Tài liệu đánh giá khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép theo tcvn 5574 2012 và một số tiêu chuẩn khác

TRƯƠNG VĂN BẰNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- TRƯƠNG VĂN BẰNG KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TCVN 5574-2012 VÀ MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KHÁC LUẬN VĂN THẠC SĨ ________________________ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP KHOÁ: K32TV Đà Nẵng – Năm 2018 --iii-TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TCVN 5574-2012 VÀ MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KHÁC Tóm tắt: Với nội dung nghiên cứu của luận văn, tác giả đã phân tích và so sánh cơ sở lý thuyết tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép, xây dựng trình tự các bước tính toán theo các tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, ACI 318-14, Eurocode EN 1992-1-1:2004 và BS 8110-1:1997. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 không xét ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo đến khả năng chịu cắt của bê tông, trong khi đây là các yếu tố đã được tích hợp vào các tiêu chuẩn khác. Luận văn cũng so sánh và đánh giá khả năng chịu cắt theo cường độ bê tông và tỉ lệ lực dọc giữa bốn tiêu chuẩn này, theo hai trường hợp có và không có cốt thép ngang tính toán. Từ khóa: Bê tông cốt thép, cấu kiện bê tông, khả năng chịu cắt, cốt thép ngang, tiêu chuẩn thiết kế. Abstract: In this thesis, the author has analyzed and compared the theoretical basis for determining the shear capacity and developed the procedures for shear design of reinforced concrete beams in accordance with various building codes including TCVN 5574-2012, ACI 318-14, Eurocode EN 1992-1-1:2004 và BS 8110-1:1997 The results show that the standard TCVN 5574-2012 does not take into account the effect of the longitudinal reinforcement of the reinforcing steel to the cutting strength of the concrete, while these factors have been integrated into the standards other. The thesis also comparisons of the design shear strength versus concrete strength and axial load level are also carried out among these four building codes in the cases with and without shear reinforcement. Key words: reinforced concrete, concrete member, shear strength, shear reinforcement, building code. --iv-MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .......................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... xi DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài: .......................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài: ...........................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: .......................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu: .....................................................................................2 5. Nội dung nghiên cứu:............................................................................................ 2 6. Bố cục luận văn: ....................................................................................................2 Chương 1. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ..................................................................................................................... 3 1.1. Tính chất cơ lý của vật liệu (bê tông) .......................................................................3 1.1.1. Cường độ của bê tông [1] ...............................................................................3 1.1.2. Số hiệu mác và cấp độ bền của bê tông ..........................................................5 1.2. Tính chất cơ lý của vật liệu (cốt thép) ......................................................................5 1.2.1. Đặc trưng cơ học ............................................................................................. 5 1.2.2. Phân loại cốt thép. ...........................................................................................6 1.3. Các hình thức phá hoại của dầm theo tiết diện nghiêng. ..........................................7 1.3.1. Phá hoại do dầm chịu mô men uốn. ................................................................ 