Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Khảo sát các phương pháp tính toán khả năng chịu lực của dầm cao bê tông cốt thép

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm bổ sung nâng cao kiến thức và tìm hiểu sâu hơn về kết cấu dầm cao. Qua đó có cái nhìn đầy đủ hơn về dầm cao, từ phạm vi sử dụng, đến lựa chọn phương án tính toán sao cho hiệu quả nhất. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH

- PHÙNG QUỐC VIỆT

KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG

CHỊU LỰC CỦA DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TP.HỒ CHÍ MINH - 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH

- PHÙNG QUỐC VIỆT

KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG

CHỊU LỰC CỦA DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8.58.02.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.KS NGUYỄN HỮU ANH TUẤN

TP.HỒ CHÍ MINH - 2020

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, xu thế phát triển trong thiết kế kiến trúc của các nhà cao tầng là tạo ra các công trình có công năng sử dụng

đa dạng Thay đổi lớn về hệ lưới cột vách giữa các tầng trên và dưới Dầm cao là một trong những giải pháp

Xuất phát từ những lý do trên học viên lựa chọn và nghiên cứu đề tài

“KHẢO SÁT CÁC PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP”

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Từ việc nghiên cứu đề tài, tác giả mong muốn bổ sung nâng cao kiến thức và tìm hiểu sâu hơn về kết cấu dầm cao Qua đó có cái nhìn đầy

đủ hơn về dầm cao, từ phạm vi sử dụng, đến lựa chọn phương án tính toán sao cho hiệu quả nhất

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi luận văn là dầm cao BTCT một nhịp, chịu tải tập trung được khảo sát bằng các phương pháp:

- Phương pháp tính toán dầm cao bê tông cốt thép theo mô hình chống giằng (Strut and tie Model)

- Phương pháp cánh tay đòn nội lực

- Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm cao bằng việc áp dụng một số quy đinh theo TCVN 5574-2018

Trong các phiên bản trước của tiêu chuẩn bê tông và bê tông cốt thép TCVN 5574-1991, TCVN 5574-2012 chưa có chỉ dẫn nào về tính toán dầm cao nhưng đến phiên bản mới nhất TCVN 5574-2018 đã có hướng dẫn ngắn gọn về kiểm tra khả năng chịu lực cho phần tử tấm

tường bê tông cốt thép Do đó, một trong những mục tiêu của luận

văn là đề xuất quy trình phân tích và kiểm tra bền cho dầm cao bê

tông cốt thép có vận dụng những điều khoản của TCVN 5574-2018

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO VÀ ÁP DỤNG

DẦM CAO TRONG XÂY DỰNG TỔNG QUAN VỀ DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP

Khái niệm

Dầm cao là cấu kiện chịu tải trọng tác dụng trên một mặt, còn các gối

tựa ở phía mặt đối diện sao cho các thanh chống chịu nén có thể hình

thành và phát triển từ các tải trọng tác dụng đến các gối tựa

a Trường hợp 1 b Trường hợp 2

Hình 2.1 Các trường hợp dầm cao

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

MÔ HÌNH CHỐNG - GIẰNG

Khả năng chịu lực của thanh chống [1], [2], [4]

Quy phạm ACI 318-14[6] quy định khả năng chịu lực danh định của

thanh chống bê tông:

 theo bảng 23.4.3 Quy phạm ACI 318-14[6]

Khả năng chịu lực của vùng nút

Theo ACI 318 [6], khả năng chịu lực danh định của vùng nút:

 theo bảng 23.9.2 ACI 318M-14

Kiểu vùng nút trong mô hình STM n

Hay A nzi W b si s(thiên về an toàn) (3.6)

Khả năng chịu lực của thanh giằng

PHƯƠNG PHÁP CÁNH TAY ĐÒN NỘI LỰC

Phá hoại do uốn

3.2.1.1 Sự phân bố ứng suất trên tiết diện dầm

3.2.1.2 Tính toán khả năng chịu uốn

Khả năng chịu uốn của dầm[6]

3.2.2.1 Các dạng phá hoại do cắt

3.2.2.2 Tính toán khả năng chịu cắt

Theo ACI 318 [4], [8]

Đối với dầm chịu tải trọng phân bố đều: x0,15l n

Đối với dầm chịu tải trọng tập trung: x0,5a

 Lực cắt do ngoại lực tác dụng phải thỏa mãn điều kiện:

w

M

V d A

 Khả năng chống cắt của thép ngang dầm cao

Khả năng chịu lực của cốt thép được tính theo công thức sau:

MÔ HÌNH DẦM CAO VỚI PHẦN TỬ TẤM VỎ VÀ KIỂM

TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỰC THEO TCVN 5574-2018

TCVN 5574-2018[3] đã có hướng dẫn về việc phân tích tấm tường

tổng quát, do đó luận văn này sẽ đề xuất cách vận dụng hướng dẫn

này vào việc mô hình hóa tính toán độ bền cho dầm cao

Mô hình phân tích nội lực dầm cao

Hình 3.1 Phần tử dạng tấm tường

Áp dụng một số quy định theo TCVN 5574-2018 để kiểm

tra khả năng chịu lực của dầm cao

TCVN 5574-2018 [3]Phương trình cân bằng tổng quát Hình 3.1

N N và N xy u, lần lượt là các giá trị giới hạn của các lực pháp

tuyến và lực trượt Giá trị của các lực pháp tuyến giới hạn N x u, và

,

y u

N cần được xác định từ tính toán tiết diện tẳng góc kéo hoặc nén

đúng tâm

Giá trị của lực trượt giới hạnN xy u, bao gồm thành phần do bê tông

chịu N bxy u, và do cốt thépN sxy u, được xác định như sau:

KIẾN NGHỊ PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH TÍNH

TOÁN, THIẾT KẾ DẦM CAO TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT

NAM

Mô hình dầm cao bằng phần tử thanh và kiểm tra bền theo

phương pháp cánh tay đòn nội lực theo TCVN 5574-2018

y

M A

f z



Dầm đơn:

Bước 3: Kiểm tra tiết diện dầm Q ub1R bh b 0

Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông và cốt thépQ u Q bQ sw (3.33) Khả năng chịu cắt của bê tong 0

s s

A bh

   , thép ngang :

2 0 ,max

bt w

R bh s

Trường hợp 1: N x 0cấu kiện chịu kéo, N x u, R A s s

Trường hợp 2: N x0cấu kiện chịu nén N x u, R A b cR A s s

Trường hợp 1: N y 0cấu kiện chịu kéo N y u, R A s s

Trường hợp 2: N x0cấu kiện chịu nén, N y u, R A b c R A s s

Trường hợp 1: N xy0cấu kiện chịu kéo, N xy u, 0,5R s.A sxA sy

Trường hợp 2: N xy0cấu kiện chịu nén, N xy u, 0,3R A b b

Với hai phương pháp trên tùy theo mức độ tính toán đơn giản hay

phức tạp mà người dùng có thể lựa chọn trong thiết kế thực hành phù

hợp Với hai phương pháp này vậy liệu (cường độ bê tông, cường độ

thép), hệ số tải trọng, hệ số độ tin cậy điều tuân theo TCVN

5574-2018 Việc tính toán được minh họa theo các phương pháp sẽ được

thực hiện ở chương sau

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM CAO CHỊU MỘT LỰC TẬP TRUNG

Thiết kế dầm bê tông cốt thép chịu một tải tập trung như Hình 4.1 Tải trọng tiêu chuẩn

Hình 4.1 Dầm cao chịu một lực tập trung

Dùng phương pháp cánh tay đòn nội lực

4.1.1.1 Tính cốt thép chịu uốn

28

c

f  MPa, f y 390MPa R b19,03MPa R, bt 1, 27MPa, R s339MPa

Tải trọng tính toán [6]: 1,2D1,6L5480kN Tải trọng tính toán [3]: 1,1D1,2L4810kN

Moment lớn nhất tại giữ nhịp:

u s y

u s s

2

2 3

Tính chiều cao d: d  h a 1978mm

Chọn 3 lớp cốt thép được bố trí trong phạm vi

Chọn 3 lớp cốt thép

2 1

2

2 3

Kiểm tra hàm lượng thép cấu tạo:

'

2 min

s s

A bh

Lực cắt cho cốt thép ngang: Q u sw,  Q Q b844kN

Bố trí thép ngang:A sw12 150a (2 nhánh)

2 0 ,max bt 1397

Phương pháp chống-giằng

ACI 318-14[6]

Vật liệu

Cường độ bê tông f c'28MPa, Cường độ thép f y 390MPa

Tải trọng tính toán [6]: 1,2D1,6L1,2.3500 1,6.800 5480kN

Chọn mô hình chống-giằng

Xác định lực nén trong thanh chống xiên AB:

  thanh chống đủ khả năng chịu lực

Diện tích các mặt của vùng nút bằng diện tích tiết diện của các thanh chống, do vậy khả năng chịu lực của vùng nút trong bài toán này luôn đảm bảo, không cần kiểm tra

Tính lực trong thanh giằng, chọn và bố trí cốt thép dọc

2

2 3

Mô hình dầm cao bằng phần tử tấm vỏ và kiểm tra bền theo TCVN 5574-2018[3]

4.1.3.1 Thông số đầu vào

Tải trọng tiêu chuẩn:D3500kN L, 800kN,

Tải trọng tính toán [3]: 1,1D1, 2L4810kN

4.1.3.2 Mô hình kết cấu

Hình 4.4 Biểu đồ biểu diễn xtrên 1 2 nhịp dầm

4.1.3.4 Kiểm tra bền theo TCVN 5574-2018

Áp dụng TCVN 5574-2018[3]

Bảng 4.2 Bảng kiểm tra bền dầm cao tại vị trí giữa nhịp

Diện tích cốt thép chịu kéo:A s 49,2cm2

Joint XorR Z H B S 11 S 22 S 12 N x N y N xy A s yêu cầu

Diện tích

A s

Bố trí

cốt đai

THIẾT KẾ DẦM CAO CHỊU HAI LỰC TẬP TRUNG

Thiết kế dầm BTCT chịu hai tải tập trung như Hình 4.7

Tải trọng tiêu chuẩn D3000kN L, 500kN

Hình 4.7 Dầm cao chịu hai tải tập trung

SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ

Bảng 4.3 Bảng thống kê diện tích thép theo các phương pháp

Nội dung

Diện tích thép chịu kéo (cm 2 )

