Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Kiến trúc xây dựng Xác định khả năng chịu tải của vách ngắn bê tông cốt thép sử dụng mô hình giàn ả...

Tài liệu Xác định khả năng chịu tải của vách ngắn bê tông cốt thép sử dụng mô hình giàn ảo

.PDF
78
31
79

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN LẬP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA VÁCH NGẮN BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả phương án nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Văn Lập MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến ................................................................................................... 2 6. Bố cục đề tài ....................................................................................................... 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO ................................................ 3 1.1. Sơ lƣợc về mô hình giàn ảo và ứng dụng của mô hình giàn ảo ............................... 3 1.1.1. Giới thiệu mô hình giàn ảo ................................................................................ 3 1.1.2. Mô hình giàn ảo ................................................................................................. 3 1.2. Nội dung của mô hình giàn ảo .................................................................................. 4 1.2.1. Giả thuyết cấu tạo và nguyên lý chung lập mô hình giàn ảo ............................. 4 1.2.2. Kết cấu của mô hình giàn ảo.............................................................................. 8 1.2.3. Các bộ phận cấu thành của mô hình giàn ảo ..................................................... 9 1.2.4. Nội lực trong mô hình giàn ảo ......................................................................... 10 1.3. Các phƣơng pháp để lựa chọn mô hình giàn ảo ..................................................... 13 1.3.1. Phƣơng pháp cấu trúc liên kết ......................................................................... 13 1.3.2. Phƣơng pháp vùng ứng suất ............................................................................ 13 1.3.3. Phƣơng pháp năng lƣợng biến dạng ................................................................ 13 1.4. Vách ngắn ............................................................................................................... 14 1.4.1. Khái niệm ......................................................................................................... 14 1.4.2. Sự làm việc của vách ngắn .............................................................................. 14 1.5. Tính toán khả năng chịu cắt của vách theo ACI 318-14 ........................................ 16 1.6. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 17 CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CỦA VÁCH NGẮN BẰNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO. .......................................................................... 18 2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 18 2.2. Mô hình giàn ảo cho vách ngắn .............................................................................. 18 2.2.1. Phân tích mô hình giàn ảo................................................................................ 18 2.2.2. Khả năng chịu cắt của thanh chống bê tông trong vách ngắn ......................... 21 2.2.3. Khả năng chịu cắt của cốt thép chống cắt trong vách ngắn ............................. 24 2.3. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 32 CHƢƠNG 3. XÁC MINH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI THÍ NGHIỆM................... 33 VÍ DỤ MINH HỌA - KHẢO SÁT THAM SỐ ............................................................ 33 3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 33 3.2. Xác minh kết quả tính toán với thực nghiệm ......................................................... 33 3.3. Ví dụ tính toán ........................................................................................................ 39 3.4. Khảo sát tham số .................................................................................................... 48 3.4.1. Ảnh hƣởng của cƣờng độ bê tông tới khả năng chịu tải ngang của vách ........ 48 3.4.2. Ảnh hƣởng của cốt thép dọc tới khả năng chịu tải ngang của vách ................ 51 3.4.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng cốt thép ngang tới khả năng chịu tải ngang của vách ............................................................................................................................ 52 3.4.4. Ảnh hƣởng của kích thƣớc hình học tới khả năng chịu tải ngang của vách .... 54 3.5. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 57 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao). BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (bản sao). TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA VÁCH NGẮN BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO. Học viên: Nguyễn Văn Lập Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Kết cấu vách bê tông cốt thép đƣợc sử dụng phổ biến trong công trình nhà cao tầng vì khả năng chịu tải trọng ngang lớn. Vách đƣợc phân thành hai loại: vách ngắn và vách mảnh. Với vách mảnh (tỉ số giữa chiều cao với bề rộng vách hw/lw lớn hơn 2) chủ yếu chịu uốn và chống lại tác dụng của tải trọng ngang gây ứng suất nén và kéo do mô men uốn tại vùng biên của vách, trong khi đó đối với vách ngắn (hw/lw <2) đƣợc chi phối bởi cắt là chủ yếu. Hiện nay, phƣơng pháp tính toán và thiết kế vách còn khá hạn chế, tiêu chuẩn Việt Nam chƣa đề cập đến việc thiết kế vách. Theo ACI 318-14, khả năng chịu tải trọng ngang của vách đƣợc là tổng khả năng chịu cắt của bê tông phần bụng và cốt thép theo phƣơng ngang bất chấp tỉ số hw/lw. Sự đóng góp của cốt thép chịu cắt theo phƣơng đứng không đƣợc xét trong tiêu chuẩn ACI 318-14 mặc dù hiệu quả của cốt thép chịu cắt theo phƣơng đứng đến sự làm việc của vết nứt nghiêng và tăng khả năng chịu tải khi có sự giảm của hw/lw. Do đó, cần một phƣơng pháp khác để giải thích cơ chế truyền lực và đơn giản tính toán là cần thiết. Qua lý thuyết tính toán, ví dụ tính toán, kết quả thực nghiệm và khả sát tham số cho thấy khả năng tham gia chịu tải trọng ngang của cốt thép dọc và đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng chịu cắt của vách. Từ khóa - Vách ngắn, bê tông cốt thép, ACI 318-14, mô hình giàn ảo, cơ chế truyền tải trọng cắt. CALCULATING THE SHEAR CAPACITY OF SQUAT REINFORCED CONCRETE SHEAR WALLS BY STRUT AND TIE MODEL Abstract – Reinforced concrete shear wall is commonly used in high-rise buildings because of its resistance ability to large horizontal load. Shear walls are commonly classified into two types: slender walls and squat walls. In slender walls (the aspect ratio of height to width is more than 2), lateral loads generate compressive and tensile stresses at the boundary regions located at both ends of the walls. Meanwhile, squat shear walls (hw/lw <2) are governed by shear. At present, the method of calculating and designing the