8 1.3.2. Phá hoại do dầm chịu ứng suất kéo chính (lực cắt). .......................................8 1.3.3. Phá hoại do dầm chịu uốn cắt. ........................................................................9 1.4. Sự làm việc của cấu kiện chịu cắt (dầm bê tông cốt thép). ....................................10 1.4.1. Các dạng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép. ................................................10 1.4.2. Sự làm việc của dầm bê tông sau khi nứt nghiêng. [7] .................................11 1.5. Mô hình tính toán khả năng chịu lực của dầm trên tiết diện nghiêng. [7] .............12 1.5.1. Mô hình giàn với thanh xiên nghiêng góc 45..............................................12 1.5.2. Mô hình giàn với góc nghiêng xoay. ............................................................ 14 1.5.3. Mô hình giàn với góc nghiêng thay đổi. .......................................................14 1.5.4. Mô hình giàn có kể đến ma sát giữa các vết nứt. ..........................................15 1.6. Kết luận và nhận xét cơ sở lý thuyết sự làm việc của dầm. ...................................16 --v-Chương 2. TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH ......................... 18 2.1. Tính toán khả năng chịu cắt của dầm theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012. [1]; [11] .......................................................................................................................... 18 2.1.1. Điều kiện tính toán. .......................................................................................18 2.1.2. Điều kiện bê tông chịu nén giữa các vết nứt xiên. ........................................19 2.1.3. Điều kiện độ bền của tiết diện nghiêng.........................................................20 2.2. Tính toán khả năng chịu cắt của dầm theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318–14. [6]; [8]; [15] .......................................................................................................................... 21 2.2.1. Khả năng chịu cắt của bê tông. .....................................................................22 2.2.3. Khả năng chịu cắt của cốt thép đai [6], [8], [15] ..........................................23 2.2.2.1. Khả năng chịu lực cắt của thép đai ........................................................23 2.3.2.2. Giới hạn về đường kính và khoảng cách của thép đai ........................... 24 2.3.4. Quy trình tính toán thép đai ..........................................................................25 2.3. Tính toán khả năng chịu cắt của dầm theo tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-1:2004 [7]; [16] .......................................................................................................................... 25 2.3.1. Khả năng chịu cắt của bê tông. .....................................................................25 2.3.2. Tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng ....................................................26 2.3.2.1. Mô hình giàn ảo [7], [16] .......................................................................26 2.3.2.2. Các công thức cơ bản .............................................................................27 2.3.2.3. Điều kiện hạn chế ...................................................................................28 2.3.3. Tính toán cốt thép đai ...................................................................................29 2.4. Tính toán khả năng chịu cắt của dầm theo tiêu chuẩn BS 8110-1:1997 [4]; .........30 2.4.1. Khả năng chịu cắt của bê tông. .....................................................................30 2.4.2. Khả năng chịu cắt của thép đai. ....................................................................31 2.4.3. Khả năng chịu cắt của dầm khi có thép đai. .................................................31 2.5. Trình tự tính toán khả năng chịu cắt của dầm theo các tiêu chuẩn. .......................32 2.5.1. Trình tự tính toán khả năng chịu cắt cho dầm theo TCVN 5574-2012. .......32 2.5.2. Trình tự tính toán khả năng chịu cắt cho dầm theo tiêu chuẩn ACI 318 –14. .......................................................................................................................................34 2.5.3. Trình tự tính toán khả năng chịu cắt cho dầm theo tiêu chuẩn Eurocode EN 1992 -1-1:2004. .............................................................................................................36 2.5.4. Trình tự tính toán khả năng chịu cắt cho dầm theo tiêu chuẩn BS 81101:1997. ........................................................................................................................... 