong khuôn
khổ luận văn tác giả có một số nhận xét như sau:
Khi dầm cao được mô hình bằng phần tử thanh:
Phương pháp cánh tay đòn nội lực: Dầm cao chịu một tải tập trung,
tiêu chuẩn ACI(1) cho kết quả thép lớn hơn so với TCVN 5574-
2018(2) chênh lệch khoảng 9,16%. Với dầm cao chịu hai tải tập
trung, tiêu chuẩn ACI(1) cũng cho kết quả thép lớn hơn so với
TCVN 5574-2018(2), kết quả chênh lệch 8,26%.
Phương pháp chống giằng theo ACI(3) đã được sử dụng để phân tích
cốt thép, kết quả cho thấy phương pháp chống giằng yêu cầu cao hơn
về lượng thép. Tuy nhiên, kết quả tổng thể là xấp xỉ nhau, chênh lệch
giữa phương pháp chống giằng và cánh tay đòn nội lực không quá
15%.
Khi dầm cao được mô hình bằng phần tử tấm vỏ:
Phương pháp thiết kế phần tử hữu hạn bằng việc vận dụng TCVN
5574-2018 cho kết quả phân tích với lượng thép yêu cầu thấp hơn
khoảng 50%~75% so với lượng thép yêu cầu theo các phương pháp
cánh tay đòn nội lực và chống-giằng, kết quả này cho thấy lượng cốt
thép trong dầm cao giảm đáng kể. Trong kết quả phân tích dầm cao
bằng phần tử hữu hạn theo đề xuất của Eurocode 2 [7] cũng cho kết
quả tương tự.
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Kết cấu dầm cao với những đặc điểm cấu tạo hình học và khả năng
chịu lực được sử dụng trong các kết cấu nhà cao tầng BTCT, đáp ứng
được yêu cầu về mặt công năng, có thể là giải pháp tương đối tốt
trong một số trường hợp đòi hỏi cần hệ kết cấu chuyển vượt nhịp lớn
giữa khu trên và khu dưới trong tòa nhà.
Như đã được phân tích so sánh 4.3 mô hình dầm cao bằng phần tử
thanh, phương pháp chống giằng cho kết quả thép lơn hơn so với
phương pháp cánh tay đòn nội lực (chênh lệch khoảng 10% đến
20%). Do đó, kiểm tra độ bền dầm cao theo phương pháp chống
giằng là thiên về an toàn. Khi áp dụng các điều khoản trong TCVN
5574-2018, dầm cao được mô hình bằng phần tử tấm vỏ thì kết quả
thép giảm đi hơn một nữa (khoảng 45% đến 70%), lượng cốt thép
giảm rất đáng kể trong thiết kế. Hiện nay chưa có tài liệu chính thức
nào chỉ dẫn thiết kế dầm cao nói riêng và tấm vỏ nói chung theo
TCVN.
KIẾN NGHỊ
Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, sự phá hoại đối với dầm cao bê tông
cốt thép không chỉ do uốn, cắt mà còn do phá hoại gối tựa và phá
hoại cục bộ (nén vỡ) ngay dưới khu vực đặt tải trọng tập trung. Do
đó nên mô hình đúng thực tế kích thước đặt lực tập trung và vùng gối
tựa để giảm bớt ứng suất cục bộ không có thật.
Tác giả kiến nghị mở rộng hướng nghiên cứu: tính toán thiết kế dầm
cao từ dầm một nhịp sang dầm liên tục hay console, ngoài tải đứng
có thể xét dầm cao chịu tải trọng ngang
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
1. Nguyễn Viết Trung (2000), "Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện
đại theo tiêu chuẩn ACI", NXB Giao thông vận tải.
2. Nguyễn Viết Trung (2005), "Tính toán kết cấu bê tông cốt thép
theo mô hình giàn ảo", NXB Giao thông vận tải.
3. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông và
bê tông cốt thép.
4. Trần Mạnh Tuân (2009), Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo
tiêu chuẩn ACI 318-2002, tr. 80,83, Nhà xuất bản xây dựng.
5. Luận văn có sử dụng một số hình ảnh và tư liệu trên Internet.
TIẾNG ANH
6. ACI Committee 318 Structural Building code “Building Code
Requirements for Structural Concrete and Commentery”, (ACI
318M-14)
7. ANNALS of Faculty Engineering Hunedoara – International
Journal of Engineering “Deep beams reinforcement, national and
eurocode 2 design” Tome XVII [2019] Fascicule 1 [February]
8. F.K.Kong (2003), Reinfordced concrete deep beams. Van
Nostrand Reihold
9. Kong & Evans (1987), Reinforced and Prestressed Concrete,
Chapman & Hall
10. Ove Arup & Partners (1977), The design of deep beam in
reinforced concrete. The chameleon press limited.
Provisions
11. SAP2000. Structural Analysis Program, Computers & Structures,
Inc. Berkeley, California, USA, 2009
