Ứng dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao bê tông cốt thép có gia cường cốt sợi thép

Ý tưởng xây dựng mô hình giàn ảo là dựa vào vùng truyền ứng suất kéo và nén trong kết cấu, khi đó có thể tưởng tượng kết cấu bê tông cốt thép được mô phỏng bằng một kết cấu giàn ảo bao g

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

VŨ HẢI LONG

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

CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình

Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG

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 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 & Công nghiệp, Trường Đại học

Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Mô hình giàn ảo là phương thức thiết kế đơn giản và hiệu quả cho kết cấu dầm cao đặt biệt là các dầm cao có lổ mở khi giả thiết tính toán theo Bernulli không còn chính xác do sự phân bố biến dạng trong dầm cao là phi tuyến Ý tưởng xây dựng mô hình giàn ảo là dựa vào vùng truyền ứng suất kéo và nén trong kết cấu, khi đó có thể tưởng tượng kết cấu bê tông cốt thép được mô phỏng bằng một kết cấu giàn ảo bao gồm các thanh chịu nén, các thanh giằng chịu kéo và vị trí giao nhau giữa các thanh đó là vùng nút của giàn ảo Quan điểm chịu lực của giàn ảo là xem bê tông chịu nén trong các thanh chống và cốt thép chịu kéo trong các thanh giằng Sự phá hoại xảy ra khi bê tông trong thanh chống bị nén vỡ và cốt thép trong thanh giằng bị chảy dẻo

tông là loại vật liệu được s ụng rộng r i trong ựng hiện

na , tông rất phát sinh kh nứt, cường độ chịu kéo, khả năng chịu uốn, khả năng chịu tải trọng động kém và thường có khu nh hướng phá hoại gi n ột giải pháp tăng cường khả năng chịu lực của tông đó

là trộn th m vào tông các loại sợi thép iệc pha trộn cốt sợi vào trong tông s làm tha đổi ứng của tông, gia tăng độ ẻo ai cho tông, giúp kéo ài tuổi thọ cho các công trình ựng, hạn chế

kh nứt, n ng cao độ an toàn cho kết cấu giảm ớt thiệt hại khi kết cấu

ị phá vỡ, khả năng hấp thụ năng lượng cao th ch hợp cho kết cấu chịu tải trọng động

Như vậy, với những đặc tính về tăng cường độ chịu kéo và nén, việc ứng dụng bê tông cốt sợi thép trong kết cấu dầm cao s mang lại hiệu quả về mặt kĩ thuật khi cường độ thanh chống được nâng cao, khả năng chịu kéo của bê tông cốt sợi được ét đến trong khả năng chịu kéo

của thanh giằng nên làm giảm cốt thép trong thanh kéo điều nà được

bỏ qua đối với tông thường Tuy nhiên, hiện nay các ứng dụng của

bê tông cốt sợi thép trong thiết kế dầm cao cũng như ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi đến khả năng chịu tải của dầm cao chưa có nhiều nghiên cứu Do đó, việc đề xuất s dụng bê tông cốt sợi thép và một quy trình tính toán thiết kế dầm cao là cần thiết để s dụng vào kết cấu

công trình đó là lý o thực hiện đề tài:“Ứng dụng mô hình giàn ảo

trong thiết kế dầm cao bê tông cốt sợi thép ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng quan về mô hình chống giằng và các mô hình chống giằng trong thiết kế dầm cao s dụng bê tông cốt thép có gia cường cốt sợi thép; về bê tông cốt sợi thép

Nghiên cứu mô hình giàn ảo s dụng cốt sợi thép, xây dựng quy trình tính toán và bảng tính cho dầm cao s dụng bê tông cốt thép có gia cường cốt sợi thép

Thực hiện ví dụ tính toán

Xác minh mô hình tính với kết quả thí nghiệm

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 có gia cường cốt sợi thép

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thu ết:

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 s dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao s dụng bê tông cốt thép có gia cường cốt sợi thép,

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

Đề xuất qui trình thiết kế và bảng tính tính toán dầm cao bằng mô hình giàn ảo s dụng bê tông cốt thép có gia cường cốt sợi thép 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, DẦM CAO

VÀ BÊ TÔNG CỐT SỢI

Chương 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP Chương 3: XÁC INH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI THÍ NGHIỆM

