Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGÔ QUANG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU... Chính vì

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGÔ QUANG TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN KẾT CẤU

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS PHAN QUANG MINH

Phản biện 1: PGS.TS TRƯƠNG HOÀI CHÍNH

Phản biện 2: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 11 tháng 03 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại

học Bách Khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp – Đại học Bách Khoa- ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, để phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người, các công trình nhà nhiều tầng đã và đang mọc lên tại khắp các đô thị trong cả nước

Với các công năng khác nhau, có thể là chung cư, khách sạn, văn phòng cho thuê… hoặc là những công trình phức hợp, đáp ứng nhiều yêu cầu công năng Nhà nhiều tầng góp phần giải quyết nhu cầu về nơi làm việc, chỗ ở, khu vui chơi, mua sắm và tiết kiệm diện tích đất quý giá, nhất là ở các thành phố lớn, nơi quỹ đất rất hạn chế Các tòa nhà nhiều tầng còn góp phần tạo kiến trúc cảnh quan, là điểm nhấn của thành phố, góp phần thể hiện thành phố văn minh, giàu đẹp Tuy nhiên, trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn TCVN 9386:2012, tỷ số nén của cột không được vượt quá 0.65 Điều đó làm tăng đáng kể kích thước của cột, gây tốn kém trong xây dựng và khó khăn trong thiết kế giải pháp kiến trúc

Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ

số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng” là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xét ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép (BTCT) trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng Qua

đó đề xuất giảm tiết diện cột hợp lý khi xét đến yêu cầu đảm bảo tỉ số nén trong thiết kế kháng chấn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Cột BTCT

+ Tỷ số nén của cột BTCT trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng của cốt đai đến

tỷ số nén của cột BTCT trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng.Đối tượng nghiên cứu: Nút khung có xuất hiện vết nứt

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kháng chấn và sự làm việc nhiều trục của bê tông (hạn chế nở hông)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Về ý nghĩa khoa học: Xét đến sự làm việc của bê tông cột khi

bị hạn chế nở hông trong thiết kế kháng chấn kết cấu nhà nhiều tầng

- Về ý nghĩa thực tiễn: Thông qua việc giảm tỷ số nén của cột BTCT có thể làm giảm kích thước tiết diện của cột BTCT

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG ĐẤT

1.1.1 Định nghĩa và phân loại

Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn

do sự nứt rạn đột ngột trong phần vỏ hoặc trong phần áo của quả đất

1.1.2 Thang đo động đất

a Thang cường độ động đất (Earthquake Intensity)

Thang cường độ động đất được dùng để đánh giá sức mạnh động đất theo cách định tính Có nhiều thang cường độ động đất khác nhau Chúng được lập ra trên cơ sở các mức độ bị phá hoại của công trình xây dựng lẫn bề mặt đất và phản ứng của con người khi chịu các chấn động động đất Chính vì thế các thang cường độ động đất mang yếu tố chủ quan, phụ thuộc vào tính chất của môi trường tự nhiên, chất lượng xây dựng công trình, mật độ dân cư, mức độ quen thuộc của con người đối với tác động động đất

Cấp I Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới

ghi nhận được

Cấp động đất nhẹ, không gây ảnh hưởng lớn Cấp II

Động đất ít cảm nhận (Rất nhẹ) Trong

trường hợp riêng lẻ, chỉ có người nào đang

ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được

Cấp

động đất Hậu quả tác động động đất

Cường

độ động đất

Cấp III

Động đất yếu Ít người nhận biết được động

đất Chấn động được tạo ra như bởi xe ô tô

vận tải nhẹ chạy qua

đến nhà

và công trình

Cấp IV

Động đất nhận thấy rõ Nhiều người nhận

biết được động đất, cửa kính có thể kêu lạch

Hư hại nhà cửa Đa số người sợ hãi, nhiều

người khó đứng vững, nứt lớp vữa, tường bị

rạn nứt

Cấp động đất mạnh.Cần được xét đến trong thiết kế công trình

Cấp VIII Phá hoại nhà cửa Tường nhà bị nứt lớn,

mái hiên và ống khói bị rơi

Cấp IX Phá hoại hoàn toàn nhà cửa Nhiều nhà bị

sụp đổ, nền đất có thể nứt rộng đến 10cm

Cấp X Phá hoại hoàn toàn nhà cửa Nhiều nhà bị

sụp đổ, nền đất có thể nứt rộng đến 1m

Cấp động đất có mức độ hủy diệt

Cấp XI

Động đất gây thảm họa Nhà, cầu, đập nước

và đường sắt bị hư hại nặng, mặt đất bị biến

dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi

Cấp XII

Thay đổi địa hình Phá hủy mọi công trình ở

trên và dưới mặt đất, thay đổi địa hình trên

diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn

thấy mặt đất nổi sóng

b Thang độ lớn động đất (Earthquake Magnitude)

