Nghiên cứu phương pháp dự đoán mô men lớn nhất của các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

233.3.Đề xuất phương pháp dự đoán mô men lớn nhất cho các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật sử dụng đai dạng xoắn ốc ..... Các kết quả thí nghiệm từ các nghiên cứu trước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG

THANH HÓA, NĂM 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 858.02.01

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Lê Kim Truyền

THANH HÓA, NĂM 2022

Danh sách Hội đồng chấm luận văn Thạc sỹ khoa học

(Theo Quyết định số 1151/ QĐ- ĐHHĐ ngày 30 tháng 5 năm 2022

của Hiệu trưởng Trường Đại học Hồng Đức)

Học hàm, học vị

Họ và tên Cơ quan Công tác

Chức danh trong Hội đồng

TS Nguyễn Văn Dũng ĐH Hồng Đức Chủ tịch HĐ

TS Nguyễn Đăng Nguyên ĐH Xây Dựng UV Phản biện 2 PGS TS Nguyễn Anh Dũng ĐH Thủy Lợi Uỷ viên

Xác nhận của Người hướng dẫn

Học viên đã chỉnh sửa theo ý kiến của Hội đồng

Ngày 10 tháng 8 năm 2022

Lê Kim Truyền

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này không trùng lặp với các khóa luận, luận văn, luận án và các công trình nghiên cứu đã công bố

Thanh Hoá, ngày tháng năm 2022

Người cam đoan

Bùi Đình Thống

ii

Trân trọng cảm ơn Trường Đại học Hồng Đức, các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật công trình đã tạo điều kiện giúp đỡ và hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Đặc biệt cảm ơn GS TS

Lê Kim Truyền người hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Công ty Trách nhiệm hữu hạn một thành viên thủy lợi Nam Sông Mã Thanh Hóa đã tạo điều kiện để em được tham gia khóa học Bên cạnh đó không thể thiếu sự động viên, hỗ trợ của gia đình, bạn bè

để tôi tập trung trong thời gian học tập cũng như hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên luận văn vẫn còn tồn tại một số sai sót

Do vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để tác giả hoàn thiện tốt hơn luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Thanh Hoá, ngày tháng năm 2022

Tác giả luận văn

Bùi Đình Thống LỜI CẢM ƠN

iii

LỜI CAM ĐOAN 1

-LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

7 Nội dung của luận văn 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Mô men lớn nhất của cột bê tông cốt thép 3

1.2 Các nghiên cứu về cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật 4

1.3.Đặt vấn đề nghiên cứu 9

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN MÔ MEN LỚN NHẤT CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 10

2.1.Theo tiêu chuẩn ACI-318-19 10

2.2.Theo tiêu chuẩn AASHTO 2014 13

2.3.Theo tiêu chuẩn Caltrans SDC 2019 14

Chương 3 MÔ MEN LỚN NHẤT CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP HÌNH BẦU DỤC VÀ HÌNH CHỮ NHẬT 20

3.1.Thu thập dữ liệu thí nghiệm 20

MỤC LỤC

iv

3.2.So sánh mô men lớn nhất giữa các phương pháp 233.3.Đề xuất phương pháp dự đoán mô men lớn nhất cho các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật sử dụng đai dạng xoắn ốc 34

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

vii

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của bê tông 16

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của thép 19

Bảng 3.1 Thu thập dữ liệu thí nghiệm 21

Bảng 3.2 Mô phỏng tiết diện của các cột theo các phương pháp khác nhau 22

Bảng 3.3 Bảng So sánh mô men lớn nhất giữa giá trị thực nghiệm và giá trị xác định theo phương pháp ACI-318-19 24

Bảng 3.4 Bảng So sánh mô men lớn nhất giữa giá trị thực nghiệm và giá trị xác định theo phương pháp AASHTO 2014 30

Bảng 3.5 Bảng So sánh mô men lớn nhất giữa giá trị thực nghiệm và giá trị xác định theo phương pháp Caltrans SDC 2019 33