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO, DẦM CAO

VÀ BÊ TÔNG CỐT SỢI

1.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO

1.1.1 Giới thiệu mô hình giàn ảo

1.1.2 Các giả thiết cấu tạo và nguyên lý chung lập mô hình

giàn ảo

1.1.3 Kết cấu của mô hình giàn ảo

1.1.4 Các bộ phận cấu thành của mô hình giàn ảo

1.1.5 Nội lực trong mô hình giàn ảo

1.2 TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO

1.2.1 Khái niệm dầm cao

1.2.2 Các phân tích và trạng thái làm việc của dầm cao

1.2.3 Các mô hình giàn ảo đối với dầm cao

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

1.3 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI

1.3.1 Khái quát về bê tông cốt sợi

1.3.2 Phân loại bê tông cốt sợi

1.3.3 Đặc điểm chung về cốt sợi cho bê tông cốt sợi

1.3.4 Lĩnh vực sử dụng bê tông cốt sợi

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP 2.1 DẦM CAO SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

2.1.1 Ứng xử kéo của dầm BT cốt sợi thép không sử dụng cốt thép thường

Voo và Foster [2] đề xuất phương thức đánh giá ứng suất kéo của cốt sợi thép Trong mô hình này ứng x kéo được ác định bởi tích phân ứng x của một cách định hướng ngẫu nhiên của cốt sợi trên không gian 3 chiều, th m vào đó cả sự kéo và nứt của cốt sợi cũng được xem xét Dựa tr n phương thức này, ứng suất kéo của cốt sợi thép trong tiết diện tông được ác định theo công thức sau:

Trong công thức (1):

σf - phần ứng suất được mang bởi cốt sợi

Kf - hệ số định hướng tổng thể của cốt sợi

αf - tỉ số giữa chiều ài và đường kính của cốt sợi f

f f

l

α = d

Vf - tỉ lệ thể tích của cốt sợi (phần trăm thể tích cốt sợi trong toàn

bộ thể tích của BT cốt sợi thép

τb - ứng suất dính trung bình của cốt sợi

Với sự phân bố ngẫu nhiên của cốt sợi với xác suất bằng nhau thì bất cứ cốt sợi nào cắt qua khe nứt đều có chiều dài nhúng ngắn hơn giữa 0 và lf/2 Giá trị trung bình của hệ số Kf cho tất cả các cốt sợi cho bởi công thức:

Trong đó: w là ề rộng vết nứt Nếu không có dữ liệu liên quan

về tương tác ứng suất dính của cốt sợi Voo và Foster [2] đề xuất s dụng công thức (3) Trong công thức này f là cường độ chịu kéo của

bê tông hoặc vữa, và có thể t nh toán th o cường độ chịu nén của bê tông theo công thức (4)

ct ct b

ct ct

2.5 f Cho cèt sîi cã mãc neo trong bª t«ng

2.0 f Cho cèt sîi th¼ng trong bª t«ng

(3) 1.2 f Cho cèt sîi cã mãc neo trong v÷a

1.0 f Cho cèt sîi th¼ng trong v÷a

2.1.3 Phương thức mô tả thiết kế dầm cao BT cốt sợi thép

Như những nghiên cứu gần đ , khi phần trăm thể tích cốt sợi ít trong hỗn hợp bê tông thì không ảnh hưởng đến cường độ bê tông chỉ làm tăng độ dẻo khi kéo của bê tông Mô hình ứng x kéo của dầm SFRC của Abrishami và Mitchell [3] giả thiết rằng trong miền đàn hồi ảnh hưởng của cốt sợi thép đến độ cứng kéo được phớt lờ Xem xét các nhân tố ảnh hưởng có thể kết luận rằng ứng x đàn hồi của BT cốt sợi thép so sánh với TCT là không tha đổi Hơn nữa một vài tác giả đ

đề nghị s dụng vùng ứng suất đàn hồi để thiết lập vị trí các phần t của mô hình giàn ảo cho thiết kế dầm cao Do đó, giả thiết sự phân bố ứng suất của dầm BTCT và BT cốt sợi thép là tương tự Với hàm lượng

cốt sợi hợp lý, s làm tăng cường độ chịu kéo của bê tông, do vậy bằng việc thêm cốt sợi thép vào dầm cao BTCT để đạt được khả năng chịu lực tương tự và giảm lượng cốt thép chịu kéo

Trong mô hình giàn ảo dầm cao được chia thành vùng kéo và nén với phân bố ứng suất đều Để đơn giản cho thiết kế dầm cao BTcốt sợi thép, mô hình giàn ảo có một vài tha đổi Do có sự phân bố đều ứng suất trong thiết kế dầm cao s dụng STM nên mô hình ứng x kéo của