Mô hình bằng phần tử thanh

Mô hình bằng phần tử tấm vỏ Phương pháp cánh tay đòn

nội lực Chống-Giằng Kiểm tra bền ACI

(1)

TCVN 5574-2018 (2)

ACI (3)

TCVN 5574-2018 (4) Dầm 1 lực tập

Dầm 2 lực tập

Nhận xét: Như các ví dụ đã được thực hiện 4.1 và 4.2 trong khuôn

khổ luận văn tác giả có một số nhận xét như sau:

Khi dầm cao được mô hình bằng phần tử thanh:

Phương pháp cánh tay đòn nội lực: Dầm cao chịu một tải tập trung, tiêu chuẩn ACI(1) cho kết quả thép lớn hơn so với TCVN 5574-2018(2) chênh lệch khoảng 9,16% Với dầm cao chịu hai tải tập trung, tiêu chuẩn ACI(1) cũng cho kết quả thép lớn hơn so với TCVN 5574-2018(2), kết quả chênh lệch 8,26%

Phương pháp chống giằng theo ACI(3) đã được sử dụng để phân tích cốt thép, kết quả cho thấy phương pháp chống giằng yêu cầu cao hơn về lượng thép Tuy nhiên, kết quả tổng thể là xấp xỉ nhau, chênh lệch giữa phương pháp chống giằng và cánh tay đòn nội lực không quá 15%

Khi dầm cao được mô hình bằng phần tử tấm vỏ:

Phương pháp thiết kế phần tử hữu hạn bằng việc vận dụng TCVN 5574-2018 cho kết quả phân tích với lượng thép yêu cầu thấp hơn khoảng 50%~75% so với lượng thép yêu cầu theo các phương pháp cánh tay đòn nội lực và chống-giằng, kết quả này cho thấy lượng cốt thép trong dầm cao giảm đáng kể Trong kết quả phân tích dầm cao bằng phần tử hữu hạn theo đề xuất của Eurocode 2 [7] cũng cho kết quả tương tự

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Kết cấu dầm cao với những đặc điểm cấu tạo hình học và khả năng chịu lực được sử dụng trong các kết cấu nhà cao tầng BTCT, đáp ứng được yêu cầu về mặt công năng, có thể là giải pháp tương đối tốt trong một số trường hợp đòi hỏi cần hệ kết cấu chuyển vượt nhịp lớn giữa khu trên và khu dưới trong tòa nhà

Như đã được phân tích so sánh 4.3 mô hình dầm cao bằng phần tử thanh, phương pháp chống giằng cho kết quả thép lơn hơn so với phương pháp cánh tay đòn nội lực (chênh lệch khoảng 10% đến 20%) Do đó, kiểm tra độ bền dầm cao theo phương pháp chống giằng là thiên về an toàn Khi áp dụng các điều khoản trong TCVN 5574-2018, dầm cao được mô hình bằng phần tử tấm vỏ thì kết quả thép giảm đi hơn một nữa (khoảng 45% đến 70%), lượng cốt thép giảm rất đáng kể trong thiết kế Hiện nay chưa có tài liệu chính thức nào chỉ dẫn thiết kế dầm cao nói riêng và tấm vỏ nói chung theo TCVN

KIẾN NGHỊ

Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, sự phá hoại đối với dầm cao bê tông cốt thép không chỉ do uốn, cắt mà còn do phá hoại gối tựa và phá hoại cục bộ (nén vỡ) ngay dưới khu vực đặt tải trọng tập trung Do

đó nên mô hình đúng thực tế kích thước đặt lực tập trung và vùng gối tựa để giảm bớt ứng suất cục bộ không có thật

Tác giả kiến nghị mở rộng hướng nghiên cứu: tính toán thiết kế dầm cao từ dầm một nhịp sang dầm liên tục hay console, ngoài tải đứng

có thể xét dầm cao chịu tải trọng ngang

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông và

bê tông cốt thép

4 Trần Mạnh Tuân (2009), Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-2002, tr 80,83, Nhà xuất bản xây dựng

5 Luận văn có sử dụng một số hình ảnh và tư liệu trên Internet

TIẾNG ANH

6 ACI Committee 318 Structural Building code “Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentery”, (ACI 318M-14)

7 ANNALS of Faculty Engineering Hunedoara – International Journal of Engineering “Deep beams reinforcement, national and eurocode 2 design” Tome XVII [2019] Fascicule 1 [February]

8 F.K.Kong (2003), Reinfordced concrete deep beams Van Nostrand Reihold

9 Kong & Evans (1987), Reinforced and Prestressed Concrete, Chapman & Hall

10 Ove Arup & Partners (1977), The design of deep beam in reinforced concrete The chameleon press limited

Provisions

11 SAP2000 Structural Analysis Program, Computers & Structures, Inc Berkeley, California, USA, 2009