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

viii

Hình 1.1 Tiết diện cột hình tròn và hình vuông 5

Hình 1.2 Cột hình bầu dục và hình chữ nhật với thép đai thông thường 5

Hình 1.3 Cột hình bầu dục với 2 đai xoắn ốc và 7 đai xoắn ốc 6

Hình 1.4 Cột hình hình chữ nhật với 6 đai xoắn ốc và 11 đai xoắn ốc 6

Hình 2.1 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông không bị ép ngang 12

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép dọc 12

Hình 2.3 Mô phỏng tiết diện cột 12

Hình 2.4 Kết quả phân tích quan hệ mô men – lực dọc 13

Hình 2.5 Ứng suất – biến dạng của thép dọc với cường độ 420 MPa 14

Hình 2.6 Mô men – độ cong 14

Hình 2.7 Mô phỏng tiết diện cột theo phương pháp Caltrans SDC 15

Hình 2.8 Quan hệ ứng suất – biến dạng lớp bê tông bảo vệ 16

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất – biến dạng lớp bê tông bao bởi 1 đai xoắn ốc 17

Hình 2.10 Quan hệ ứng suất – biến dạng lớp bê tông bao bởi 2 đai xoắn ốc 17

Hình 3.1 Mô men lớn nhất xác định theo phương pháp ACI-318-19 26

Hình 3.2 Mô men lớn nhất xác định theo phương pháp AASHTO 2014 29

Hình 3.3 Mô men chảy dẻo của cột ISH 1.5T 32

Hình 3.4 Mô men chảy dẻo của cột DM-CS 32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Việc dự đoán giá trị mô men lớn nhất có ý nghĩa rất quan trọng trong thiết kế các cột bê tông cốt thép Giá trị mô men này thường được sử dụng để thiết kế khả năng chịu cắt và thiết kế nền móng cho các công trình, đảm bảo chúng chịu được giới hạn lớn nhất Song song với các nghiên cứu thực nghiệm, các phương pháp

lý thuyết để xác định mô men lớn nhất của các cột bê tông cốt thép cũng được nghiên cứu, để trong thực tế khi thiết kế, khả năng chịu mô men lớn nhất của cột được dự đoán thông qua các phương pháp tính toán lý thuyết đó Các phương pháp dự đoán mô men lớn nhất được trình bày trong các tiêu chuẩn thiết kế của

Mỹ như ACI-318 (2019) [1], AASHTO (2014) [2] và Caltrans SDC (2019) [5], chúng thường được nghiên cứu và áp dụng cho các cột bê tông cốt thép với thép đai thông thường Gần đây một số nhà nghiên cứu đã đưa ra mô hình thép đai xoắn ốc áp dụng cho các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật [3, 4,

6, 8, 11-13, 15-17], các cột này được sử dụng làm các trụ cầu hoặc cột cho các nhà cao tầng có kích thước lớn Các kết quả thí nghiệm từ các nghiên cứu trước đều cho thấy các cột hình bầu dục và hình chữ nhật với thép đai hình xoắn ốc này

có khả năng chịu lực tương đương hoặc tốt hơn các cột dùng thép đai thông thường, trong khi hàm lượng thép đai chỉ bằng 22-75% so với đai thông thường Tuy nhiên, chưa có phương pháp lý thuyết nào được nghiên cứu cụ thể để dự đoán

mô men lớn nhất của các cột bê tông cốt thép này Vì vậy đề tài này nghiên cứu

và đề xuất phương pháp dự đoán mô men lớn nhất của các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

2 Mục tiêu đề tài

Đưa ra phương pháp dự đoán mô men lớn nhất cho các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

2

- Phạm vi nghiên cứu: Mô men lớn nhất của các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật có thép đai dạng xoắn ốc

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các phương pháp dùng để dự đoán mô men lớn nhất cho các cột bê tông cốt thép (ACI 318, AASHTO, Caltrans SDC)

- Thu thập dữ liệu thí nghiệm của các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật từ các nghiên cứu trước

- So sánh kết quả dự đoán mô men lớn giữa các phương pháp

- Đề xuất phương pháp dự đoán mô men lớn nhất cho các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các phương pháp dự đoán

mô men lớn nhất cho các cột bê tông cốt thép Từ đó đề xuất phương pháp dự đoán mô men lớn nhất cho các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

- Phương pháp toán học: Thu thập số liệu từ các thí nghiệm trước để kiểm chứng phương pháp đề xuất