38 2.6. Kết luận và nhận xét những đặc điểm các yếu tố ảnh hưởng khả năng chịu cắt của dầm theo các tiêu chuẩn. ............................................................................................... 40 --vi-2.6.1. Nhận xét và đánh giá những đặc điểm. .........................................................40 2.6.2. Kết luận cơ sở lý thuyết tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của dầm. ...................................................................................................................41 3.1. Đặt vấn đề về tính toán cấu kiện dầm chịu cắt .......................................................42 3.1.1. Các số liệu quy đổi theo các tiêu chuẩn. .......................................................42 3.1.2. Các vấn đề cần đề cập khảo sát đánh giá. .....................................................43 3.2. Ví dụ tính toán . ......................................................................................................44 3.2.1. Tính khả năng chịu cắt của dầm theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012............46 3.2.2. Tính khả năng chịu cắt theo tiêu chuẩn ACI 318-14 ....................................51 3.2.3. Tính khả năng chịu cắt theo tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-1:2004. ........55 3.2.4. Tính khả năng chịu cắt theo tiêu chuẩn BS 8110-1:1997. ........................... 58 3.3. Các trường hợp khảo sát tính toán. .........................................................................63 3.3.1. Trường hợp xét đến bê tông dầm chịu lực cắt không có cốt ngang. .............63 3.3.1.1. Xét trường hợp bê tông chịu lực cắt khi thay đổi cấp độ bền bê tông ...63 3.3.1.2. Xét trường hợp bê tông chịu lực cắt khi xét đến lực kéo, nén dọc trục .64 3.3.1.3. Xét trường hợp bê tông chịu lực cắt khi xét đến hàm lượng thép dọc ...65 3.3.1.4. Xét trường hợp bê tông chịu lực cắt khi xét đến tỷ số (a/d) ...................66 3.3.1.5. Xét trường hợp bê tông chịu lực cắt khi xét đến tỷ số (a/d) ...................67 3.3.2. Trường hợp xét đến dầm bê tông cốt thép chịu lực cắt có cốt ngang. ..........68 3.3.2.1. Xét trường hợp thép đai chịu cắt trong dầm...........................................68 3.3.2.2. Khả năng chịu lực cắt của dầm khi cấp độ bền thay đổi. .......................69 3.3.2.3. Khả năng chịu lực cắt của dầm khi lực dọc thay đổi. ............................ 70 3.3.2.4. Khả năng chịu lực cắt của dầm khi thay đổi hàm lượng thép dọc. ........71 3.3.2.5. Khả năng chịu lực cắt của dầm khi thay đổi tỷ số (a/d). ........................72 3.3.2.6. Khả năng chịu lực cắt của dầm khi thay đổi (d). ....................................73 3.4. Kết luận và nhận xét đánh giá về kết quả tính toán của các tiêu chuẩn .................74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 76 1. Kết luận......................................................................................................................76 2. Kiến nghị ...................................................