walls is quite limited. Vietnam standards have not mentioned the design of the walls. In the design provision of ACI 318-14, the nominal shear strength of walls is specified to be the sum of the load transfer contributions of web concrete and the horizontal shear reinforcement, regardless of hw/lw. The load transfer contribution of the vertical shear reinforcement is not considered in the ACI 318-14 provision, although the effectiveness of this vertical shear reinforcement on the diagonal crack control anh load transfer capatity increases with a decrease in hw/lw. Therefore, another method of explaining the transmission mechanism and simplifying calculations is needed. Key words – Squat shear walls, Reinfoced concrete, ACI 318-14, Strut and tie model, Shear transfer mechanisms. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU Ag Diện tích mặt cắt ngang của vách; Ah Diện tích cốt thép ngang ; As Av bo Diện tích cốt thép dọc tại vùng biên; Diện tích tổng cốt thép chống cắt thẳng trong vùng giữa; Chiều dài của mặt bích nhô ra; bw c Chiều rộng của vách; Chiều cao đƣờng trung hòa; d' ds Chiều cao có ích từ thớ chịu nén ngoài biên tới trọng tâm của cốt thép nén; Chiều cao có ích từ thớ chịu nén ngoài biên tới trọng tâm của cốt thép chịu Ec Es f′c Mô đun đàn hồi của bê tông; Mô đun đàn hồi của của cốt thép; Cƣờng độ nén bê tông; kéo; Gf Năng lƣợng nứt gãy danh nghĩa của bê tông; h Chiều cao của vách; hf Độ dài dải nứt; h0 Giá trị đặc trƣng cụ thể đại diện cho độ dài cuối của dải nứt; Ic Tốc độ giải phóng năng lƣợng trên một đơn vị độ dày của vách do sự tăng trƣởng của dải nứt ở dải giảm áp; Is Tốc độ giải phóng năng lƣợng của cốt thép chống cắt do sự mở rộng dải nứt; jd lc lweb N n Rc RN Rs Khoảng cách giữa nút đỉnh và đáy; Chiều dài vùng biên; Chiều dài vùng giữa; Tải nén dọc trục; Tỷ lệ mô đun đàn hồi giữa cốt thép và bê tông; Năng lƣợng tiêu hao trong dải nứt; Tỷ lệ tải trọng trục ứng dụng; Năng lƣợng tiêu hao trong vùng mở rộng dải nứt; sc sce sh Khoảng cách trung bình giữa các vết nứt nhỏ; Khoảng cách của các vết nứt nhỏ dọc trục trong vùng mở rộng dải nứt; Khoảng cách của cốt thép ngang; sv Khoảng cách của cốt thép dọc; Vc Vn Khả năng chịu cắt của bê tông trong vách; Khả năng chịu cắt của vách; Vs Khả năng chịu cắt của cốt thép chống cắt; (Vn)Exp. Khả năng chịu tải ngang đo đƣợc của vách ngắn; (Vn)Pre. Khả năng chịu tải ngang tính toán của vách ngắn; Wcc Wss Tổng năng lƣợng tiêu hao trong dải nứt; Tổng năng lƣợng tiêu hao trong vùng mở rộng dải nứt do cốt thép chống cắt; wb Độ rộng tƣơng đƣơng của một giao điểm đáy đƣợc hình thành tại điểm phản ứng của giao diện giữa tƣờng và móng; wf wi Độ rộng của dải giảm áp; Độ rộng của vùng mở rộng dải nứt; ws Độ rộng có ích của thanh chống bê tông; wt αh1 αh2 Độ cao có ích của thanh chống bê tông; Tỷ lệ truyền tải ngang của cốt thép ngang; Tỷ lệ truyền tải đứng của cốt thép ngang; αs Tỷ lệ hình dạng của vách; αv1, αv2 Tỷ lệ truyền tải ngang, đứng của cốt thép dọc; β Góc cốt thép chống cắt đến trục cốt thép dọc; γcs Tỷ lệ khả năng chịu tải bên dự đoán so với khả năng chịu tải bên đo đƣợc; γcs,m Tỷ lệ trung bình khả năng chịu tải bên dự đoán so với khả năng chịu tải bên đo đƣợc; γcs,s Độ lệch tiêu chuẩn của tỷ lệ khả năng chịu tải bên dự đoán so với khả năng chịu tải bên đo đƣợc; γcs,v Sự biến thiên tỷ lệ khả năng chịu tải bên dự đoán so với khả năng chịu tải bên đo đƣợc; ΔUc Tổn thất năng lƣợng biến dạng; ΔUs Tổn thất năng lƣợng biến dạng ở các thanh cốt thép chống cắt thẳng và ngang; Θ Góc nghiêng của thanh