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

7 Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn bao gồm 3 chương chính:

Chương 1: Trình bày tổng quan về mô men lớn nhất của cột bê tông cốt thép, các nghiên cứu về cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

Chương 2: Trình bày các phương pháp xác định mô men lớn nhất của cột bê tông cốt thép

3

Chương 3: Thu thập dữ liệu thí nghiệm của các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật, sử dụng các phương pháp đã có để xác định mô men lớn nhất Đề xuất phương pháp xác định mô men lớn nhất cho các cột này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Mô men lớn nhất của cột bê tông cốt thép

Trong thực tiễn, các kết cấu chính trong các công trình xây dựng (cột, dầm, sàn, trụ cầu, …) đa phần đều chịu uốn, do vậy xác định khả năng chịu môn men của các kết cấu này là một việc rất quan trọng và cần thiết Trong các tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép (ACI-318-19, AASHTO 2014, Caltrans SDC 2019), có

2 giá trị mô men của cột thường được nhắc đến: 1) Giá trị mô men danh nghĩa (nominal moment M n), là giá trị mô men tối thiểu mà cột bê tông cốt thép phải chịu Nói cách khác, giá trị mô men này phản ánh khả năng chịu lực thông thường của cột 2) Giá trị mô men lớn nhất (Mmax), là khả năng chịu lực tối đa mà cột có thể đạt được Thông thường, khả năng chịu mô men của cột nằm trong giới hạn giữa giá trị mô men danh nghĩa và mô men lớn nhất Đối với mô men lớn nhất, tiêu chuẩn ACI-318-19 gọi là giá trị mô men kỳ vọng (expected moment), trong khi tiêu chuẩn AASHTO 2014 và Caltrans SDC 2019 gọi là khả năng chịu mô men vượt giới hạn (over strength moment)

Giá trị mô men danh nghĩa được xác định dựa trên các điều kiện tiêu chuẩn của vật liệu đầu vào, trong đó sử dụng cường độ chịu nén tiêu chuẩn đối với bê tông (specified compressive strength of concrete) và cường độ tiêu chuẩn đối với thép (specified yield strength of longitudinal reinforcement, giới hạn chảy) Trong thực tế, giá trị cường độ chịu nén của bê tông và chịu kéo của thép thường cao hơn các giá trị tiêu chuẩn, do vậy khả năng chịu mô men thực tế của cột lớn hơn giá trị mô men danh nghĩa Trong khi đó, giá trị mô men lớn nhất của cột phụ thuộc vào cường độ chịu nén thực tế của bê tông, cường độ chịu kéo thực tế của cốt thép, hình dạng thép đai, … Giá trị mô men lớn nhất này thường được xác định thông qua thí nghiệm, hoặc dựa theo các phương pháp dự đoán được trình bày trong các tiêu chuẩn ACI-318-19, AASHTO 2014, Caltrans SDC 2019 Việc

4

xác định chính xác giá trị mô men lớn nhất này có ý nghĩa rất quan trọng, đặc biệt

là trong các cột bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất Bởi vì khi giá trị mô men lớn nhất cao, đồng nghĩa với lực cắt lớn, cột có khả năng bị phá hủy do lực cắt trước khi bị phá hủy do uốn Như đã biết, phá hoại do lực cắt là phá hoại giòn, thường xảy ra đột ngột và rất khó dự đoán cũng như gây ra thiệt hại nặng nề đối với công trình, rất khó khắc phục Do vậy, dự đoán chính xác được giá trị mô men lớn nhất góp phần xác định chính xác lực cắt lớn nhất, từ đó thiết kế cột có đủ khả năng chịu cắt để không bị phá hoại do lực cắt

Gần đây một số nhà nghiên cứu đã phát triển các kết cấu cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật với các thép đai hình xoắn ốc Các cột này cho thấy khả năng chịu lực lớn hơn các cột thông thường sử dụng thép đai dạng truyền thống Vì vậy, mô men lớn nhất của các cột này cũng lớn hơn so với các cột thông thường Tuy nhiên, các phương pháp xác định mô men lớn nhất được đề cập trong các tiêu chuẩn ACI-318-19, AASHTO 2014, Caltrans SDC 2019 được đề xuất dựa trên dữ liệu thí nghiệm của các cột thông thường bởi vì các dữ liệu thí nghiệm

về cột sử dụng nhiều đai xoắn ốc còn rất hạn chế Vì vậy, việc xem xét và đánh giá khả năng áp dụng các phương pháp này cho các cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật có thép đai dạng xoắn ốc là cần thiết và có ý nghĩa về mặt khoa học lẫn thực tiễn