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 78 --vii-DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 Chữ viết tắt Giải thích M Mô men uốn Q Lực cắt Rb Cường độ chịu nén tính toán của bê tông Rbt Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông Rsw Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ngang Rsc Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép Eb Mô đun đàn hồi của bê tông Es Mô đun đàn hồi của cốt thép b Chiều rộng tiết diện chữ nhật h Chiều cao của tiết diện chữ nhật a, a' Khoảng cách từ hợp lực trong cốt thép tương ứng với S và S' đến biên gần nhất của tiết diện h0, h'0 Chiều cao làm việc của tiết diện x Chiều cao vùng bê tông chịu nén  Chiều cao tương đối của vùng bê tông chịu nén, bằng x/h0 s Khoảng cách cốt thép đai theo chiều dài cấu kiện d Đường kính danh nghĩa của thanh cốt thép As, A's As,inc Là diện tích tiết diện của cốt thép chịu kéo và chịu nén Diện tích tiết diện của thanh cốt thép xiên  Hàm lượng cốt thép A Diện tích toàn bộ tiết diện ngang của bê tông Ab Diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu nén --viii-DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Tiêu chuẩn ACI 318-14 Chữ viết tắt Giải thích Mu Mô men do ngoại lực tác dụng từ các tổ hợp lực tính toán Mn Khả năng chịu lực của cấu kiện, xác định từ điều kiện cụ thể của tiết diện Ma Mô men lớn nhất dọc theo trục dầm Icr Mô men quán tính đối với trục đi qua trọng tâm tiết diện trường hợp tiết diện không có khe nứt Es Mô đun đàn hồi của cốt thép Ec Mô đun đàn hồi của bê tông s Biến dạng của cốt thép chịu kéo  's Biến dạng của cốt thép chịu nén f 'c Cường độ chịu nén của bê tông fr Cường độ chịu kéo của bê tông fy Cường độ chịu kéo của cốt thép a Chiều cao vùng bê tông chịu nén d Khoảng cách từ mép biên vùng nén tới lớp thép chịu kéo ngoài cùng d’ Khoảng cách từ mép biên vùng nén tới thép chịu kéo ngoài cùng b Bề rộng của tiết diện ngang  Hệ số giảm độ bền của cấu kiện  Hàm lượng cốt thép As, A’s Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo và chịu nén --ix-DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode EN 1992-1-1:2004 Chữ viết tắt Giải thích E Mô đun đàn hồi F Tải trọng (tác động) G Tải trọng thường xuyên I Mô men quán tính M Mô men uốn Q Tải trọng tạm thời T Mô men xoắn V Lực cắt b Chiều rộng tiết diện ngang d Chiều cao làm việc của tiết diện a’ Khoảng cách từ mép bê tông chịu nén tới trọng tâm cốt thép chịu nén e Độ lệch tâm h Chiều cao của tiết diện trong mặt phẳng uốn i Bán kính quán tính k Hệ số l Chiều dài hoặc nhịp s Khoảng cách giữa các cốt thép đai t Chiều dày x Khoảng cách từ mép bê tông chịu nén tới trục trung hòa Ac Diện tích tiết diện ngang của bê tông As Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo A’s Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu nén Asw Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu cắt (cốt thép đai, xiên) Es Mô đun đàn hồi của cốt thép --x-DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Tiêu chuẩn BS 8110-1:1997 Chữ viết tắt Giải thích Av Chiều dài phần cấu kiện cắt qua bởi mặt phẳng phá hoại Ac Diện tích tiết diện của bê tông Asv Tổng tiết diện ngang của các cốt thép đai tại trục trung hòa, tại tiết diện Ash Diện tích tiết diện cốt xiên bv Bề rộng tiết diện (đối với dầm có bản cánh, bề rộng này lấy bằng bề rộng trung bình của sườn nằm dưới cánh). d Chiều cao tính toán của tiết diện fyv Độ bền đặc trưng của cốt thép đai (không được lấy lớn hơn 460N/mm2). M Mô men giới hạn thiết kế tại tiết diện đang xét. N Lực dọc thiết kế. Sv Khoản cách giữa các cốt thép đai dọc theo cấu kiện. Sb Khoản cách giữa các cốt xiên. V Lực cắt thiết kế sinh ra do tải trọng giới hạn. Vb Khả năng chịu cắt thiết kế của cốt xiên v Ứng suất thiết kế tại tiết diện. vc Ứng suất cắt thiết kế của bê tông (tra bảng). v’c Ứng suất cắt thiết kế của bê tông được điều chỉnh theo lực dọc.  Góc giữa cốt xiên và trục dầm.  Góc giữa thanh dàn chịu nén của hệ cốt xiên với trục của dầm. --xi-DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 2.1 Giá trị các hệ số ảnh hưởng của bê tông 21 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép 40 3.1 Mẫu thí nghiệm và cường độ tính toán của bê tông 42 3.2 Hệ số an toàn của bê tông 43 3.3 Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép 43 3.4 Hệ số an toàn của cốt thép 43 3.5 Kết quả tính toán khả năng chịu lực cắt của bê tông và thép đai trong dầm 61 3.6 Kết quả khả năng chịu lực cắt của bê tông khi thay đổi “B” 63 3.7 Kết quả khả năng chịu lực cắt của bê tông khi có đổi lực dọc trục 64 3.8 Kết quả khả năng chịu lực cắt của bê tông khi kể đến hàm lượng thép dọc 65 3.9 Kết quả tính toán khả năng chịu lực cắt của bê tông khi xét đến tỷ số (a/d) 66 3.10 Kết quả tính toán khả năng chịu cắt