Ứng dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao bê tông ứng lực trước.PDF

Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán dầm cao dự ứng lực trước bằng phương pháp mô hình giàn ảo là cần thiết để đưa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc của kết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

NGUYỄN GIA TUYẾN

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH HÙNG

Phản biện 2: TS TRẦN ANH THIỆN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày

30 tháng 03 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và Công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thiết kế, tính toán dầm thông thường thì giả thiết Bernulli

là một giả thiết quan trọng Tuy nhiên giả thiết này không còn chính xác với các dầm cao do phân phối biến dạng trong dầm cao là phi tuyến Do đó phương pháp tính toán như dầm thông thường không còn phù hợp đối với tính toán dầm cao, cần một phương pháp khác

Và một phương pháp được áp dụng thiết kế, tính toán dầm cao là phương pháp mô hình “giàn ảo”

Hiện nay, phương pháp mô hình giàn ảo được chấp nhận để phân tích và tính toán kết cấu, và đã có trong tiêu chuẩn ACI, Eurocode Đã có nhiều đề tài, nhiều bài viết liên quan đến việc tính toán dầm cao bằng phương pháp mô hình giàn ảo

Tuy nhiên, cùng một cấu kiện dầm cao có thể chọn được nhiều

mô hình giàn ảo khác nhau để tính toán (do mô hình giàn ảo chỉ yêu cầu về đường tải trọng và cân bằng tĩnh), kết quả sẽ khác nhau với các mô hình được chọn khác nhau Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện tính toán dầm cao bằng mô hình giàn ảo đối với dầm cao thông thường, dầm cao có khoét lỗ….và chưa thấy nghiên cứu đề cập đến tính toán dầm cao dự ứng lực trước Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán dầm cao dự ứng lực trước bằng phương pháp mô hình giàn ảo là cần thiết để đưa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc của kết cấu nhằm áp dụng hiệu quả tính toán dầm cao

dự ứng lực trước bằng phương pháp mô hình giàn ảo trong xây dựng nhà cao tầng có không gian kiến trúc các tầng dưới được thông thoáng rộng rãi không bị vướng nhiều các hệ cột Đó là lý do để thực

hiện đề tài: “Ứng dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao ứng lực trước”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng quan về mô hình chống giằng và các mô hình chống giằng trong thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép ứng lực trước

Xây dựng mô hình giàn ảo, thiết kế chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mẫu dầm bê tông cốt thép ứng lực trước và đề xuất quy trình tính toán cho dầm cao sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Dầm cao

Phạm vi nghiên cứu: Mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao bê tông cốt thép ứng lực trước

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết:

Thu thập tài liệu, tìm hiểu lý thuyết tính toán dầm cao, lý thuyết

mô hình giàn ảo trong tiêu chuẩn ACI và các tài liệu hiện có về mô hình giàn ảo tính toán cho dầm cao bê tông cốt thép

Đề xuất quy trình thiết kế dầm cao sử dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước, khảo sát các tham số ảnh hưởng

Phương pháp thực nghiệm:

Xác minh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm

5 Kết quả dự kiến

Mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao ứng lực trước

Trình tự tính toán thiết kếdầm cao bằng mô hình giàn ảo sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước

Các kết quả thí nghiệm xác minh kết quả tính toán

6 Bố cục đề tài

Đề tài gồm có 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC

Chương 2: MÔ HÌNH GIÀN ẢO SỬ DỤNG CHO DẦM CAO

BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC

Chương 3: XÁC MINH QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VỚI THÍ NGHIỆM

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ÁO VÀ BÊ TÔNG

CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC

1.1 SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO VÀ ỨNG DỤNG CỦA

MÔ HÌNH GIÀN ẢO

1.2 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO

1.3 TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO

1.3.1 Khái niệm về dầm cao

1.3.2 Các phân tích và trạng thái làm việc của dầm cao 1.3.3 Các mô hình giàn ảo đối với dầm cao

1.3.4 Tính toán thiết kế, sử dụng các mô hình giàn ảo

1.4 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC

1.4.1 Giới thiệu về dầm cao bê tông ứng lực trước

1.4.2 Ưu, nhược điểm của dầm cao ứng lực trước

1.4.3 Các ứng dụng dầm cao bê tông ứng lực trước

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH GIÀN ẢO CHO DẦM CAO SỬ DỤNG BÊ TÔNG

CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 2.1 MÔ HÌNH GIÀN ẢO TÍNH TOÁN DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC

Theo thực tế sự dụng, mô hình dầm cao chịu 2 lực tập trung đang được sử dụng phổ biến (dầm chuyển đỡ 2 cột bên trên) Vì vậy, trong luận văn này tác giả chọn dầm cao chịu hai lực tập trung (với tỉ

lệ a/d=1) để nghiên cứu mô hình tính

Khảo sát dầm cao chịu lực hai tập trung P Khoảng cách hai gối tựa là L, khoảng cách từ tải trọng tới vị trí gối tựa là a Chiều cao dầm là d, khoảng cách giữa hai vị trí đặt lực là a1

L

1

Hình 2.1 Dầm cao hai lực tập trung

Sử dụng phần mềm sap 2000 để phân tích để quan sát ứng suất nén chính trong dầm cao Từ đó thấy được đường truyền tải trọng ở trong bài toán dầm cao chịu hai lực tập trung

Hình 2.2 Ứng suất nén chính trong dầm cao với tỷ lệ a/d=0,5

Hình 2.3 Ứng suất nén chính trong dầm cao với tỷ lệ a/d=1

Hình trên cho thấy, trường hợp a/d= 0,5 đường tải trọng truyền trực tiếp từ vị trí đặt tải tập trung tới gối tựa Trường hợp a/d= 1 chúng ta thấy rõ đường truyền tải trọng không phải là đường truyền thẳng từ vị trí đặt tải trọng tới gối tựa Dựa vào phân tích ứng suất đàn hồi trong dầm cao và lực nén trước trong cáp, tác giả sẽ lựa chọn

mô hình giàn áo như sau:

Hình 2.4 Sơ đồ giàn ảo hai lực tập trung chịu ứng lực trước

Theo kết quả ứng suất của phân tích đàn hồi và nguyên tắc năng lượng biến dạng tối thiểu theo biểu thức F Li i mi Minimum (Fi, Li, εmi là lực, chiều dài và biến dạng trung bình trong phần tử thanh thứ i của giàn ảo), một mô hình giàn ảo (MSTM) cho dầm cao ứng lực trước trên gối tựa đơn giản chịu 2 tải tập trung đối xứng như hình vẽ bao gồm nút A bên trên, nút B bên dưới, thanh chống chính

AB, thanh chống thứ cấp AC và BC, thanh chống theo phương ngang

và thanh giằng theo phương ngang

Hình 2.5 Mô hình giàn ảo hiệu chỉnh cho mô hình dầm cao

ứng lực trước

Hiển nhiên, mô hình này không thể mang thêm bất kì tải trọng nào khi thanh chống chính AB bị nén vỡ mặt cho thanh chống thứ cấp AC và BC vẫn hoạt động hiệu quả Vì vậy, sự phá hoại của thanh chống AB xác định trạng thái tới hạn của mô hình, trong khi đó các thanh chống thứ cấp chỉ có tác dụng chuyển tải Tuy nhiên, để đạt được khả năng chịu lực cao hơn, thì các phá hoại sớm, chẳng hạn như trượt của cáp, nên được ngăn chặn để đảm bảo thanh chống thứ cấp hoạt động cho đến khi hỏng mô hình giàn ảo

Từ điều kiện cân bằng lực tại nút C:

a e là góc giữa các thanh chống AC và BC so với phương ngang, Fc1 và Fc2 là lực trong các thanh chống AC và BC; hp là khoảng cách từ đỉnh dầm đến điểm neo của cáp ứng lực trước; h0 là chiều cao làm việc của dầm, a

là nhịp chịu cắt đo giữa điểm đặt lực tập trung và tâm gối tựa; e là khoảng cách từ tâm gối tựa đến đầu dầm; Fpe là ứng lực trước hiệu quả

Vì nút B bên dưới chịu ứng suất nén – kéo đồng thới lớn nhất

nó xác định khả năng chịu lực của mô hình.Từ điều kiện cân bằng lực tại nút B và công thức trên có:

msin( )sin ;

sin cos sin( )n

sin( )sin ;

Fc và T là lực trong thanh chống AB và thanh giằng nằm dưới;

s là góc nghiêng của thanh chống chính AB

Ứng suất nén chính f2 trong thanh chống AB tại nút B có thể tính theo công thức:

c 2

str

Ff

A (2.4) Với Astr là tiết diện ngang của thanh chống chính tại nút B và được định nghĩa:

A b (l cos l sin ) (2.5) Trong đó: bw là bề rộng của bụng (bề rộng dầm); la là chiều dày của nút B; lb là bề rộng của tấm mang tải

Cho ứng suất kéo chính f1 tại nút B được định nghĩa bởi Tan như sau:

s 1

kT sin

A / sin (2.6) Trong đó: p là ứng suất kéo trung bình tương đương cắt qua thanh chống chính; Ac là diện tích tiết diện ngang của dầm; k và k’ là

hệ số phân bố ứng suất tại nút B và nút A tương ứng Tan đề xuất k’=0 và k=2

Như trên hình, xem xét một cốt thép dọc nghiêng một góc wi

so với phương ngang và khoản cách theo phương đứng hwi từ đỉnh của dầm đến giao điểm của cốt thép với trục thanh chống AB Từ điều kiện cân bằng lực theo hướng f1 và điều kiện cân bằng mô men tại nút A, k và k’ có thể tính như sau:

wi 0 wi

h

k ' 4 6

hh

h (2.7)

Khả năng chịu kéo tại nút B tính theo công thức sau:

Trong đó: As và Aw lần lượt là tổng diện tích của cốt thép dọc không ứng lực trước và và cốt thép ở bụng của thanh chống AB; fy,

fyu là cường độ chảy dẻo của thép không ứng lực và cốt thép cắt qua bụng thanh chống; u là góc hợp lực của tất cả cốt thép thep phương đứng, phương ngang và phương nghiêng cắt qua bụng thanh chống lấy theo phương ngang; kp là hệ số tính toán cho sự phân bố ứng suất không đều do cáp ứng lực trước tại nút bên dưới và

k 6h / h 2 với hp1 là khoảng cách theo phương đứng từ đỉnh dầm đến điểm cắt của cáp ứng lực trước với thanh chống AB p1 là góc giữa cáp ứng lực trước với phương ngang tại điểm giao cắt với thanh chống AB Fps là lực ứng lực trước trong cáp tại trạng thái tới hạn fct là sự đóng góp về cường độ chịu kéo của bê tông cho bởi công thức 2/3 '2/3

knF sin 0.8mF1

f A / sin f AV

k sin 2 0.82f A f A sin

(2.9)

Nếu Fpe đủ lớn để f1 trở thành nén có nghĩa là tại nút B chịu ứng suất nén hai trục và công thức trên không còn thỏa mãn

Đề xuất biểu thức cho ứng suất nén f2 f2 f c'

Lúc đó giá trị của Vn tính như sau:

và tính toán Vn hai lần liên tiếp sao cho chênh lệch nhỏ hơn 2% Như vậy với cách bố trí cốt thép và cáp ứng lực trong dầm ta xác định được khả năng chịu lực của dầm

2.2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC

Hình 2.6 Giản đồ tính dầm cao ứng lực trước sử dụng mô

hình giàn ảo

Bước 1: Thông số hình học của dầm gồm:

a – khoảng cách từ điểm đặc tải đến tâm gối tựa

e – khoảng cách từ tâm gối tựa đến đầu dầm

bw – bề rộng của dầm

h – chiều cao dầm

h0 – chiều cao làm việc

la, lb – chiều cao và bề rộng của nút B

lc – chiều cao của nút A

Bước 2: Thông số đầu vào của cáp ứng lực trước gồm:

ftổn hao - Ứng suất tổn hao trong cáp

Eps – Mô dul đàn hồi của cáp

Fban đầu – Lực căng cáp ban đầu

Bước 3: Thông số đầu vào của bê tông và cốt thép thanh

- Dự định số cốt thép thường bố trí trong miền kéo: n số thanh; đường kính cáp; fy – giới hạn chảy của cốt thép

- Chọn cấp độ bền bê tông, xác định khả năng chịu kéo f’c của bê tông

Bước 4: Tính toán thiết kế

+ Tính θs từ công thức 2.14 Giả thiết lc = la với la=2(h-h0)

s

h l / 2 l / 2a+ Xác định ft từ công thức 2.8

knF sin 0.8mF1

f A / sin f AV

k sin 2 0.82f A f A sin

V (f A mF )sin

Chọn giá trị nhỏ hơn của Vn1 và Vn2

+ Tính lại lc theo công thức 2.12, so sánh lc giữa 2 lần liên tiếp sao cho không vượt 2%

V qF tanl

fpu=1860MPa Tấm đặc tải trọng và phản lực làm bằng thép kích thước 200x250 dày 20mm

1800

250 2Ø10

1 Ø12

2Ø10 2Ø10 Ø8

a (mm)

e (mm)

lb (mm)

hp (mm)

la(mm)

lc(mm)

Astr (mm2) 0.785 150000 455 2.96 4 0.22689 0.983 0.519 51744.6

Bước 2: Thông số đầu vào của cáp ứng lực trước gồm:

Bảng 2.2: Thông số vật liệu cáp ứng lực trước

fpu (MPa)

Eps (GPa)

fban đầu (MPa)

ftổn hao (MPa)

f pe(MPa)

Bước 3: Thông số đầu vào của bê tông và cốt thép thanh

Bảng 2.3: Bê tông và cốt thép thanh

fyw (MPa)

As (mm2)

Bước 4: Xác định s (góc nghiêng của thanh chống chính AB)

với giả thuyết lc = 49.5mm,

Kiểm tra: ∆l/lc = (49.5 - 49.73)/49.5 = 0.46% < 2% (thỏa)