1.2 Các nghiên cứu về cột bê tông cốt thép hình bầu dục và hình chữ nhật

Hình tròn và hình vuông (Hình 1.1) là 2 dạng tiết diện cột cơ bản được biết đến từ xưa đến nay Các thép đai cho các cột này cũng có hình dạng khá đơn giản theo chu vi tiết diện của nó (hình tròn và hình vuông) Để không phải cắt nhỏ và buộc thép đai, thép đai hình xoắn ốc đã được nghiên cứu và áp dụng cho các cột hình tròn Kết quả chỉ ra rằng, khả năng chịu lực cũng như khả năng chịu biến dạng của các cột hình tròn có thép đai dạng xoắn ốc cao hơn cột hình vuông sử dụng thép đai thông thường, trong khi hàm lượng thép đai sử dụng ít hơn Hơn nữa, cốt đai hình xoắn ốc làm việc đồng đều theo mọi phương, trong khi thép đai dạng truyền thống bị hạn chế ở những điểm gấp khúc, tại các vị trí đó bê tông gần

5

như không được gia cường bởi thép đai Có nghĩa là thép đai dạng xoắn ốc làm việc hiệu quả hơn các thép đai thông thường

(a) Tiết diện hình tròn (b) Tiết diện hình vuông

Hình 1.1 Tiết diện cột hình tròn và hình vuông

Bên cạnh các tiết diện hình tròn và hình vuông, tiết diện hình bầu dục và hình chữ nhật được sử dụng cho các cột bê tông cốt thép của nhà cao tầng, trụ cầu (do yêu cầu chịu lực lớn) Ban đầu các thép đai thông thường cũng được áp dụng cho các cột này như Hình 1.2 Thép đai dạng này thường có một thanh uốn sát theo chu vi của tiết diện và được gia cường thêm bởi một hoặc nhiều thanh theo 2 phương vuông góc của tiết diện Những năm gần đây, với sự làm việc hiệu quả của các đai xoắn ốc, một số nhà nghiên cứu đã phát triển các dạng thép đai hình xoắn ốc để áp dụng cho các cột có tiết diện hình bầu dục và hình chữ nhật Hình 1.3 thể hiện thép đai của 2 vòng xoắn ốc và 7 vòng xoắn ốc áp dụng cho cột hình bầu dục Tương tư, Hình 1.4 thể hiện thép đai của 6 hình xoắn ốc và 11 hình xoắn

ốc áp dụng cho cột hình chữ nhật Các đai thể hiện trên Hình 1.3 và 1.4 bao gồm nhiều đai xoắn ốc cùng làm việc tạo nên một hệ thép đai đa xoắn ốc

Hình 1.2 Cột hình bầu dục và hình chữ nhật với thép đai thông thường

6

(a) Hai đai xoắn ốc (b) Bảy đai xoắn ốc

Hình 1.3 Cột hình bầu dục với 2 đai xoắn ốc và 7 đai xoắn ốc

(a) Sáu đai xoắn ốc (b) Mười một đai xoắn ốc

Hình 1.4 Cột hình hình chữ nhật với 6 đai xoắn ốc và 11 đai xoắn ốc

Cột hình bầu dục với thép đai là 2 hình xoắn ốc được phát triển đầu tiên bởi Tanaka và Park (1994) [15] Thí nghiệm so sánh giữa cột hình bầu dục với 2 đai xoắn ốc và cột hình chữ nhật với đai thông thường được tiến hành Các cột được thiết kế với kích thước 2 chiều là 40 cm và 60 cm, trong đó hàm lượng cốt thép của cột hình bầu dục sử dụng đai xoắn ốc chỉ bằng khoảng 50% so với cột hình chữ nhật sử dụng đai thông thường Tuy nhiên, dưới tác dụng của lực xô ngang tuần hoàn (mô phỏng quá trình cột chịu tác dụng của động đất), kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, khả năng chịu lực và chịu biến dạng của 2 cột này là tương đương, trong khi hàm lượng thép của đai xoắn ốc chỉ bằng một nữa đai thông thường Khả năng chịu mô men, lực cắt và mô men xoắn của các cột hình bầu dục sử dụng