của bê tông khi thay đổi "d" 67 3.11 Kết quả tính toán khả năng chịu lực cắt của thép đai 68 3.12 Kết quả khả năng chịu lực cắt của dầm khi thay đổi “B”, có thép đai 69 3.13 3.14 Kết quả khả năng chịu lực cắt của dầm khi thay đổi lực dọc, có thép đai Kết quả khả năng chịu lực cắt của dầm khi thay đổi hàm lượng thép dọc 70 71 3.15 Kết quả khả năng chịu lực cắt của dầm khi xét đến tỷ số (a/d), có thép đai. 72 3.16 Kết quả tính toán khả năng chịu lực cắt của bê tông khi thay đổi "d" 73 --xii-DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Mẫu bê tông thử cường độ chịu nén 3 1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo Rt 4 1.3a Biểu đồ  - ε của các loại thép dẻo 5 1.3b Biểu đồ  - ε của các loại thép rắn 5 1.4 Biến dạng dẻo của cốt thép 6 1.5 1.6a Sự phá hoại trên tiết diện nghiêng Phá hoại dầm bê tông cốt thép do mô men uốn 7 8 1.6b 1.7a 1.7b Thí nghiệm Phá hoại dầm bê tông cốt thép do mô men uốn Dạng phá hoại do ứng suất kéo chính Dạng phá hoại do ứng suất kéo chính 8 9 9 1.8a 1.8b 1.9 1.10 1.11 Dạng phá hoại cắt Thí nghiệm dạng phá hoại cắt Sự làm việc của dầm khi chịu tải trọng Sự làm việc của dầm sau khi nứt Sự làm việc của dầm khi bị nứt nghiêng 9 10 10 11 12 1.12 Phép tương tự giàn 13 1.13 Cân bằng trong giàn với góc nghiêng 45 Biểu đồ lực tại vùng cuối gối tựa và các lực tại vết nứt do ma sát 13 1.14 16 2.2 Sơ đồ nội lực trên tiết diện nghiêng với trục dọc cấu kiện bê tông cốt thép khi tính toán độ bền chịu lực cắt Bố trí thép đai trong dầm bê tông cốt thép 2.3 2.4 2.5 3.1 Mô hình giàn ảo Sơ đồ tính toán cốt thép đai Vị trí lực cắt nguy hiểm trên dầm Sơ đồ dầm chịu tải phân bố điều 27 28 31 44 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Sơ đồ tính toán nội lực dầm chịu tải phân bố điều Biểu đồ khả năng chịu cắt của bê tông trong dầm Biểu đồ khả năng chịu cắt của thép đai trong dầm Biểu đồ khả năng chịu cắt của dầm BTCT Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của bê tông, không xét lực dọc Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của bê tông, khi có lực dọc. 45 61 62 62 64 20 3.8 Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của bê tông, khi có hàm lượng thép dọc. 24 2.1 20 24 --xiii-Số hình Tên hình Trang 3.9 3.10 Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của bê tông khi thay đổi (a/d). Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của bê tông khi thay đổi (d). 65 66 3.11 Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của thép đai trong dầm. 67 3.12 Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của dầm khi có cốt thép đai  6, S=120mm. 68 3.13 Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của dầm khi có sự tham gia của lực dọc, cốt thép đai  6, S=120mm. 69 3.14 3.15 3.16 Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của dầm khi có sự tham gia của hàm lượng thép dọc, cốt thép đai  6, S=120mm. Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của dầm khi thay đổi tỷ số (a/d), cốt thép đai  6, S=120mm. Biểu đồ đánh giá khả năng chịu cắt của dầm khi thay đổi (d), cốt thép đai  6, S=120mm. 70 71 72 --1-MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong những năm gần đây, sự phát triên của nền kinh tế nước ta đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của ngành xây dựng. Các công trình xây dựng ngày càng phong phú về số lượng, qui mô và đa dạng về kết cấu như: kết cấu nhà cao tầng, kết cấu nhà nhịp lớn và hệ thanh đặc biệt...., đặt ra vấn đề cho chúng ta là phải quan tâm đến việc phát triển lý thuyết tính toán kết cấu công trình bê tông cốt thép, đánh giá khả năng chịu lực của cấu kiện là nhiệm vụ rất quan trọng trong công tác thiết kế hiện nay. Đã có nhiều tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của một số quốc gia trên thế giới, đề cập đến khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép, và đưa ra các điều kiện đặc trưng ảnh hưởng riêng của mình, về khả năng chịu lực của bê tông, và cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép. Trong thời gian vừa qua cũng có nhiều tác giả nghiên cứu đánh giá về khả năng chịu lực của dầm, với nhiều loại tiết diện cấu kiện dầm khác nhau, thông qua các bộ tiêu chuẩn xây dựng của một số quốc gia trên thế giới. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện hành của Việt Nam TCVN 5574-2012, có đề cập về vấn đề khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép. Tuy nhiên khi đưa ra quan niệm tính toán và các yếu tố ảnh hưỡng đến khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép, mỗi tiêu chuẩn đều có sự khác biệt rất lớn, từ đó sẽ có kết quả sai lệch rất nhiều giữa các bộ tiêu chuẩn với nhau. Xuất phát từ thực tế đó, trong luận văn này tác giả chọn đề tài “ Đánh giá khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép theo TCVN 5574-2012 và một số tiêu chuẩn khác ” nhằm giúp cho chúng ta có cái nhìn tường minh hơn về quan niệm tính toán, các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép, của tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 và một số tiêu chuẩn khác hiện hành. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài: - Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán khả năng chịu cắt của dầm, theo các tiêu chuẩn đang được áp dụng, tìm ra những đặc điểm khác biệt về quan niệm tính tính toán, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của bê tông và thép đai trong dầm bê tông cốt thép. - So sánh, đánh giá khả năng chịu lực cắt của dầm, theo các tiêu chuẩn nhằm giúp chúng ta có cái nhìn tổng thể hơn khi tính toán các cấu kiện chịu uốn, khi lựa chọn tính toán theo các bộ tiêu chuẩn hiện hành. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, so sánh khả năng chịu lực cắt của dầm bê tông cốt thép giữa một số tiêu chuẩn thiết kế. --2-- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực cắt của dầm bê tông cốt thép, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 55742012, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 314-14, tiêu chuẩn châu Âu Eurocode EN 1992-1-1:2004, tiêu chuẩn Anh BS 8110–1:1997. 4. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, tính toán, phân tích và so sánh đánh giá kết quả thiết kế giữa các tiêu chuẩn. 5. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp cơ sở lý thuyết tính toán khả năng chịu cắt trên dầm bê tông cốt thép, xây dựng trình tự các bước tính toán theo các tiêu chuẩn, trình bày nội dung nghiên cứu lý thuyết tính toán và so sánh kết quả đánh giá khả năng chịu cắt thiết kế của dầm bê tông cốt thép có cốt thép ngang chịu cắt, theo các tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 314-14, tiêu chuẩn châu Âu Eurocode EN 1992-1-1:2004, tiêu chuẩn Anh BS 8110–1:1997. Với các nội dung sau : - Quy trinh tính toán khả năng chịu lực cắt của dầm chịu uốn, tiết diện chữ nhật. - Khảo sát trên một ví dụ dầm đơn giản có tiết diện chữ nhật, chịu lực phân bố đều. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt bê tông không cốt thép. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt cốt thép đai. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của dầm khi cốt thép đai. - So sánh, đánh giá việc tính toán khả năng chịu lực cắt của dầm theo các tiêu chuẩn khi thay đổi cấp độ bền bê tông, tỷ lệ lực dọc, hàm lượng cốt thép dọc và hàm lượng thép đai chịu cắt trong dầm, nhằm giúp cho người thiết kế có cái nhìn tổng thể hơn khi tính toán các cấu kiện chịu uốn. 6. Bố cục luận văn: Phần 2 : NÔI DUNG LUẬN VĂN : Phần nội dung được trình bày gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan cơ sở lý thuyết dầm bê tông cốt thép. Chương 2: Tính toán khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép theo một số tiêu chuần hiện hành. Chương 3: Ví vụ tính toán và nhận xét đánh giá. Phần 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận. 2. Kiến nghị Phần 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO --3-Chương 1. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1. Tính chất cơ lý của vật liệu (bê tông) 1.1.1. Cường độ của bê tông [1] Cường độ là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu, tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc nó. Trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, cường độ chịu nén và chịu kéo của bê tông thường được quan tâm, trong đó cường độ chịu nén là đặc trưng cơ bản nhất để đánh giá chất lượng bê tông về mặt chịu lực. - Cường độ chịu nén Mẫu thử xác định cường độ chịu nén qui định hình dạng tiết diện thí nghiệm có dạng: Khối vuông (a = 100; 150; 200 mm), khối trụ đáy vuông hoặc đáy tròn (D = 160; S đáy = 200cm2, h = 2D = 320 mm) Rn  P A (1.1) Hình 1.1. Mẫu bê tông thử cường độ chịu nén [2] Trong đó: P: Là lực làm phá hoại mẫu. A: Là diện tích tiết diện ngang. - Cường độ chịu kéo Mẫu thử xác định cường độ chịu kéo dọc trục là mẫu kéo có tiết diện vuông cạnh a, hoặc mẫu uốn có tiết diện chữ nhật bxh. Với mẫu kéo Với mẫu uốn NK A 3,5M Rt  bh 2 Rt  Nk; M - Lực và mô men uốn làm phá hoại mẫu (1.2) (1.3) --4-- Hình 1.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo Rt [2] - Giá trị trung bình, đặc trưng, tiêu chuẩn và tính toán của cường độ + Giá trị cường độ trung bình: Rm  R i n (1.4) Ri : Là cường độ của các mẫu thử n: Số mẫu thử của cùng một loại bê tông + Giá trị cường độ đặc trưng: Rch = Rm (1 - Sυ) (1.5) S: Hệ số phụ thuộc vào xác suất, nếu đảm bảo 95% thì S = 1,64; υ: Hệ số phụ thuộc vào mức độ đồng chất của bê tông. + Giá trị cường độ tiêu chuẩn: Cường độ tiêu chuẩn về nén Rbn ; về kéo Rbtn Rbn= γkc Rch (1.6) Rbtn = γkc Rch (1.7) γkc: Hệ số kết cấu được lấy bằng 0,7 - 0,8 tùy thuộc vào Rch. + Giá trị cường độ tính toán: Rb   bi Rbn  bc (1.8) Rbt   bi Rbtn  bt (1.9) γbc ; γbt: Hệ số tin cậy của kết cấu khi nén và kéo γbc = 1,3÷1,5; γbt = 1,3÷2,3 tùy loại bê tông; γbi: Hệ số điều kiện làm việc của bê tông kể đến ảnh hưởng của tải trọng; Rb; Rbt: Cường độ tính toán chịu nén và chịu kéo của bê tông; Rbn; Rbtn: Cường độ tiêu chuẩn chịu nén chịu kéo của bê tông. --5-1.1.2. Số hiệu mác và cấp độ bền của bê tông - Mác bê tông theo cường độ chịu nén Mác bê tông được ký hiệu bằng chữ “M”, là con số lấy bằng cường độ trung bình của mẫu thử chuẩn, tính bằng (kG/cm3). Mẫu thử là khối vuông cạnh a = 15(cm), ở tuổi 28 ngày. Theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, bê tông có các loại mác sau: M50; M75; M100; M150; M200; M250; M300; M350; M400; M450; M500; M600. - Cấp độ bền chịu nén Tiêu chuẩn Việt Nam đã nêu mác bê tông theo cấp độ bền chịu nén ký hiệu là chữ “B”, được xác định bằng cường độ đặc trưng của mẫu thử chuẩn tính theo đơn vị (MPa), mẫu thử chuẩn là khối vuông cạnh a = 15 (cm). Tương quan “M” và “B” của bê tông được thể hiện như sau: B=..M Trong đó: (1.10)  - Hệ số đổi đơn vị từ (kG/cm2) sang (MPa): lấy  = 0,1;  - Hệ số chuyển đổi từ cường trung bình sang cường độ đặc trưng, với υ = 0,135 thì  = (1 – Sυ) = 0,778. Theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, cấp độ bền chịu nén của bê tông có các loại sau: B5; B7,5; B10; B12,5; B15; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60. - Cấp độ bền chịu kéo Cấu kiện bê tông làm việc chịu kéo, ngoài cấp độ bền B còn quy định thêm cấp độ bền chịu kéo “Bt”, bằng cường độ đặc trưng về kéo của bê tông, đơn vị (MPa). Theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, cấp độ bền chịu kéo của bê tông có các loại sau: Bt 0,5; Bt 0,8; Bt 1,2; Bt 1,6; Bt 2,0; Bt 2,4; Bt 2,8; Bt 3,2; Bt 3,6; Bt 4,0. 1.2. Tính chất cơ lý của vật liệu (cốt thép) 1.2.1. Đặc trưng cơ học a) Giới hạn bền: δB bằng ứng suất lớn nhất thép chịu được trước khi bị kéo đứt. Hình 1.3a .Biểu đồ  - ε của các loại thép dẻo [2] Hình 1.3b. Biểu đồ  - ε của các loại thép rắn [2] --6-Biểu đồ ứng suất - biến dạng của thép dẻo được thể hiện trên (hình 1.3a). Gồm một đoạn thẳng xiên OA, đoạn nằm ngang AB và đoạn cong BC. Đoạn OA ứng với giai đoạn làm việc đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất - biến dạng là đường bậc nhất. Đoạn AB ứng với trạng thái chảy dẻo, biến dạng tăng trong khi ứng suất không tăng được gọi là thềm chảy. Lúc này xác định được giới hạn chảy của cốt thép y. Đoạn BC ứng với giai đoạn củng cố sau khi chảy dẻo, ứng suất và biến dạng tiếp tục tăng lên cho đến * khi thép bị kéo đứt. Lúc này xác định được giới hạn bền B và biến cực hạn  x . Biểu đồ ứng suất - biến dạng của thép rắn được thể hiện trên (hình 1.3b) gồm đoạn thẳng OA và đường cong AC. Đoạn OA ứng với trạng thái làm việc đàn hồi. Đoạn cong AC ứng với giai đoạn cốt thép có biến dạng dẻo. Khi bị kéo đứt xác định được giới hạn bền B và biến cực hạn  x* . Giới hạn