BT cốt sợi thép được thể hiện trong các phần trên có thể được s dụng Dựa tr n mô hình đề xuất, an đầu kết cấu được thiết kế bởi phương thức giàn ảo với giả thiết s dụng bê tông cốt thép thường Sau

đó, lực đóng góp của cốt sợi thép tại thanh giằng được tính toán và được trừ từ tổng lực trong thanh giằng Cuối cùng tính toán cốt thép từ kết quả lực t nh được

* Vị trí thanh giằng

Cho số lượng chính xác của cốt thép trong thanh giằng, lực trong cốt sợi có thể tính toán bởi giá trị lớn nhất của công thức (5) trong công thức đó tha thế tiết diện bê tông, tiết diện ngang của thanh giằng phải được s dụng

Bề rộng thanh giằng ác định theo công thức sau:

nt t,max

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 tr đặt lực là a

Hình 2.1 Dầm cao hai lực tập trung

Bước 1: Chọn kích thước hình học, vật liệu và tải trọng tác dụng vào dầm

- Chọn đặc trưng hình học của dầm: L (chiều dài dầm), d (chiều cao dầm), b (bề rộng dầm), a và a1 (khoảng cách từ biên dầm đến tải trọng ), k ch thước gối tựa và gối đặt tải trọng;

- Chọn tải trọng tác dụng lên dầm P;

- Chọn vật liệu tông có cường độ chịu nén f c ’ , cốt thép thanh

và cốt thép sợi có giới hạn chảy fy và f yf

Bước 2: Phân tích chọn sơ đồ giàn

Cơ sở để chọn mô hình giàn dựa trên phân tích phổ ứng suất đàn hồi hoặc mô hình vết nứt trên mẫu ì chưa có hình ảnh vết nứt của mẫu nên phổ phân bố ứng suất được s dụng cho việc chọn mô hình Thực hiện phân tích bằng SAP ta có phổ phân bố ứng suất kéo và nén

như Hình 2.2

Hình 2.2 Phổ phân bố ứng suất trong dầm cao

Như vậ , để xây dựng được mô hình giàn ảo cần phải ác định được vị trí thanh chống (thanh chịu nén) và thanh giằng (thanh chịu kéo) Th o các ph n t ch trước đ về mô hình giàn ảo tối ưu, với phổ

L

1

phân bố ứng suất và k ch thước mẫu Hình 2.2, chọn mô hình giàn ảo cho dầm cao chịu hai lực tập trung như Hình 2.3

Hình 2.3 Mô hình giàn ảo tính toán dầm cao

Bảng 1 Xác định kích thước hình học của mô hình giàn ảo

chịu, t nh được cốt thép trong các thanh giằng

Bước 3: Xác định nội lực trong thanh giàn

Giải nội lực sơ đồ giàn Hình 2.2 bằng cơ học kết cấu ta được nội lực trong từng thanh N1-2, N2-3, N2-5, N1-5, N5-6, N2-6, N6-7

Bước 4: Xác định bề rộng thanh chống, thanh giằng và mô phỏng hệ giàn

Bề rộng thanh chống được ác định theo công thức:

i

cu s

N w

L

P

fce là cường độ chịu nén anh nghĩa của bê tông tại nút lấy bằng 0.85fc’

Bước 5: Xác định sự đóng góp của cốt sợi thép đến khả năng chịu kéo trong thanh giằng và tính cốt thép thường trong thanh giằng

+ Lực kéo cốt sợi thép đóng góp vào khả năng chịu kéo thanh giằng: N = V A ff 1 f c yf

6

+ Lực kéo mà cốt thép thường tham gia: NSFRC Ni Nf

+ Xác định cốt thép trong thanh giằng: Fnt A fs,i y Ni

SFRC,i s,i

fy là cường độ chảy dẻo của cốt thép thanh

As,i là diện tích cốt thép thanh giằng thứ i

Bước 6: Kiểm tra khả năng chịu tải của nút

Kiểm tra khả năng chịu tải tại vị tr nút đặt tải và vị trí gối tựa: + Cường độ tại vị tr đặt tải trọng: 0,85 fc ' 2 Ac P