2 đai xoắn ốc này được khảo sát kỹ hơn trong nghiên cứu của McLean và Buckingham (1994) [11] Sáu cột hình bầu dục sử dụng 2 đai xoắn ốc được thiết

kế để so sánh với 2 cột hình chữ nhật sử dụng đai thông thường Lưu ý rằng, hàm lượng thép đai xoắn ốc cũng chỉ bằng một nữa so với đai thông thường Các cột

7

được thiết kế với kích thước 2 chiều lần lượt là 25,4 cm và 39,2 cm Tương tự như kết quả thí nghiệm của Tanaka và Park (1994), McLean và Buckingham (1994) cũng kết luận rằng, khả năng chịu lực và biến dạng của các cột hình bầu dục sử dụng 2 đai xoắn ốc tương đương hoặc tốt hơn các cột hình chữ nhật sử dụng đai thông thường

Năm 2000, Benzoni và các cộng sự [4] đã tiến hành nghiên cứu khả năng chịu phá hoại do lực cắt của các cột hình bầu dục sử dụng 2 đai xoắn ốc Các cột được thiết kế với tiết diện tương tự như của Tanaka và Park (1994), với kích thước 40×60 cm Tuy nhiên các cột này được khảo sát khi chịu lực xô ngang và với các lực dọc thay đổi khác nhau Kết quả chỉ ra rằng, giá trị mô men lớn nhất của các cột này phụ thuộc nhiều vào giá trị của lực dọc

Năm 2002, cột hình bầu dục với 2 đai xoắn ốc đã được các nhà khoa học Nhật Bản áp dụng cho một công trình thực tế Trước đó, trong phòng thí nghiệm Igase và các cộng sự (2002) [8] đã tiến hành khảo sát khả năng làm việc của các cột hình bầu dục với 2 đai xoắn ốc với cột hình chữ nhật sử dụng đai thông thường Các cột được thiết kế với tiết diện và chiều cao như thực tế, tiết diện: 2,2 × 3,3 m

và 3,0 × 4,5 m, chiều cao: 7 m và 15 m Lưu ý rằng, hàm lượng thép đai xoắn ốc trong nghiên cứu này chỉ bằng 22-59% so với hàm lượng thép đai truyền thống Tương tự như các nghiên cứu trên, kết quả là mô men lớn nhất và khả năng chịu biến dạng của hai loại cột này là tương đương, tuy nhiên sử dụng đai xoắn ốc tiết kiệm được nhiều chi phí vật liệu và chi phí lắp dựng cốt thép

Các nghiên cứu trước mới chỉ tiến hành nghiên cứu sự làm việc của cột hình bầu dục theo phương cạnh dài (phương chịu uốn tốt nhất) mà chưa đề cập đến khả năng làm việc theo phương cạnh ngắn Wu và các cộng sự (2013) [16] đã tiến hành đánh giá khả năng chịu uốn của các cột này theo cả hai phương cạnh dài và cạnh ngắn Các cột hình bầu dục được thiết kế với kích thước hai phương là 60

cm và 87 cm, trong đó sử dụng cả 2 đai xoắn ốc và đai thông thường Hàm lượng thép đai xoắn ốc bằng 43% hàm lượng thép đai thông thường Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, mô men lớn nhất của các cột này gần như tương đương, nhưng khả

8

năng chịu biến dạng của các cột sử dụng đai xoắn ốc lớn hơn cột sử dụng đai thông thường

Khả năng chịu lực cắt của các cột hình bầu dục sử dụng 2 đai xoắn ốc được

đề cập trong nghiên cứu của Tanaka và Park (1994), khoảng cách phù hợp giữa hai vòng xoắn ốc cũng được Coreal và các cộng sự (2007) [6] đề xuất, trong khi