chống bê tông và giằng dọc; νe1 Hệ số hiệu quả của bê tông; ρc Dung trọng khô của bê tông; ρh ρs ρv Tỷ lệ cốt thép chống cắt ngang; Tỷ lệ cốt thép dọc tại phần tử biên; Tỷ lệ cốt thép chống cắt thẳng; σh Ứng suất trung bình của cốt thép chống cắt ngang; σN σs Ứng suất chiều trục trong thanh chống bê tông; Ứng suất chiều trục trong cốt thép dọc; σv Ứng suất trung bình của cốt thép chống cắt thẳng. DANH MỤC CÁC BẢNG Số Tên bảng hiệu Trang 1.1. Tra hệ số βs, βn là hệ số hiệu quả 12 3.1. Các mẫu thí nghiệm 33 3.2. Kết quả thực nghiệm, tỉ lệ (ycs = (Vn)Exp/(Vn)Pre ) giữa các khả năng chịu cắt thực tế và đƣợc tính toán của vách ngắn BTCT. 38 3.3. Tổng hợp giá trị khảo sát tham số cƣờng độ của bê tông ảnh hƣởng tới khả năng chịu cắt của vách ngắn. 49 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. Tổng hợp giá trị khảo sát tham số cƣờng độ của bê tông ảnh hƣởng tới khả năng chịu cắt của vách ngắn. Tổng hợp giá trị khảo sát tham số hàm lƣợng cốt thép dọc ảnh hƣởng tới khả năng chịu cắt của vách ngắn. Tổng hợp giá trị khảo sát tham số cƣờng độ của bê tông ảnh hƣởng tới khả năng chịu cắt của vách ngắn. Tổng hợp giá trị khảo sát tham số cƣờng độ của bê tông ảnh hƣởng tới khả năng chịu cắt của vách ngắn. 50 51 53 54 DANH MỤC CÁC HÌNH Số Tên hình hiệu Trang 1.1. Ứng dụng mô hình giàn ảo 4 1.2. Mô hình giàn ảo của dầm bê tông cốt thép nhịp đơn giản 5 1.3. Giàn đúng và không đúng 7 1.4. Từ dạng bố trí của các vết nứt suy ra dạng hợp lý của mô hình giàn ảo 8 1.5. Thanh chống 9 1.6. Các vùng nút thủy tĩnh 10 1.7. Các vùng nút trong phần giao nhau của cấu kiện 10 1.8. Các mô hình tính toán kích thƣớc thanh chống 11 1.9. Sơ đồ kích thƣớc hình học vách 14 1.10. Dải nứt chéo trong vách ngắn khi chịu tải trọng ngang 15 1.11. Dải nứt chéo trong vách ngắn khi làm việc thực tế thí nghiệm 15 1.12. Dải ứng suất trong vách ngắn khi chịu tải trọng ngang 16 2.1. Mô hình thực tế khảo sát giàn ảo cho vách 18 2.2. Cân bằng nội lực tại nút 19 2.3. Mô hình giàn ảo đề xuất của vách (Yang and Mun. 2016) 19 2.4. Dải giảm áp và vùng dải nứt lý tƣởng hóa trong vách 20 2.5. Độ rộng tƣơng đƣơng của nút đáy 23 2.6. Sự lý tƣởng hóa vùng hạn chế vết nứt do cốt thép chống cắt. 25 2.7. Cơ chế truyền lực của cốt thép chống cắt dọc và ngang 27 2.8. Tỷ lệ truyền tải bằng cốt thép dọc và ngang 27 Sơ đồ kích thƣớc hình học vách ngắn thí nghiệm thực tế theo 3.1. Dabbagh, H (2005) 33 3.2. Chuẩn bị cốp pha (Dabbagh, H .2005) 34 3.3. Lắp dựng cốt thép (Dabbagh, H .2005) 34 3.4. Lắp dựng cảm biến đo (Dabbagh, H .2005) 35 3.5. Mẫu đạt cƣờng độ (Dabbagh, H .2005) 35 3.6. Gia tải (Dabbagh, H .2005) 36 3.7. Sơ đồ gia tải thí nghiệm vách (Dabbagh, H .2005) 36 3.8. Kết thúc thí nghiệm mẫu SD1 (Dabbagh, H .2005) 37 3.9. Kết thúc thí nghiệm mẫu SD3 (Dabbagh, H .2005) 37 3.10. Ví dụ tính toán vách 39 Số hiệu Tên hình Trang 3.11. Ví dụ tính toán vách 44 Biểu đồ thể hiện ảnh hƣởng của cƣờng độ bê tông tới khả năng chịu 3.12. cắt của vách ngắn (khi hw/lw=1) 49 Biểu đồ thể hiện ảnh hƣởng của cƣờng độ bê tông tới khả năng chịu 3.13. cắt của vách ngắn (khi hw/lw=1.5) 50 Biểu đồ thể hiện ảnh hƣởng của hàm lƣợng cốt thép dọc tới khả năng 3.14. chịu cắt của vách ngắn 52 Biểu đồ thể hiện ảnh hƣởng của hàm lƣợng cốt thép ngang tới khả 3.15. năng chịu cắt của vách ngắn 53 Biểu đồ thể hiện ảnh hƣởng kích thƣớc hình học tới khả năng chịu cắt 3.16. của vách ngắn 54 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Kết cấu vách bê tông cốt thép đƣợc sử dụng phổ biến trong công trình nhà cao tầng vì khả năng chịu tải lớn. Với