→ Khả năng chịu lực của dầm: Vn = 301.7kN

Bước 6: Cấu tạo cốt thép dầm

+ Cốt thép nằm ngang trong sườn dầm: Dùng 1 10 đặt ở mỗi

phía bên mặt sườn, cự ly cách đều Sh = 250 mm chạy suốt chiều cao

dầm A / (b.S ) 2 78.5 / (250 250) 0.0021 0.0015

+ Cốt thép thẳng đứng trong sườn dầm: Dùng 8 đặt ở mỗi phía bên mặt sườn, cự ly cách đều Sn =150 mm chạy suốt chiều dài dầm

ϕcáp 12.7 (mm) f py 1670 MPa f ban đầu 1302 MPa

n 1 Cáp f pu 1860 MPa f tổn hao 130.2 MPa

A sp 98.71 (mm 2 ) E ps 200000 MPa f pe 1171.8 MPa

3 THÔNG SỐ VẬT LIỆU BÊ TÔNG, CỐT THÉP

f' c 30 MPa n 2 thanh f y 350 MPa

THIẾT KẾ DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC CHỊU HAI LỰC TẬP TRUNG

+ Phá hoại do thanh nén:

+ Phá hoại nút:

Khả năng chịu lực của dầm

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 3 XÁC MINH QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VỚI THÍ NGHIỆM 3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm

Kích thước dầm thí nghiệm được lấy từ kết quả thiết kế tính toán dầm tại chương 2 với các kích thước như sau: chiều dài dầm L = 2000mm với nhịp tính toán là 1800mm, chiều cao dầm h = 600mm

và bề rộng dầm bw = 250mm

Cốt thép dầm gồm cốt thép lớp trên đường kính 2 10, cốt thép lớp dưới 2 10 và cốt đai thép chịu cắt đường kính 8a150

Hình 3.1 Công tác lắp đặt cốt thép cho dầm bê tông ứng lực trước

Cáp ứng lực trước, sử dụng cáp loại 12.7mm được luồn vào ống ghen trước khi đổ bê tông

Tại vị trí đặc tải trọng và tại gối tựa gia cường hệ lưới thép 10a50

Để đánh giá ứng xử của cốt thép trong vùng kéo (2 10), các Strain gauge đo biến dạng được gắn vào trong các cốt thép chủ trước khi đổ bê tông như Hình 3.2 Vị trí strain gauge được bố trí ở giữa dầm

Sau đó là tiến hành lắp ván khuôn và đổ bê tông mẫu Bê tông cho dầm sử dụng bê tông thiết kế M400 trộn thủ công bằng máy dùng phụ gia hóa dẻo để giảm lượng nước cho bê tông Mẫu đổ xong được

dưỡng hộ điều kiện phòng thí nghiệm

Hình 3.2 Công tác lắp đặt strain gauge vào cốt thép chủ

Hình 3.3 Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác chế tạo

Hình 3.4 Đổ bê tông cho mẫu thí nghiệm

3.1.2 Thiết bị thí nghiệm

3.1.3 Xác định cường độ vật liệu

a Thí nghiệm bê tông

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông

(Mpa) Mẫu

Bảng 3.2 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh 10

Giới hạn chảy f py 1670MPa

Mô đun đàn hồi E sp 200GPa

Thiết bị tạo ứng lực trước với độ chuyển dịch neo cho phép là 6mm

Ứng suất căng trước f pi 0,7f ; pu f pi 0,7 1860 1300MPa

thỏa mãn theo yêu cầu của Tiêu chuẩn ACI là không được lớn hơn 0,94f và 0,8 py f pu

3.2 THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM VÀ THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM

Sau khi mẫu đạt tuổi 28 ngày, tiến hành kéo cáp ứng lực với lực kéo ban đầu trong cáp là 128kN ứng với ứng suất fban đầu = 1302MPa

Thực hiện bơm vữa ống ghen, sử dụng phụ gia tăng cường độ, sau 3 ngày đạt cường độ yêu cầu và thực hiện thí nghiệm

Đưa mẫu vào các vị trí gối đỡ,tiến hành lắp kích thủy lực và cảm biến đo lực

Lắp các cảm biến đo chuyển vị LVDT Gồm 3 LVDT bố trí tại mặt dưới của dầm và 1 LVDT tại giữa dầm bên trên như hình 3.9 Một strain gauge đo biến dạng bê tông được bố trí trong vùng nén

Nối các strain gauges vào thiết bị đo và nối vào máy tính Kiểm tra lại thiết bị đo, thiết lập các đồng hồ đo, tham số đo cho máy tính

để sẵn sàn cho thí nghiệm

Hình 3.9 Lắp đặt thiết bị và thiết bị đo cho mẫu dầm cao thường

Hình 3.10 Vết nứt ở cấp tải P = 210kN