Thang độ lớn động đất là thang đánh giá định lượng quy mô động đất và độ lớn nứt gãy, dựa trên biên độ lớn nhất của các sóng khối hoặc sóng mặt Do vậy thang độ lớn động đất là một thang đánh giá khách quan và định lượng theo các số liệu đo

kể

Khoảng 8000 lần mỗi ngày

2.0 - 2.9 Thường không cảm nhận nhưng

đo được

Thật nhỏ

Khoảng 1000 lần mỗi ngày

3.0 - 3.9 Cảm nhận được nhưng ít khi

Khoảng 49000 lần mỗi năm

4.0 – 4.9 Rung chuyển đồ vật trong nhà

Thiệt hại khá nghiêm trọng Nhẹ

Khoảng 6200 lần mỗi năm

5.0 – 5.9

Có thể gây thiệt hại nặng cho

những công trình không theo

tiêu chuẩn kháng chấn Thiệt hại

nhẹ cho những công trình tuân

theo tiêu chuẩn kháng chấn

Trung bình

Khoảng 800 lần mỗi năm

6.0 – 6.9

Có sức tiêu hủy mạnh trong

những vùng đông dân trong chu

Khoảng 18 lần mỗi năm

Khoảng 1 lần mỗi năm

9.0 – 9.9 Sức tàn phá vô cùng lớn

Cực

kỳ mạnh

Khoảng 20 lần mỗi năm

> 10 Gây ra hậu quả khủng khiếp cho

trái đất

Kinh hoàng Cực hiếm

1.2 TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT

1.3 QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI TRONG THIẾT KẾ CHỊU ĐỘNG ĐẤT

1.3.1 Quan niệm thiết kế công trình chịu động đất

Hình 1.13 Các quan niệm mới và quan niệm cũ trong thiết kế công

trình chịu động đất

1.3.2 Các tiêu chí cần tuân theo

1.4.1 Phân loại các phương pháp tính toán

Hình 1.14 Các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất

1.4.2 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

a Phạm vi áp dụng

b Lực cắt đáy

c Phân bố lực động đất nằm ngang

d Vị trí tác động của tải trọng động đất theo phương ngang

và giá trị momen xoắn

1.4.3 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động

1.5.2 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo trung bình

a Vật liệu và kích thước hình học của cột

b Hệ quả tác động thiết kế với cột

c Kiểm tra và cấu tạo cột theo trạng thái giới hạn

1.5.3 Thiết kế cho trường hợp cấp dẻo cao

a Vật liệu và kích thước hình học của cột

b Hệ quả tác động thiết kế với cột

c Kiểm tra và cấu tạo cột theo trạng thái giới hạn

1.5.4 Các yêu cầu về neo và mối nối trong thiết kế kháng chấn

bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng con người và tài sản, của cải vật chất xã hội Với cách thức thiết kế theo quan niệm mới, cho phép hạn chế được hư hỏng ở công trình khi chịu các trận động đất trung bình và có các chuyển vị không đàn hồi lớn nhưng không bị sụp đổ khi chịu các trận động đất mạnh và rất mạnh

Ngoài ra, các biện pháp tính toán kết cấu chịu động đất cũng được nêu lên sơ lược Căn cứ theo tính chất của tác động động đất lên công trình và các đặc tính của hệ kết cấu chịu lực của công trình xây dựng, ta có bốn nhóm phương pháp tính toán (tĩnh tuyến tính, động tuyến tính, tĩnh phi tuyến và động phi tuyến); giới thiệu một số phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất

Đối với công trình chịu động đất, khi thiết kế cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn theo EN 1992-1-1, tùy vào cấp dẻo của kết cấu là cấp dẻo thấp, cấp dẻo trung bình, cấp dẻo cao thì các yêu cầu về vật liệu, kích thước hình học, hệ quả tác động thiết kế, kiểm tra và cấu tạo theo trạng thái giới hạn của cột cũng có sự khác biệt Ngoài ra trong thiết kế công trình kháng chấn cần phải tuân cũng như các yêu cầu về neo và mối nối như đã trình bày ở trên