vách mảnh (tỉ số giữa chiều cao với bề rộng vách hw/lw lớn hơn 2) chủ yếu chịu uốn và chống lại tác dụng của tải trọng ngang gây ứng suất nén và kéo do mô men uốn tại vùng biên của vách. Trong khi đó vách ngắn hw/lw <2 đƣợc chi phối bởi cắt là chủ yếu. Hiện nay, công cụ tính toán và thiết kế vách còn khá hạn chế, tiêu chuẩn Việt Nam chƣa đề cập đến việc thiết kế vách trong khi đó tiêu chuẩn ACI 318 thực hiện tính vách thông qua các công thức thực nghiệm. Theo ACI 318, khả năng chịu tải trọng ngang của vách đƣợc là tổng khả năng chịu cắt của bê tông phần bụng và cốt thép theo phƣơng ngang bất chấp tỉ số hw/lw. Sự chịu tải trọng của bê tông đƣợc xác định bằng thực nghiệm dựa trên các vết nứt nghiêng của vách trong khi đó cốt thép theo phƣơng ngang đƣợc suy ra từ việc cân bằng tải trọng trong thanh giàn nghiêng 450. Sự đóng góp của cốt thép chịu cắt theo phƣơng đứng không đƣợc xem xét trong tiêu chuẩn ACI 318 mặt dù hiệu quả của cốt thép chịu cắt theo phƣơng đứng đến sự làm việc của vết nứt nghiêng và tăng khả năng chịu tải khi có sự giảm của hw/lw. Do đó kết quả thiết kế vách theo ACI 318 quá an toàn khi bỏ qua ảnh hƣởng của cốt thép chịu cắt theo phƣơng đứng nên chƣa hiệu quả kinh tế trong thiết kế. Hơn nữa công thức tính theo ACI 318 cho việc đánh giá khả năng chịu tải trọng ngang của vách đƣợc thiết lập trƣớc đây sử dụng dữ liệu thí nghiệm. Các tham số ảnh hƣởng đến khả năng chịu cắt và cơ chế truyền lực không đƣợc giải thích rõ do đó cần một phƣơng pháp khác để giải thích cơ chế truyền lực và đơn giản tính toán là cần thiết. Với tải trọng ngang và dọc trục tác dụng đến vách có thể đƣợc xem xét sự chuyển lực trực tiếp đến gối tựa thông qua thanh chống của bê tông khi đó kết quả của mô hình giàn ảo trở nên phù hợp và công cụ thiết kế hợp lý cho vách ngắn và đó là lý do để thực hiện đề tài: “Xác định khả năng chịu tải của vách cứng bê tông cốt thép sử dụng mô hình giàn ảo”. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Tổng quan mô hình giàn ảo trong thiết kế vách ngắn bê tông cốt thép; - Lựa chọn mô hình giàn ảo hiệu quả và đơn giản tính toán cho vách ngắn; - Xác minh mô hình tính với kết quả thí nghiệm; - Thực hiện các ví dụ tính toán ; - Khảo sát tham số. 2 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu: Vách ngắn bê tông cốt thép (tỉ số hw/lw<2); - Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng lý thuyết tính toán khả năng chịu lực của vách sử dụng mô hình giàn ảo. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phƣơng pháp lý thuyết: Thu thập tài liệu, tìm hiểu lý thuyết tính toán vách BTCT, lý thuyết mô hình giàn ảo trong tiêu chuẩn ACI và các tài liệu hiện có về mô hình giàn ảo tính toán cho vách bê tông cốt thép; - Xây dựng mô hình giàn ảo đơn giản tính toán vách ngắn BTCT và xác minh với kết quả thực nghiệm. 5. KẾT QUẢ DỰ KIẾN - Tính toán khả năng chịu tải trọng ngang của vách ngắn bằng sơ đồ giàn ảo; - Đánh giá độ tin cậy của mô hình tính với thực nghiệm; - Thực hiện các ví dụ để khảo sát các tham số. 6. BỐ CỤC ĐỀ TÀI Đề tài gồm có 3 chƣơng: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO Chƣơng 2: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CỦA VÁCH NGẮN BẰNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO. Chƣơng 3: XÁC MINH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI THÍ NGHIỆM, VÍ DỤ MINH HỌA, KHẢO SÁT THAM SỐ 3 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO 1.1. Sơ lƣợc về mô hình giàn ảo và ứng dụng của mô hình giàn ảo 1.1.1. Giới thiệu mô hình giàn ảo Cấu kiện BTCT khi xét ở