đó hàm lượng cốt thép của cột này cũng được đề cập trong nghiên cứu của Wu và các cộng sự (2013) [16] Trong các nghiên cứu trước, việc dự đoán mô men lớn nhất của các cột này chưa được nhiều tác giả quan tâm

Để các đai xoắn ốc dễ thi công và được áp dụng cho các trụ cầu hoặc cột có kích thước lớn, chúng cần được giảm kích thước và sử dụng máy xoắn đai tự động, cột có tiết diện hình bầu dục với 7 đai xoắn ốc được đề xuất bởi Ou và các cộng

sự [12-13] Các thí nghiệm chịu uốn và chịu lực cắt đều chỉ ra rằng, khả năng làm việc của các cột sử dụng 7 đai xoắn ốc là tương đương, thậm chí tốt hơn so với cột hình bầu dục sử dụng thép đai thông thường Lưu ý rằng, trong tất cả các trường hợp, hàm lượng thép đai của cột sử dụng đai xoắn ốc đều thấp hơn đáng

kể so với đai thông thường

Cột hình chữ nhật với 6 đai xoắn ốc (Hình 1.4a) được nghiên cứu đầu tiên bởi Wu và các cộng sự (2013) [16] Cột hình chữ nhật với thép đai thông thường được thiết kế làm mẫu đối chứng Trong đó, hàm lượng thép đai của cột 6 đai xoắn ốc chỉ bằng 59% so với cột sử dụng thép đai thông thường Kết quả thí nghiệm cho thấy, cột sử dụng 6 đai xoắn ốc có mô men lớn nhất cao hơn cột sử dụng thép đai thông thường Tương tự như vậy, Ou và các cộng sự [12] cũng đã chỉ ra rằng, mô men lớn nhất của cột hình chữ nhật sử dụng 11 đai xoắn ốc lớn hơn so với cột hình chữ nhật sử dụng thép đai thông thường Các kết quả này đặt

ra câu hỏi rằng, liệu áp dụng các tiêu chuẩn ACI-318-19, AASHTO 2014, Caltrans SDC 2019 để xác định mô men lớn nhất cho cột hình bầu dục và hình chữ nhật có đảm bảo độ an toàn

9

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu

Như đã đề cập ở trên, sử dụng thép đai xoắn ốc cho các cột hình bầu dục và hình chữ nhật không những giúp cải thiện khả năng chịu lực mà còn giúp tiết kiệm chi phí sản xuất Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là giá trị mô men của các cột này có

xu hướng cao hơn so với các cột sử dụng thép đai thông thường Trong khi đó, các tiêu chuẩn ACI-318-19, AASHTO 2014, Caltrans SDC 2019 đều đưa ra phương pháp dự đoán mô men lớn nhất chủ yếu cho cột sử dụng đai thông thường Chính vì vậy, việc sử dụng các tiêu chuẩn trên để dự đoán mô men lớn nhất cho các cột hình bầu dục và hình chữ nhật sử dụng đai xoắn ốc cần được xem xét và nghiên cứu

10

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN MÔ MEN LỚN NHẤT CỦA

CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

2.1 Theo tiêu chuẩn ACI-318-19

Tiêu chuẩn ACI-318-19 [1] sử dụng mối tương quan giữa mô men và lực dọc (P-M interaction) để xác định mô men lớn nhất của cột Theo phương pháp này, lớp bê tông bảo vệ và bê tông lõi được mô phỏng như vật liệu bê tông không

bị ép ngang (unconfined concrete) (Hình 2.1), đường quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được mô phỏng như Hình 2.2 với biến dạng cuối cùng là 0,12 Cường độ của bê tông được lấy với giá trị thiết kế (cường độ tiêu chuẩn), trong khi cường

độ của thép được lấy bằng 1,25 lần cường độ tiêu chuẩn Giá trị 1,25 lần này nhằm mục đích bù lại những yếu tố không được kể đến trong phương pháp này như: cường độ thực tế cao hơn cường độ tiêu chuẩn, ảnh hưởng của phần cường độ tăng cường sau khi thép vượt qua giới hạn chảy dẻo tiến đến giới hạn bền Trên Hình 2.1 ta thấy, biến dạng ứng với điểm đạt cường độ cao nhất của bê tông là 0,002, trong khi điểm biến dạng cuối cùng của bê tông là 0,003 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông được xây dựng dựa trên công thức của Mander

và các cộng sự [10] từ công thức (2.1) đến (2.11) Lưu ý rằng các công thức này dùng để mô tả quan hệ ứng suất – biến dạng cho bê tông bị ép ngang Đối với bê tông không bị ép ngang thì hệ số K=1