2.1.1 Cường độ nén của bê tông

Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1992-1-1:2004 cường độ chịu nén của bê tông được biểu thị bằng cấp độ bền của bê tông Cấp độ bền được dựa trên cường độ đặc trưng fck của mẫu trụ hoặc khối vuông fck, cube ở 28 ngày tuổi với giá trị lớn nhất là C90/105

Một số yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông gồm:

- Chất lượng và lượng xi măng;

- Độ cứng, độ sạch và tỉ lệ thành phần cốt liệu;

- Tỉ lệ nước - xi măng;

- Chất lượng của việc nhào, trộn vữa bê tông, độ đầm chắc của

bê tông khi đổ khuôn và điều kiện bảo dưỡng

2.1.2 Khái niệm về bó bê tông

Khi thành phần kết cấu bê tông chịu tải trọng nén lớn, bê tông có khuynh hướng nở ngang theo các phương vuông góc với phương tác động lực Trong các cốt đai, thép giằng hình thành các ứng suất kéo,

và do đó tạo nên một ứng suất nén bù trong vùng bê tông bị ép ngang Trạng thái ứng suất nén ba phương hình thành trong vùng bê tông bị ép ngang gây ra do cốt đai thép giằng làm tăng cường độ và tính dẻo của kết cấu BTCT Phần bê tông chịu ảnh hưởng có lợi này của cốt thép ngang được gọi là phần bê tông bị bó Áp lực bó hoặc áp lực cản trở biến dạng ngang của bê tông tỷ lệ thuận với ứng suất kéo trong cốt thép đai và gia tăng cùng với biến dạng nở ngang của bê tông Hiện tượng bó này có thể được xem là thụ động, bởi vì khi bê

tông không bị nở ngang thì trong cốt thép đai sẽ không tồn tại bất kì ứng suất nào

Các thông số ảnh hưởng đến bó bê tông cốt thép là:

- Hàm lượng cốt thép ngang (w);

- Cường độ chảy của thép đai (fyw);

- Cường độ chịu nén của bê tông (fc);

- Khoảng cách giữa các lớp cốt đai (s);

- Cách thức cấu tạo cốt đai;

- Cốt thép dọc

2.1.3 Bê tông hạn chế nở hông theo Tiêu chuẩn 1-2004

EN1992-1-2.1.4 Mô hình Mander về quan hệ (-) của bê tông bị bó

Hình 2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông hạn chế nở ngang và không hạn chế ngang trong trường hợp bị nén

2.2 KHÁI NIỆM TỈ SỐ NÉN CỦA CỘT THEO TCVN 9386:2012

Theo TCVN 9386:2012 tỉ số nén của cột hay còn được gọi là lực dọc thiết kế quy đổi  được xác định theo công thức:

.

ed d

N

A f

  (2.15) (2.2.1) Tùy vào cấp dẻo của kết cấu:

+ Đối với thiết kế cho trường hợp cấp dẻo trung bình: Trong các

cột kháng chấn chính, giá trị của lực dọc thiết kế quy đổi d không được

vượt quá 0,65

+ Đối với thiết kế cho trường hợp cấp dẻo cao: Trong các cột

kháng chấn chính, giá trị của lực dọc thiết kế quy đổi d không được

vượt quá 0,55

2.3 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TỶ SỐ NÉN

2.3.1 Lựa chọn tiết diện hợp lí

2.3.2 Lựa chọn cường độ nén bê tông hợp lí

2.3.3 Ảnh hưởng của cốt đai đến hạn chế tỉ số nén

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Trong Chương 2 này, tác giả đã trình bày khái niệm bó của bê

tông, các thông số ảnh hưởng đến bó bê tông cốt thép, mô hình

Mander về quan hệ (-) của bê tông hạn chế nở ngang

Các khái niệm, công thức tính toán của tỉ số nén cột bê tông

cốt thép trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng cũng được tổng

hợp và phân tích Tùy vào thiết kế cho từng trường hợp cấp dẻo mà

giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d được tính toán trong cột kháng chấn

chính không được vượt quá 0.65 cho trường hợp cấp dẻo trung bình và

không được vượt quá 0,55 vói trường hợp thiết kế cấp dẻo cao

Các giải pháp hạn chế tỉ số nén cũng được đề xuất: cần phải

lựa chọn cường độ nén bê tông, tiết diện cột phù hợp, sao cho vừa

thỏa mãn điều kiện hạn chế tỉ số nén, vừa dung hòa các yêu cầu về

kiến trúc, kết cấu lại vừa tính kinh tế Ngoài ra, việc xét đến ảnh

hưởng của cốt đai cũng góp phần hạn chế tỉ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng

Từ lý thuyết trong chương 2, tác giả áp dụng các cho các ví dụ tính toán, qua đó khảo sát tỷ số nén của cột bê tông cốt thép có xét đến ảnh hưởng của cốt đai

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ KHÁNG

CHẤN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG

Từ lý thuyết trong Chương 2, để xét đến ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng Tác giả tiến hành lựa chọn hai loại mô hình tiết diện cột

để tính toán:

- Tiết diện cột vuông BTCT có kích thước 1mx1m;

- Tiết diện cột tròn BTCT có đường kính 1m

Sau đó tiến hành tính toán các bước chính sau:

- Bước 1: Tính toán tỉ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng

bó của bê tông;

- Bước 2: Tính toán tỉ số nén của cột khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông;

- Bước 3: Thay đổi các thông số thép đai, thông qua việc xét đến hiệu ứng bó của bê tông, tính toán khảo sát sự thay đổi tỉ số nén của cột;

- Bước 4: Sau khi giữ nguyên tỉ số nén ở mức hạn chế, không vượt quá 0,65 đối với cấp dẻo trung bình, xét đến hiệu ứng bó của bê tông, tiến hành thay đổi các thông số cốt đai qua đó lựa chọn lại tiết diện cột

Từ các kết quả tính toán được, tiến hành vẽ biểu đồ so sánh, đưa ra kết luận ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột bê tông cốt thép trong thiết kế kháng chấn nhà nhiều tầng

3.1 KHẢO SÁT TỶ SỐ NÉN CỦA CỘT BTCT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI CHO TRƯỜNG HỢP CỘT VUÔNG KÍCH THƯỚC 1mx1m

3.1.1 Mô hình phân tích

Xét cột bê tông cốt thép kích thước 1mx1m chịu tác dụng của

tải trọng thẳng đứng: N=1895.104(N) Cột được làm bằng bê tông cấp

độ bền C35/45 có cường độ đặc trưng fck=35(MPa); sử dụng cốt thép đai, cốt thép giằng nhóm B có fyh=400(MPa), đường kính bằng 10mm, khoảng cách cốt đai 150mm

Hình 3.1 Hình vẽ chi tiết mặt cắt cột vuông kích thước 1mx1m

3.1.2 Tính toán tỷ số nén của cột khi chưa kể đến hiệu ứng

bó của bê tông

Lúc này xem biến dạng tương đối của bê tông chưa vượt quá 0,0035 Nên có thể xem toàn bộ diện tích mặt cắt ngang của tiết diện cột tham gia chịu lực nén

Giá trị lực dọc thiết kế quy đổi:

ngoài cốt đai không tham gia chịu lực Tính toán cường độ chịu nén đặc trưng fck,c của bê tông khi xuất hiện hiệu ứng bó cột

Qua tính toán, giá trị lực dọc thiết kế quy đổi d,c khi kể đến hiệu ứng bó cột không cải thiện được nhiều 0,61 so với 0,65 (giảm 6,15%)

3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của cốt đai đến tỷ số nén của cột BTCT hình vuông 1mx1m khi xét đến hiệu ứng bó bê tông

a Điều chỉnh thông số thép đai

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp thông số thép đai điều chỉnh

b Khảo sát giá trị tỉ số nén cột vuông BTCT khi kể đến hiệu ứng bó của bê tông

Khảo sát với mô hình phân tích ở (Mục 3.1.1), xét tiết diện cột không đổi kích thước 1mx1m Thay đổi các thông số thép đai, thông qua việc xét đến hiệu ứng bó của bê tông, tính toán khảo sát sự thay đổi tỉ số nén của cột Qua tính toán, ta được kết quả tổng hợp ở (Bảng 3.8) và (Hình 3.6) như sau:

Bảng 3.8 Bảng tổng hợp so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông

số cốt đai đến tỉ số nén cột BTCT vuông kích thước 1mx1m

Trường hợp 2 (d10, n x =n y =11)

Trường hợp 1 (d12, n x =n y =6)

% Tỉ số nén giảm xuống khi xét đến hiệu ứng bó bê

tông (ν d,c so với ν d ) Bước cốt

đai (mm)

Hình 3.6 Biểu đồ so sánh sự ảnh hưởng khi thay đổi các thông số cốt

đai đến tỉ số nén BTCT vuông kích thước 1mx1m