giới hạn cực hạn sẽ có sự thay đổi lớn trong trạng thái làm việc của các bộ phận cấu kiện. Trạng thái làm việc của các bộ phận đƣợc chia làm hai dạng: Vùng chịu lực theo kiểu dầm, vùng này đƣợc khảo sát dựa trên cơ sở giả thuyết Becnuli, lý thuyết dầm. Vùng chịu lực có đặc tính không liên tục về hình học hoặc về tĩnh học đƣợc gọi là vùng D. Trong vùng B trạng thái ứng suất tại một mặt cắt bất kỳ dễ dàng tính toán từ các tác động tại một mặt cắt bằng các phƣơng pháp thông thƣờng, với điều kiện là vùng này không bị nứt và thỏa mãn định luật Húc, các ứng suất sẽ đƣợc tính toán theo lý thuyết uốn sử dụng các đặc trƣng mặt cắt. Trong vùng D trạng thái ứng suất bị thay đổi đột ngột, bị gián đoạn về hình học (những chổ bị lồi lõm, các góc khung…) hoặc bị gián đoạn về tĩnh học (những nơi có lực tập trung). Gián đoạn tĩnh học phát sinh từ các lực tập trung hoặc các phản lực gối và các neo cốt thép dự ứng lực. Cách giải quyết vùng D: Từ trƣớc đến nay phần lớn việc tính toán kết cấu bê tông cốt thép chỉ quan tâm nhiều đến vùng B, việc tính toán thiết kế vùng D thƣờng dựa trên kinh nghiệm hoặc quan sát thực nghiệm. Trong thời gian gần đây việc nghiên cứu tính toán vùng D đã đƣợc các tổ chức: Hiệp hội bê tông dự ứng lực, viện bê tông Hoa kỳ và Ủy ban bê tông Châu Âu nghiên cứu đƣa ra những quy định tiêu chuẩn thiết kế đối với vùng D khá chi tiết. Theo các tổ chức này thì trạng thái làm việc của bê tông trong giai đoạn giới hạn cực hạn đƣợc tính theo mô hình toán cơ và mô hình tốt nhất đƣợc sử dụng là mô hình hình giàn ảo. 1.1.2. Mô hình giàn ảo Mô hình giàn ảo đƣợc ứng dụng trong phân tích và thiết kế cho vùng gần tải trọng tập trung, các góc và các liên kết của khung, vùng gần lỗ hổng, những vùng có biến dạng phi tuyến. Mô hình giàn ảo áp dụng cho các cấu kiện nhƣ: - Dầm cao; - Đài cọc co chiều cao lớn; - Vách ngắn, vách có lỗ mở; 4 - Vai cột chịu tải trọng tập trung; - Các cấu kiện có hình dạng phức tạp Hình 1.1. Ứng dụng mô hình giàn ảo 1.2. Nội dung của mô hình giàn ảo 1.2.1. Giả thuyết cấu tạo và nguyên lý chung lập mô hình giàn ảo Trạng thái làm việc của vùng D có thể đƣợc mô tả nhƣ sau: Trƣớc khi hình thành vết nứt, một trƣờng ứng suất đàn hồi tồn tại có thể xác định bằng cách sử dụng phƣơng pháp phân tích đàn hồi. Khi hình thành vết nứt sẽ làm đảo lộn trƣờng ứng suất này, gây ra sự phân bố, định hƣớng lại mà chủ yếu là các thành phần nội lực. Sau khi hình thành vết nứt các thành phần nội lực có thể đƣợc mô hình hóa bằng cách sử dụng mô hình giàn ảo. Khi đó có thể tƣởng tƣợng kết cấu bê tông côt thép đƣợc mô phỏng bằng một kêt cấu giàn ảo bao gồm các thanh chịu nén, các thanh giằng chịu kéo và các nối của các thanh đó là vùng nút của giàn ảo. Nếu phần đầu mút của thanh chống hẹp hơn so với ở đoạn giữa của các chống này có thể nứt theo chiều dọc. Các thanh cống có cốt thép nằm ngang để chống nứt có thể chịu tải trọng lớn hơn và sẽ hƣ hỏng do bị nén vỡ. Sự hƣ hỏng cũng có thể do sự chảy dẻo của các thanh giằng chịu kéo có chiều hƣớng phá hoại dẻo. 5 Hình 1.2. Mô hình giàn ảo của dầm bê tông cốt thép nhịp đơn giản a. Các giả thiết Xét dầm đơn giản chịu tác dụng của lực tập trung, bị nứt: Trong dầm sẽ có hệ lực với các thành phần : (1) Lực nén trong bản cánh dầm phía đỉnh, Ct; (2) Lực kéo phía đáy, Tb; (3) Lực kéo thẳng đứng trong cốt thép đai, Tv; (4) Lực nén nghiêng trong thanh chéo bê tông giữa các vết nứt xiên, Ci; Hệ lực này đƣợc thay thế bằng một mô hình giàn ảo. Để thiết lập mô hình giàn ảo, cần có các giả định và đơn giản hóa. Cụ thể nhƣ sau: + Tất cả cốt