1

cc

f xr f

11

cc sec cc

f E

A k A

Trong đó: fc= cường độ chịu nén của bê tông; fcc= cường độ chịu nén của bê tông

bị ép ngang; c= biến dạng của bê tông; cc= biến dạng của bê tông tại điểm ứng với cường độ fcc; Ec= mô đun đàn hồi của bê tông; fl= lực ép ngang hiệu quả;

l

f = lực ép ngang từ thép đai; cc= hàm lượng thép dọc (%); f yh= giới hạn chảy của thép đai; s= hàm lượng thép đai (%); sm= biến dạng lớn nhất của thép dọc;

cu

 = biến dạng lớn nhất của bê tông bị ép ngang; Ae= diện tích hiệu quả của tiết

diện; Acc= tổng diện tích tiết diện

12

Hình 2.1 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông không bị ép ngang

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép dọc

Sử dụng phần mềm EXTRACT để mô phỏng tiết diện cột như Hình 2.3 Tiết diện cột bao gồm 2 lớp vật liệu: bê tông và thép dọc Kết quả phân tích mối quan

hệ giữa mô men và lực dọc được minh họa như Hình 2.4 Từ kết quả Hình 2.4, giá trị mô men lớn nhất được xác định tại điểm tương ứng với lực dọc thiết kế Lưu ý rằng, ảnh hưởng của thép đai, cường độ thực tế của bê tông và cốt thép không được đề cập trong phương pháp này Ưu điểm của phương pháp này là khá đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên, nhược điểm của nó là chưa phản ánh hết khả năng làm việc thực tế của các thành phần vật liệu cấu thành nên cột bê tông cốt thép Đơn giản như việc mô phỏng bê tông lớp bảo vệ và bê tông lõi như nhau là chưa phản ánh đúng khả năng làm việc thực tế của chúng

Hình 2.3 Mô phỏng tiết diện cột

13

Hình 2.4 Kết quả phân tích quan hệ mô men – lực dọc

2.2 Theo tiêu chuẩn AASHTO 2014

Phương pháp xác định mô men lớn nhất theo tiêu chuẩn AASHTO 2014 [2] cũng dựa trên kết quả phân tích quan hệ mô men – lực dọc tương tự như theo tiêu chuẩn ACI-318-19 Tuy nhiên, vật liệu thép được mô phỏng với giá trị là cường

độ tiêu chuẩn (Hình 2.5) Từ kết quả phân tích quan hệ mô men – lực dọc (tương

tự như Hình 2.4), giá trị mô men tương ứng với lực dọc thiết kế được gọi là mô men danh nghĩa (M n) Giá trị mô men lớn nhất được xác định bằng 1,3 lần giá trị

mô men danh nghĩa (Mmax  1,3M n) Chú ý rằng: mô men lớn nhất được được tính lớn hơn 30% so với giá trị mô men danh nghĩa, phần này để bù lại những yếu

tố chưa được tính đến như: ảnh hưởng của thép đai, cường độ vật liệu thực tế cao hơn giá trị tiêu chuẩn, ảnh hưởng của phần gia tăng cường độ của thép dọc sau khi vượt qua điểm chảy dẻo

Mặc dù phương pháp này cũng khá đơn giản tương tự như theo tiêu chuẩn ACI-318-19, tuy nhiên nó cũng chưa phản ánh được các điều kiện làm việc thực

tế của bê tông, cốt thép, ảnh hưởng của thép đai Đặc biệt là cả hai phương pháp (ACI-318-19 và AASHTO 2014) đều không thể hiện được sự khác nhau khi áp dụng cho cột sử dụng thép đai xoắn ốc và thép đai thông thường Trong khi đó, như đã đề cập ở các phần trước, giá trị mô men lớn nhất của cột sử dụng thép đai xoắn ốc có xu hướng cao hơn giá trị mô men lớn nhất của cột sử dụng thép đai thông thường