+ Cường độ tại vị trí gối tựa: 0,85 fc ' 2 Ac P

→ Thỏa mãn yêu cầu chịu tải cục bộ tại nút thì chuyển sang ước

7

Bước 7: Yêu cầu cấu tạo cốt thép

+ Cốt thép nằm ngang trong sườn dầm: A / (b.S ) h h 0.0015

Bước 8: Thể hiện bản vẽ

2.3 LƯU ĐỒ THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

2.4 THIẾT LẬP BẢNG TÍNH EXCEL

2.5 VÍ DỤ THIẾT KẾ MẪU THÍ NGHIỆM

1 THÔNG SỐ HÌNH HỌC, VẬT LIỆU, TẢI TRỌNG CỦA DẦM

3 KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỰC TẠI NÚT

Thiết kế dầm cao có gia cường cốt sợi chịu hai lực tập trung với

tỉ số a/ =1 có k ch thước hình học như Hình 2.4 Biết đặc trưng vật liệu s dụng gồm tông có cường độ chịu nén fc’= 30 Pa, Cốt thép thanh có giới hạn chảy fy = 350MPa, Cốt thép sợi s dụng loại thép sợi Dramix có giới hạn chảy fyf = 1000MPa và hàm lượng cốt sợi s dụng

là 2.0% Tấm thép đặc tải trọng và phản lực k ch thước 200×250 dày 20mm

Hình 2.4 Kích thước dầm bê tông

Bước 1: Mô tả kích thước hình học, vật liệu và tải trọng tác dụng vào dầm

Chọn dầm cao bê tông có các đặc trưng hình học và chịu 2 tải

trọng tập trung như trong Bảng 2.1 và Hình 2.4

d (mm)

a (mm)

MCS 1 300 1,8 600 600 600 250 200×250 200×250 Vật liệu s dụng gồm:

+ tông có cường độ chịu nén fc’= 30 Pa

+ Cốt thép thanh có giới hạn chảy fy = 350MPa

+ Cốt thép sợi s dụng loại thép sợi Dramix có giới hạn chảy

Cơ sở để chọn mô hình giàn dựa trên phân tích phổ ứng suất đàn hồi hoặc mô hình vết nứt trên mẫu ì chưa có hình ảnh vết nứt của mẫu nên phổ phân bố ứng suất được s dụng cho việc chọn mô hình Thực hiện phân tích bằng SAP ta có phổ phân bố ứng suất kéo và nén

như Hình 2.1

Hình 2.5 Phổ phân bố ứng suất trong dầm cao

Như vậ , để xây dựng được mô hình giàn ảo cần phải ác định được vị trí thanh chống (thanh chịu nén) và thanh giằng (thanh chịu kéo) Th o các ph n t ch trước đ về mô hình giàn ảo tối ưu, với phổ

phân bố ứng suất và k ch thước mẫu Hình 2.5, chọn mô hình giàn ảo cho dầm cao chịu hai lực tập trung như Hình 2.5, 2.6

Hình 2.65 Mô hình giàn ảo tính toán dầm cao thí nghiệm

Từ sơ đồ tính ở trên, thực hiện tính toán nội lực th o cơ học kết cấu Với quan điểm thanh nén do bê tông chịu, thanh kéo do cốt thép chịu, t nh được cốt thép trong các thanh giằng

Bước 3: Xác định nội lực trong thanh giàn

Giải nội lực sơ đồ giàn Hình 2.5 bằng cơ học kết cấu ta được nội lực trong từng thanh cho ở Bảng 2.2

Bảng 2.2: Nội lực thanh giàn

Thanh giàn N 1-2 N 2-3 N 2-5 N 1-5 N 5-6 N 2-6 N 6-7

Nội lực (kN) 136.4 300 149.8 -329.5 -359.3 -70.6 -300 Trạng thái kéo kéo kéo nén nén nén nén

Bước 4: Xác định bề rộng thanh chống, thanh giằng và mô phỏng hệ giàn

Bảng 2.3: Xác định bề rộng thanh chống, thanh giằng

Thanh giàn N 1-2 N 2-3 N 2-5 N 1-5 N 5-6 N 2-6 N 6-7

Nội lực (kN) 136.4 300 149.8 -329.5 -359.3 -70.6 -300 w(mm) 21.4 47.1 23.5 51.7 56.4 11.1 47.1

Hình 2.7 Mô phỏng mô hình giàn ảo tính toán dầm cao

Bước 5: Xác định sự đóng góp của cốt sợi thép đến khả năng chịu kéo trong thanh giằng và tính cốt thép thường trong thanh giằng

1800