thép đai bị cắt theo mặt cắt A-A đƣợc mô hình hóa thành một cấu kiện thẳng đứng b-c gọi là thanh giằng (ảo). + Tất cả cấu kiện bê tông bị cắt theo mặt cắt B-B đƣợc mô hình hóa thành cấu kiện e-f gọi là thanh chống (ảo). Cấu kiện xiên này chịu ứng suất nén để kháng lại lực cắt trên mặt cắt B-B. + Phần biên trên giàn ảo chịu nén dọc là một lực thực sự trong bê tông nhƣng đƣợc biểu diễn dƣới dạng một cấu kiện giàn ảo. + Các cấu kiện nén trong giàn ảo đƣợc vẽ bằng các đƣờng nét đứt để ám chỉ chúng là các lực trong bê tông. Các cấu kiện chịu kéo đƣợc quy ƣớc vẽ bằng đƣờng nét liền. b. Các bước chung để thành lập một mô hình giàn ảo Đầu tiên phải xác định đầy đủ các điều kiện biên của những vùng đƣợc mô hình hóa, ta có thể làm nhƣ sau: + Xác định kích thƣớc hình học, tải trọng, điều kiện gối của toàn bộ kết cấu. 6 + Chia 3 kích thƣớc kết cấu bằng những mặt phẳng khác nhau để dễ dàng phân tích riêng bởi mặt trung bình của hệ thanh. Phần lớn các trƣờng hợp kết cấu sẽ đƣợc chia theo các mặt trực giao hoặc có thể song song với nhau. + Xác định phản lực gối bằng các sơ đồ tĩnh học lý tƣởng. Với những kết cấu siêu tĩnh, giả thiết sự làm việc là đàn hồi tuyến tính. + Chia kết cấu thành những vùng B và D + Xác định nội ứng suất của những vùng B và xác định kích thƣớc của những vùng B bằng mô hình giàn ảo hoặc sử dụng những phƣơng pháp thông thƣờng mà quy trình thiết kế đã cho phép. + Xác định những lực tác dụng riêng lên vùng D để phục vụ cho việc xét đƣờng truyền lực của chúng. Ngoài tải trọng ra còn phải xét những ứng suất biên trong những mặt cắt phân chia các vùng D và B, chúng đƣợc lấy từ kết quả thiết kế vùng B theo các giả định và mô hình của vùng B. + Kiểm tra những vùng D riêng rẽ theo sự cân bằng. c. Định hướng tối ưu hóa mô hình giàn ảo Hiểu biết về sự phân bố ứng suất là tối quan trọng đối với ngƣời thiết kế, cho phép chúng ta giảm đi một số lƣợng lớn các mô hình mà vẫn đảm bảo đƣợc các điều kiện sử dụng đặt ra của kết cấu. Do vậy để tạo thuận lợi cho việc định hƣớng, các mô hình theo dòng lực biểu thị bởi ứng suất đàn hồi. Để đƣa ra cách bố trí cốt thép thích hợp và khả thi cần có một vài điều chỉnh mô hình theo dòng lực và phù hợp với các đặc tính đặc trƣng riêng của kết cấu bê tông cốt thép. Điều này bao gồm các yếu tố sau: + Cách bố trí cốt thép nên thỏa mãn các yêu cầu thực tế để đơn giản hóa việc lập mô hình nhƣ sử dụng cốt thép thẳng với số lƣợng các chổ uốn cong là tối thiểu, nên bố trí các cốt thép thẳng góc và song song với các cạnh của kết cấu khi có thể. + Các cốt thép gần bề mặt nên đƣợc đặt lựa theo các cạnh và các mặt của kết cấu để khống chế nứt một cách hợp lý. + Trong trạng thái bê tông đã nứt, các thanh cốt thép sẽ hƣớng theo dòng của các lực kéo, thực chất chúng là các thanh kéo của mô hình, vị trí biết trƣớc. + Sự sắp xếp của cốt thép cần phải đủ tƣơng ứng với mọi trƣờng hợp tải trọng khác nhau. Điều này là một trong các lý do giải thích tại sao quỹ đạo ứng suất không phải là cơ sở duy nhất để thiết kế cốt thép, mà quỹ đạo ứng suất sẽ biến đổi nhƣ một hàm của tải trọng. + Sự hình thành các vết nứt và biến dạng dẻo của vật liệu kết cấu sẽ làm phân phối lại nội lực nhƣ đƣợc xác định trên cơ sở của lý thuyết đàn hồi. Mô hình lựa chọn 7 mang những lực tối thiểu và biến dạng có thể. Vì các thanh kéo có biến dạng lớn hơn các thanh chống nên mô hình các thanh kéo nhỏ nhất và ngắn nhất sẽ là tốt nhất. Trong trƣờng hợp nghi vấn, kết quả chiều dài thanh li và lực kéo Ti có thể sử dụng nhƣ một tiêu chuẩn để tối ƣu hóa mô hình: Ti li min imum (1.1) Với trƣờng hợp ngoại lệ, các thanh chống chịu ứng suất lớn trên một chiều dài đáng kể, vì vậy nó sẽ có biến dạng trung bình tƣơng đối cao tƣơng tự nhƣ biến dạng của các thanh kéo, nó cũng đƣợc đƣa ra trong tiêu chuẩn tối ƣu: Fi li i min imum (1.2) Trong đó: Fi : Lực trong thanh chống hoặc thanh nén thứ i li : Chiều dài của thanh i i : Biến dạng trung bình của thanh i. Hình 1.3. Giàn đúng và không đúng Cách tiếp cận này sẽ cho phép cùng một lúc xem xét các biến dạng nhỏ hơn của các thanh kéo trong kết cấu bê tông đã nứt hoặc chƣa nứt. Nguyên tắc này giúp loại trừ các mô hình sai. d. Sự phù hợp mô hình giàn ảo với thực trạng vết nứt Nếu có sẵn về bức ảnh về các mẫu vết nứt thì có thể giúp ta chọn một mô hình giàn ảo tốt nhất. Hình sau thể hiện mẫu vết nứt trong một đầu lắp mộng ở vùng tựa của một dầm đúc sẵn. Trong hình (d) thanh chống B-D đi qua một vùng nứt mẫu thí nghiệm, điều này cho thấy đấy không phải là vị trí hợp lý với thanh chống. 8 Hình 1.4. Từ dạng bố trí của các vết nứt suy ra dạng hợp lý của mô hình giàn ảo 1.2.2. Kết cấu của mô hình giàn ảo Kết cấu và hình dạng của mô hình giàn ảo đƣợc xác định bằng cánh tay đòn nội ngẫu lực z giữa hai thanh ngang và góc của thanh chống xiên hoặc ứng suất nén của thân giàn ảo. Việc xác định z và theo nguyên tắc sau. a. Cánh tay đòn ngẫu lực z Đƣợc xác định từ việc thiết kế chịu uốn của mặt cắt ngang tại các vị trí có moment lớn nhất. Nó đƣợc xem là không đổi trong suốt vùng có moment uốn giữ nguyên dấu. Z = j.d (1.3) Với : j: Hệ số không thứ nguyên (theo ACI lấy gần đúng = 0,875 - 1) d: Chiều cao mặt cắt ngang dầm b. Góc nghiêng của thanh chống xiên Đƣợc xác định từ việc thiết kế chịu cắt của mặt cắt ngang và những thay đổi về độ lớn của lực dọc trục hoặc lực căng trƣớc. Nó đƣợc xem là không đổi trong suốt vùng có lực cắt giữ nguyên dấu. 9 1.2.3. Các bộ phận cấu thành của mô hình giàn ảo a. Thanh chịu nén ảo Hình 1.5. Thanh chống Trong mô hình giàn ảo, các thanh chống tƣơng ứng với các trƣờng ứng suất nén của bê tông theo hƣớng của thanh chống. các thanh chống đƣợc lý tƣởng hóa có dạng nhƣ lăng trụ hoặc các cấu kiện thon đều nhƣng thƣờng thay đổi mặt cắt ngang dọc theo chiều dài của nó, vì bê tông ở đoạn giữa chiều dài thanh chống rộng hơn so với hai đầu. Đôi khi là thành dạng hình chai hoặc các mô hình giàn cục bộ. Việc trải rộng các lực nén làm tăng lực kéo ngang, có thể là nguyên nhân làm cho thanh chịu kéo bị nứt theo chiều dọc. Nếu thanh chống không có cốt thép ngang, nó có thể bị hƣ hỏng sau khi sự hình thành vết nứt này xảy ra. Trong các mô hình chống và giằng, các thanh chống đƣợc thể hiện bằng các đƣờng đứt dọc theo trục của các thanh chống. b. Các thanh chịu kéo ảo Bộ phận cấu thành chính thứ hai của một mô hình giàn ảo là thanh chịu kéo. Thanh chống này tƣơng đƣơng với một hoặc một vài lớp cốt thép đặt cùng hƣớng đƣợc thiết kế với As.fy Tn trong đó Tn = Tu là lực do thanh kéo kháng lại. Các thanh giằng chịu kéo có thể bị phá hỏng do không co neo giằng ở đầu. Sự neo giằng của các thanh chịu kéo trong các vùng nút là một phần quan trọng của việc tính toán thiết kế vùng D sử dụng mô hình giàn ảo. Các thanh chịu kéo thể hiện bằng các đƣờng liền nét trong mô hình giàn ảo. c. Các nút của giàn ảo Các mối nối trong mô hình thanh chịu kéo và thanh chống còn đƣợc hiểu nhƣ là các vùng nút. Ba hoặc nhiều lực gặp nhau tại một nút. Các lực gặp nhau tại một nút phải cân bằng. có nghĩa là Fx=0, Fy = 0 và M = 0 đối với điểm nút. Điều kiện thứ 3 ngụ ý rằng
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan