3 TỔNG QUAN VỀ VẾT NỨT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP .... Mô hình hóa hệ dầm sàn bê tông cốt thép chịu tác động do thay
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI -
( In hoa, cỡ chữ 14, font Times New Roman)
NGUYỄN TRUNG KIÊN KHÓA: 2015- 2017
( In hoa, cỡ chữ 14, font Times New Roman)
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NỨT KẾT CẤU DẦM SÀN
BÊ TÔNG CỐT THÉP DO TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ
MÔI TRƯỜNG
( In h6- 20, font Times New Roman)
Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số : 60.58.02.08
(in thường, cỡ chữ 14, font Times New Roman)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
( In thường, cỡ chữ 14, font Times New Roman)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS VŨ HOÀNG HIỆP
( In hoa, cỡ chữ 14, font Times New
Hà Nội - 2017
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS Vũ Hoàng Hiệp, thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn khoa học
và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Khoa Sau Đại Học cùng các thầy cô giáo, những người đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập
Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp
đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trang 4Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh sách các hình vẽ, đồ thị
Danh sách các bảng biểu
Trang MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 3
TỔNG QUAN VỀ VẾT NỨT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3
1.1 Các nguyên nhân gây ra nứt kết cấu 3
1.1.1. Nguyên nhân do tác động của thay đổi nhiệt độ môi trường 4
1.1.2. Nguyên nhân về nền móng 5
1.1.3. Nguyên nhân do tác động của tải trọng 5
1.1.4. Nguyên nhân do vật liệu bê tông 6
1.1.5. Nguyên nhân do thi công bê tông 7
1.1.6. Nguyên nhân do thi công lắp dựng cốt thép 7
1.2 Cơ chế tác động và ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hình thành và phát triển vết nứt 8
1.2.1. Cơ chế tác động của nhiệt độ đến sự hình thành vết nứt 8
1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của bê tông 9
1.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của cốt thép 15
1.2.4. Tương tác giữa bê tông và cốt thép ở điều kiện thường 18
1.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc đồng thời của kết cấu BTCT 19
1.3 Các yêu cầu , tiêu chuẩn tính toán đến sự hình thành và mở rộng vết nứt 22 1.3.1. Theo TCVN 5574-2012 22
1.3.2. Theo tiêu chuẩn BS-8110 24
Trang 51.3.4. Theo tiêu chuẩn EUROCODE 1992-1-1 24
1.4 Các sự cố nứt , hư hỏng công trình do ảnh hưởng của nhiệt độ 25
1.5 Các giải pháp kết cấu nhằm hạn chế sự hình thành và phát triển vết nứt 27 1.5.1. Giải pháp hạn chế vết nứt dưới sự thay đổi nhiệt độ trong điều kiện khí hậu nóng ẩm 27
1.5.2. Giải pháp hạn chế vết nứt do tải trọng , thi công và vật liệu 28
1.5.3.Một số giải pháp xử lý vết nứt trong quá trình sử dụng 29
1.6 Nhiệm vụ của luận văn 31
CHƯƠNG 2 32
CƠ SỞ KHOA HỌC THIẾT KẾ KẾT CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG 32
2.1 Thông số về nhiệt độ tác động đến hệ kết cấu công trình 32
2.2 Các nguyên tắc và giả thiết tính toán kết cấu chịu tác động của nhiệt độ 37
2.2.1. Nguyên tắc tính toán 37
2.2.2. Giả thiết tính toán 38
2.3 Phương pháp tính toán nội lực kết cấu chịu tác động của nhiệt độ 39
2.3.1. Phương pháp cơ học kết cấu 39
2.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn 39
2.4 Lý thuyết về tác động nhiệt trong kết cấu 42
2.5 Phân tích một số giải pháp kết cấu dầm sàn để hạn chế tác động do thay đổi nhiệt độ môi trường 45
2.5.1. Giải pháp sử dụng khe co giãn 45
2.5.2. Giải pháp thay đổi độ cứng của hệ kết cấu 47
2.5.3 . Giải pháp sử dụng sàn ứng lực trước 47
2.5.4. Giải pháp sử dụng dải bê tông đổ sau 48
2.6 Mô hình hóa hệ dầm sàn bê tông cốt thép chịu tác động do thay đổi nhiệt độ môi trường theo phương pháp phần tử hữu hạn 49
2.6.1. Cách xác định các loại tải trọng tác dụng lên công trình 49
Trang 62.6.3. Đề xuất qui trình tính toán nội lực hệ kết cấu chịu tác động do thay đổi nhiệt độ môi trường bằng phần mềm SAP2000 ver16 51
CHƯƠNG 3 56
KHẢO SÁT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KẾT CẤU NHẰM HẠN CHẾ NỨT KẾT CẤU DẦM SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP DO TÁC ĐỘNG CỦA THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG 56
3.1 Các thông số tính toán ban đầu 57
3.2 Phân tích, so sánh các tổ hợp tải trọng có kể đến tác động do thay đổi nhiệt độ và các tổ hợp tải trọng thông thường đối với hệ dầm sàn bê tông cốt thép 60 3.2.1. Đối với hệ dầm khung bê tông cốt thép 60
3.2.2. Đối với hệ sàn bê tông cốt thép 63
3.3 Giải pháp thay đổi chiều dày sàn sườn toàn khối 65
3.4 Giải pháp sử dụng khe co giãn 71
3.5 Giải pháp thay đổi mạng dầm sàn sườn toàn khối 76
3.6 Giải pháp sử dụng sàn không dầm ứng suất trước 82
3.6.1. Các thông số ban đầu 83
3.6.2. Xác định nội lực - Sơ đồ các dải tính toán 84
3.6.3. Tính toán tổn hao ứng suất 84
3.6.4. Tính thép ứng lực trước cho sàn 87
3.6.5. Tính toán tiết diện theo trạng thái giới hạn 2 về sự hình thành vết nứt 89
3.7 Kiểm soát kết quả phân tích kết cấu 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 7
DANH S¸CH H×NH VÏ
Hình 1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cường độ chịu kéo của bê tông 10 Hình 1.2 Tỷ lệ giữa giá trị cường độ độ nén đặc trưng ở nhiệt độ so
với nhiệt độ 20°C
11
Hình 1.3 Thay đổi về mô đun đàn hồi của bê tông theo nhiệt độ 11 Hình 1.4 Tổng biến dạng nhiệt của bê tông theo nhiệt độ 12 Hình 1.5 Thay đổi về nhiệt dung riêng của bê tông cốt liệu silic theo
nhiệt độ
13
Hình 1.6 Thay đổi về hệ số dẫn nhiệt của bê tông theo nhiệt độ 13 Hình 1.7 Độ dẫn nhiệt của các loại bê tông khác nhau như hàm của
nhiệt độ
14
Hình 1.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khối lượng riêng của bê tông 15 Hình 1.9 Tỷ lệ giữa giá trị cường độ chịu kéo của một số loại cốt thép
ở nhiệt độ cao so với ở nhiệt độ 20 °C
16
Hình 1.10 Tỷ lệ giữa giá trị cường độ chịu kéo của một số loại cốt thép
ULT ở nhiệt độ cao so với ở nhiệt độ 20 °C
16
Hình 1.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mô đun đàn hồi của thép 16 Hình 1.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hệ số dẫn nhiệt của thép 17
Hình 1.13 Tổng biến dạng nhiệt của cốt thép theo nhiệt độ 17 Hình 1.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới nhiệt dung riêng của cốt thép 18 Hình 1.15 Phương pháp I : (hình trái) Pha đốt nóng mẫu ; (hình phải)
Pha chất tải
20
Hình 1.16 Phương pháp II : (hình trái) Đốt nóng mẫu ở cấp tải trọng
không đổi ;(hình phải) Biến dạng trượt giữa bê tông và cốt
thép khi nhiệt độ tăng
20
Hình 1.17 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu tác động của nhiệt độ đến kết 21
Trang 8dính giữa bê tông và cốt thép (Diederichs)
Hình 1.18 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực dính bám giữa bê tông và
thép theo phương pháp thí nghiệm I: (trái) thép gai; (phải) thép tròn trơn (Diederichs)
21
Hình 1.19 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực dính bám giữa bê tông và
thép theo phương pháp thí nghiệm II: (trái) thép gai; (phải) thép tròn trơn (Diederichs)
22
Hình 2.1 Biểu đồ của các thành phần cấu thành của một thông số nhiệt
độ
34
Hình 2.2 Nhiệt độ bên trong T ín và bên ngoài T out 35 Hình 2.3 Năng lượng mặt trời hiệu ứng bức xạ T 3 , T 4 , T 5 và các định
hướng xây dựng khác nhau
37 Hình 2.4 Mô hình vật liệu của phần tử cốt thép 38
Hình 2.8 Chức năng khai báo các đặc trưng vật liệu bê tông trong
SAP2000
52
Hình 2.9 Chức năng khai báo các đặc trưng vật liệu cốt thép trong
SAP2000
52
Hình 2.10 Chức năng khai báo các loại tải trọng trong SAP2000 53 Hình 2.11 Chức năng khai báo tác động của nhiệt độ cho phần tử thanh
trong SAP2000
53
Hình 2.12 Chức năng khai báo tác động của nhiệt độ cho phần tử tấm
trong SAP2000
54
Hình 2.13 Chức năng khai báo tải trọng nhiệt độ ban đầu cho phần tử
tấm trong SAP2000
54
Hình 2.14 Chức năng khai báo tải trọng nhiệt độ ban đầu cho phần tử
thanh trong SAP2000
55
Trang 9Hình 3.1 Mô hình không gian 3D 57
Hình 3.3 Mô hình khung bê tông cốt thép trong phần mềm SAP2000 60 Hình 3.4 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M3 dẩm tầng mái của
combo ENVE max
61
Hình 3.5 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M3 dẩm tầng mái của
combo ENVE min
61
Hình 3.6 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M3 dẩm tầng 2 của combo
ENVE max
61
Hình 3.7 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M3 dẩm tầng 2 của combo
ENVE min
62
Hình 3.8 Mô hình sàn bê tông cốt thép trong phần mềm SAP2000 63 Hình 3.9 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M 11 và M 22 trong sàn tầng
mái của combo ENVE max
63
Hình 3.10 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M 11 và M 22 trong sàn tầng
mái của combo ENVE min
64
Hình 3.11 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M 11 và M 22 trong sàn tầng 2
của combo ENVE max
64
Hình 3.12 Biểu đồ so sánh giá trị momen uốn M 11 và M 22 trong sàn tầng 2
của combo ENVE min
64
Hình 3.13 Mặt bằng kết cấu công trình khi đặt khe dãn 72 Hình 3.14 Mặt bằng kết cấu công trình khi bố trí thêm hệ dầm phụ 77 Hình 3.15 Mặt bằng kết cấu công trình phương án sàn ứng suất trước 84
Trang 10Danh s¸ch c¸c b¶ng biÓu
Bảng 2 Các giá trị nhiệt độ T out cho phần cấu trúc trên mặt đất 36 Bảng 3 Các giá trị nhiệt độ T out cho phần cấu trúc dưới mặt đất 36 Bảng 4 Khoảng cách các khe co giãn nhiệt ẩm cho kết cấu BTCT 47 Bảng 5 Bảng tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn ACI 318-02 50 Bảng 6 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE không kể đến tác động
nhiệt độ phương án sàn dày 10cm
65
Bảng 7 So sánh giá trị M crc và M t phương án sàn dày 10cm 65 Bảng 8 Giá trị bề rộng vết nứt thẳng góc a cr phương án sàn dày 10cm 66 Bảng 9 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE không kể đến tác động
nhiệt độ phương án sàn dày 12cm
66
Bảng 10 So sánh giá trị M crc và M t phương án sàn dày 12cm 67 Bảng 11 Giá trị bề rộng vết nứt thẳng góc a cr phương án sàn dày 12cm 67 Bảng 12 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE không kể đến tác động
nhiệt độ phương án sàn dày 14cm
67
Bảng 13 So sánh giá trị M crc và M t phương án sàn dày 14cm 68 Bảng 14 Giá trị bề rộng vết nứt thẳng góc a cr phương án sàn dày 14cm 68 Bảng 15 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE phương án sàn dày
10cm kể đến ảnh hưởng do tác động của nhiệt độ
68
Bảng 16 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE phương án sàn dày
12cm kể đến ảnh hưởng do tác động của nhiệt độ
69
Bảng 17 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE phương án sàn dày
14cm kể đến ảnh hưởng do tác động của nhiệt độ
69
Bảng 18 Giá trị momen lớn nhất thay đổi trong tổ hợp có nhiệt độ và tổ
hợp không có nhiệt độ
69
Bảng 19 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE không kể đến tác động 72
Trang 11của nhiệt độ phương án sàn dày 12cm chưa bố trí khe giãn
Bảng 20 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE không kể đến tác động
của nhiệt độ phương án sàn dày 12cm có bố trí khe giãn
73
Bảng 21 Momen nội lực sàn theo tổ hợp ENVE có kể đến tác động của
nhiệt độ phương án sàn dày 12cm có bố trí khe giãn
74
Bảng 22 So sánh giá trị M crc và M t sàn dày 12cm có bố trí khe giãn 74 Bảng 23 Giá trị bề rộng vết nứt thẳng góc a cr phương án sàn dày 12cm
có bố trí khe giãn
74
Bảng 24 Giá trị momen lớn nhất thay đổi trong tổ hợp có nhiệt độ và tổ
hợp không có nhiệt độ khi bố trí khe giãn
75
Bảng 25 Giá trị nội lực không kể đến tác động của nhiệt độ dầm khung
trục 1,3,5,8 khi chưa bố trí hệ dầm phụ
77
Bảng 26 Giá trị nội lực không kể đến tác động của nhiệt độ dầm khung
trục 1,3,5,8 khi bố trí hệ dầm phụ
78
Bảng 27 Giá trị nội lực dầm khung trục 1,3,5,8 kể đến tác động của
nhiệt độ khi chưa bố trí hệ dầm phụ
79
Bảng 28 Giá trị bề rộng khe nứt a crc của dầm khung trục 1,3,5,8 khi
chưa bố trí hệ dầm phụ
79
Bảng 29 Giá trị nội lực dầm khung trục 1,3,5,8 kể đến tác động của
nhiệt độ khi bố trí hệ dầm phụ
80
Bảng 30 Giá trị bề rộng khe nứt a crc của dầm khung trục 1,3,5,8 khi bố
trí hệ dầm phụ
80
Bảng 31 Giá trị nội lực dầm khung trục 1,3,5,8 thay đổi khi không bố
trí hệ dầm phụ trong tổ hợp có nhiệt độ và tổ hợp không có
nhiệt độ
81
Bảng 32 Giá trị nội lực dầm khung trục 1,3,5,8 thay đổi khi bố trí hệ
dầm phụ trong tổ hợp có nhiệt độ và tổ hợp không có nhiệt độ
81
Trang 12Bảng 33 Giá trị bề rộng vết nứt thay đổi trong dầm giữa phương án bố
trí hệ dầm phụ và không bố trí hệ dầm phụ
82
Trang 131
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Hiện tượng nứt kết cấu BTCT đặc biệt đối với các kết cấu cao tầng thường gây lo ngại cho chủ đầu tư và người sử dụng công trình mặc dù khi tính toán khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn, các lý thuyết tính toán ở cả phương Đông
và phương Tây thường bỏ qua sự làm việc của bê tông ở vùng chịu kéo, chỉ xét đến
sự làm việc của cốt thép chịu lực. Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam và Tiêu chuẩn kết cấu bê tông TCVN 5574:2012 đều quy định giới hạn bề rộng khe nứt khi tính toán kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn 2. Song thực tế tính toán thiết kế hiện nay thường bỏ qua bước tính toán kiểm tra sự hình thành vế nứt và bề rộng khe nứt của kết cấu/cấu kiện. Khi các vết nứt ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu, hay làm giảm độ bền lâu của kết cấu, cần thiết phải xử lý hay gia cường để tránh xảy ra sự
cố công trình Ngược lại, trong nhiều trường hợp hiện tượng nứt kết cấu có thể chấp nhận được mà không đòi hỏi xử lý hay gia cường bổ sung nào do kết quả tính toán kiểm tra khả năng chịu lực thực tế của kết cấu hoặc kết quả thí nghiệm thử tải kết cấu cho thấy kết cấu đảm bảo các yêu cầu chịu lực theo thiết kế. Vì vậy, việc xét đến ảnh hưởng của nứt trong tính toán thiết kế kết cấu là cần thiết nhằm tránh các
sự cố nảy sinh do nứt kết cấu hoặc có thể tránh được việc xử lý kết cấu không cần thiết khi phát hiện thấy hiện tượng nứt nhưng nằm trong giới hạn cho phép của quy chuẩn, tiêu chuẩn. Mặt khác, các quy định về chiều dài khối nhiệt độ không cần tính toán tác động nhiệt độ môi trường trong TCVN 5574:2012 có nguồn gốc từ tài liệu, tiêu chuẩn nước ngoài, nơi có điều kiện tự nhiên, vật liệu, hình thức kết cấu không hoàn toàn giống như Việt Nam, điều đó cũng cần có sự khảo sát, đánh giá kỹ cả về
lý thuyết và thực nghiệm.
Hai vấn đề nứt liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu BTCT cao tầng là:
- Tính năng sử dụng (bao gồm bề rộng khe nứt lớn nhất, mật độ vết nứt và sự
ăn mòn cốt thép )
- Ảnh hưởng của nứt đến sự suy giảm độ cứng kết cấu/cấu kiện.
Trang 14
2
Nứt trong các kết cấu/cấu kiện BTCT thường được xếp loại theo nguyên nhân gây nứt:
1- Các vết nứt do uốn ở dầm/sàn bê tông cốt thép
2- Các vết nứt xiên do uốn - cắt
3- Các vết nứt tách dọc theo cốt thép chủ ở dầm
4- Các vết nứt do nhiệt độ và co ngót
5- Các vết nứt do lún gây ra
Nhiều nghiên cứu đã thống nhất rằng, có thể có một số đặc điểm giống nhau trong cơ chế hình thành các vết nứt ở các kết cấu/cấu kiện, nhưng các nghiên cứu về
sự bắt đầu và phát triển của các vết nứt chưa thực sự thoả mãn yêu cầu của tính toán thiết kế.
Ở đây luận văn chủ yếu tập trung đến các vấn đề nứt ở các hệ kết cấu dầm sàn BTCT thường do nhiệt độ môi trường gây ra và các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường. Có hai vấn đề nứt kết cấu, bao gồm tính năng sử dụng và sự suy giảm độ cứng kết cấu. Bề rộng khe nứt lớn nhất và mật
độ vết nứt liên quan đến tính năng sử dụng (vì sự xuất hiện vết nứt gây cảm giác khó chịu và bất an đối với người sử dụng công trình và khả năng ăn mòn cốt thép chịu lực ảnh hưởng đến độ bền lâu của kết cấu/cấu kiện). Sự suy giảm độ cứng của kết cấu/cấu kiện do bị nứt ít khi được xét đến khi phân tích nội lực và biến dạng kết cấu.
Từ những phân tích nêu trên : Đề tài “Nghiên cứu giải pháp hạn chế nứt
kết cấu dầm sàn bê tông cốt thép do tác động của nhiệt độ môi trường ” có tính
cấp thiết và tính thực tiễn cao. Trong giới hạn phạm vi nghiên cứu các giải pháp hạn chế nứt do tác động của nhiệt môi trường đối với kết cấu BTCT toàn khối thì luận văn tập trung nghiên cứu các giải pháp về thiết kế kết cấu còn các giải pháp về vật liệu và thi công sẽ chưa đề cập đến trong nội dung của luận văn .