đàn hồi và biến dạng dẻo: δdh bằng ứng suất ở cuối giai đoạn đàn hồi Hình 1.4. Biến dạng dẻo của cốt thép [2] Khi kéo thép trong giới hạn đàn hồi (chưa đến điểm A), giảm lực thì toàn bộ biến dạng được khôi phục, đường biển diễn  - ε khi giảm lực về điểm O gốc tọa độ. Khi kéo thép đến điểm D nào đó vượt qua điểm A (quá giới hạn đàn hồi), giảm lực thì đồ thị  - ε ứng với giảm lực là đường thẳng DO’ song song với OA, không trở về gốc mà vẫn còn một phần biến dạng không hồi phục, đó là biến dạng dẻo pl (hoặc biến dạng dư), khi điểm D càng xa điểm A thì pl càng lớn. Giới hạn chảy: δch lấy bằng ứng suất ở đầu giai đoạn chảy. Với loại thép không có giới hạn chảy và giới hạn đàn hồi người ta qui định giới hạn qui ước. Giới hạn đàn hồi qui ước ứng với biến dạng dư tỉ đối là 0,02%. Giới hạn chảy qui ước ứng với biến dạng dư tỉ đối là 0,2%. 1.2.2. Phân loại cốt thép. Để có số liệu để tính toán ta tạm chấp nhận theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 gồm 5 nhóm: RB300(1); RB400(2); RB500(3); RB400w(4); RB500w(5). Con số ghi ở mỗi loại thép bằng giới hạn chảy trung bình tính theo đơn vị (MPa). Ba loại 1;2;3 là thép khó hàn, loại 4;5 là thép dễ hàn. --7-+ Các đặc trưng cơ học của cốt thép Nhóm cốt thép Đường kính (mm) Giới hạn chảy (KG/cm2) Giới hạn bền Độ giãn dài cực hạn (%) C-I 6-10 2200 3800 25 C-II 10-40 3000 5000 19 C-III 6-40 4000 6000 14 C-IV 10-32 6000 9000 6 + Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép Cường độ tiêu chuẩn được lấy bằng cường độ giới hạn chảy (thực tế hoặc qui ước) với xác suất bảo đảm không dưới 95%. Môđun đàn hồi của cốt thép Es. - Cốt mềm:d≤ 40(mm), có thể uốn được (tiết diện vuông, tròn... trơn hoặc có gờ). - Cốt cứng: d > 40(mm), thép I, L U (các cốt cứng này có thể tham gia chịu lực trong quá trình thi công). Mô đun đàn hồi của cốt thép (Es) được lấy bằng độ dốc của đoạn OA trên biểu đồ ứng suất - biến dạng. Có Es vào khoảng 180000 - 210000 (MPa) phụ thuộc loại thép. 1.3. Các hình thức phá hoại của dầm theo tiết diện nghiêng. q Q M M Q Hình 1.5: Sự phá hoại trên tiết diện nghiêng [5] Ở các vị trí có lực cắt lớn, ứng suất pháp do mô men uốn và ứng suất tiếp do lực cắt sẽ gây ra những ứng suất kéo chính nghiêng với trục dầm một góc  (thường  = 450) làm xuất hiện những vết nứt nghiêng do: + Mô men uốn làm quay hai phần dầm xung quanh vùng nén. + Lực cắt kéo tách hai phần dầm theo phương vuông góc với trục dầm. Các cốt thép dọc, cốt thép đai và cốt thép xiên tại vị trí vết nứt nghiêng sẽ chống lại sự quay của hai phần dầm trên, đồng thời cốt thép ngang (cốt thép đai và cốt xiên) có tác dụng chống lại sự kéo tách của hai phần dầm. Sự phá hoại sẽ xảy ra khi: + Do phần bê tông giữa các vết nứt bị ép vỡ; + Do các cốt thép không đủ khả năng chịu lực; --8-+ Đo các cốt thép bị kéo tuột khi neo không chặt. Sự phá hoại trên tiết diện nghiêng có liên quan tới 2 thành phần nội lực là mô men và lực cắt. Nhưng hiện nay tiêu chuẩn thiết kế vẫn tách việc tính toán trên tiết diện nghiêng theo riêng lực cắt và theo mô men. 1.3.1. Phá hoại do dầm chịu mô men uốn. Khi dầm tham gia chịu lực, dưới tác dụng của mô men tại giữa dầm, khe nứt xuất hiện thẳng đứng ở khoảng 1/3 giữa nhịp dầm và vuông góc với phương của quỹ đạo ứng suất chính kéo chủ yếu do ứng suất chính max. Khi tải trọng tác dụng bằng 50% giá trị (max), một số khe nứt đã xuất hiện ở giữa nhịp. Khi tải trọng tăng lên, bề rộng khe nứt mở rộng và phát triển về phía trục trung hòa, độ võng của dầm tăng lên. Hình 1.6a. Phá hoại dầm bê tông cốt thép do mô men uốn [8] Nếu trong trường hợp dầm bố trí thép vừa và ít, sự phá hoại sẽ bắt đầu từ cốt thép chịu kéo bị chảy dẻo, dầm bị phá hoại dẻo. Tỷ số khoảng cách a từ lực tác dụng đến gối tựa và chiều cao dầm (a/d) trong trường hợp này vượt quá giá trị 5,5 đối với tải trọng tập trung và 16 đối với tải trọng phân bố. Hình 1.6b. Thí nghiệm Phá hoại dầm bê tông cốt thép do mô men uốn Nguồn: [Tham khảo] 1.3.2. Phá hoại do dầm chịu ứng suất kéo chính (lực cắt). Trường hợp xảy ra phá hoại do chịu ứng suất nén chính kém hơn ứng suất do mô men uốn gây ra. Trong trường hợp tải tập trung với tỷ số a/d = 2,5÷5,5, dầm được xem là dầm có độ mảnh trung bình.