Nghiên cứu tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng dựa theo TCVN 5574 2012 và TCVN 5575 2012 (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

THÁI BÁ TUẤN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CỘT BÊ TÔNG SỬ DỤNG
CỐT CỨNG DỰA THEO TCVN 5574:2012 VÀ TCVN 5575:2012

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

THÁI BÁ TUẤN
KHOÁ 2011-2013

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CỘT BÊ TÔNG SỬ DỤNG
CỐT CỨNG DỰA THEO TCVN 5574:2012 VÀ TCVN 5575:2012
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ: 60.58.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ MINH LONG

Hà Nội - Năm 2013


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện Luận văn này, tác giả được người hướng dẫn
khoa học: TS. Lê Minh Long tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận
lợi để tác giả hoàn thành Luận văn của mình. Qua đây tác giả xin gửi lời cảm
ơn chân thành tới thầy!
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các cán bộ của
khoa Đào tạo sau Đại Học thuộc Trường Đại Học Kiến Trúc Hà Nội đã giúp
đỡ và chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Do thời gian thực hiện Luận văn không nhiều và trình độ tác giả có hạn,
mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng trong Luận văn sẽ không tránh khỏi những
sai sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo,
cô giáo, cùng các bạn đồng nghiệp để Luận văn hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2013
Tác giả luận văn

Thái Bá Tuấn


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành xây dựng dân
dụng và công nghiệp với đề tài “Nghiên cứu tính toán cột bêtông sử dụng

cốt cứng dựa theo TCVN 5574:2012 và TCVN 5575:2012” là luận văn do
cá nhân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong Luận văn là trung
thực, có nguồn gốc rõ ràng và tuân thủ theo Tiêu chuẩn Xây dựng hiện hành.
Kết quả nghiên cứu không sao chép bất kỳ tài liệu nào khác.
Tác giả luận văn

Thái Bá Tuấn


MỤC LỤC
Lời cảm ơn ……………………………………………………………...….....
Lời cam đoan …………………………………………………………...….....
Mục lục ……………………………………...……………………………......
Danh mục các ký hiệu ……………………………………………………......
Danh mục các bảng ………………………………………………………......
Danh mục các hình vẽ ……………………………………………………......
Trang
A. PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................... 1

Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1
Mục đích nghiên cứu......................................................................................... 2
Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 2
Phạm vi nghiên cứu........................................................................................... 2
Phương pháp nghiên cứu................................................................................... 2
Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài .......................................................... 3
Cấu trúc của luận văn ........................................................................................ 3
B. PHẦN NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN ............................................................... 4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CỘT BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT CỨNG ....... 4

1.1 Khái niệm về cấu kiện bê tông sử dụng cốt cứng ....................................... 4

1.2 Sự phát triển của cấu kiện cột bê tông cốt cứng ......................................... 4
1.3 Ưu điểm và nhược điểm của cột bê tông sử dụng cốt cứng ....................... 9
1.3.1 Ưu điểm.................................................................................................... 9
1.3.2 Nhược điểm ............................................................................................10
1.4 Tình hình nghiên cứu phương pháp tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng
ở Việt Nam và trên thế giới.............................................................................11
1.4.1 Trên thế giới ...........................................................................................11
1.4.2 Ở Việt Nam ............................................................................................23


CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CỘT BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT
CỨNG THEO TIÊU CHUẨN TCVN 5574:2012 VÀ TCVN 5575:2012 ........... 24

2.1 Các yêu cầu chung.....................................................................................24
2.2 Các yêu cầu về vật liệu..............................................................................25
2.2.1

Bê tông................................................................................................25

2.2.2

Cốt mềm..............................................................................................28

2.2.3

Cốt cứng..............................................................................................30

2.3 Phương pháp tính toán cột bê tông chịu nén sử dụng cốt cứng ................32
2.3.1

Các giả thiết tính toán .........................................................................32

2.3.2

Độ lệch tâm ........................................................................................32

2.3.3

Ảnh hưởng uốn dọc ...........................................................................34

2.3.4

Tính toán độ bền cột chịu nén ...........................................................38

2.3.5

Tính toán tiết diện chữ nhật khi có lực dọc trong mặt phẳng đối xứng

................... ......................................................................................................40
2.3.6

Tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm xiên .........................................50

2.4 Yêu cầu cấu tạo .........................................................................................53
2.4.1

Kích thước tối thiểu của tiết diện cột..................................................53

2.4.2

Lớp bê tông bảo vệ ............................................................................54

2.4.3

Bố trí cốt thép .....................................................................................54

2.5 Quy trình tính toán ....................................................................................58
2.5.1

Xác định các thông số vật liệu đầu vào ..............................................58

2.5.2

Xác định tải trọng ...............................................................................59

2.5.3

Sơ đồ tính toán tiết diện......................................................................60

2.5.4

Quy trình tính toán cột bê tông có tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm

sử dụng cốt cứng. ............................................................................................60
CHƯƠNG III: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ..................................................................... 65

Ví dụ 1: kiểm tra độ bền tiết diện cột chịu nén lệch tâm theo 1 phương. .......65


Ví dụ 2: Kiểm tra độ bền tiết diện chịu nén lệch tâm xiên .............................71

C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 78

1. Kết luận .......................................................................................................78
2. Kiến nghị và phương hướng nghiên cứu tiếp..............................................78
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….


1

A. PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong xây dựng công trình, đặc biệt là với nhà cao tầng luôn đòi hỏi cao
các yêu cầu về mặt kiến trúc, kết cấu công trình, bên cạnh đó, thời gian thi
công ngắn và giá thành xây dựng thấp là một tiêu chí rất quan trọng. Vì vậy,
việc tìm kiếm một giải pháp kết cấu, cùng với biện pháp thi công hợp lý nhằm
tiết kiệm thời gian, nhân lực, vật liệu mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu trên
đang được các nhà tư vấn thiết kế, nhà thầu thi công cũng như các nhà đầu tư
đặc biệt quan tâm.
Một dạng kết cấu phổ biến được áp dụng nhiều ở các nước phát triển như
Nga, Mỹ, các nước thuộc liên minh Châu Âu, Singapo, Trung Quốc…là bê
tông sử dụng cốt cứng. Ở Việt Nam loại kết cấu này cho đến nay vẫn sử dụng
rất ít, có lẽ do chúng ta chưa được đầu tư nghiên cứu nhiều. Tuy nhiên, do các
ưu điểm của loại kết cấu này mang lại, cùng với tốc độ phát triển nhà cao tầng
như hiện nay, trong tương lai loại kết cấu này sẽ được sử dụng rộng rãi ở
nước ta.
Việc tính toán cấu kiện bê tông cốt cứng hiện đang còn gặp nhiều khó
khăn đối với các kỹ sư tư vấn thiết kế do chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán
cấu kiện bê tông sử dụng cốt cứng nói chung và cột bê tông sử dụng cốt cứng
nói riêng. Tuy nhiên nếu dựa theo hai tiêu chuẩn TCVN 5574: 2012 và TCVN
5575: 2012 thì hoàn toàn có thể tính toán được bởi các lý do sau đây:

+ Bản chất của tiêu chuẩn TCVN 5574: 2012 và TCVN 5575: 2012 là
các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 356:2005 và TCXDVN 338:
2005 đã được chuyển ngang và đổi tên thành tiêu chuẩn quốc gia nhưng nội
dung không thay đổi. Hai tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam này đều được
chuyển dịch từ các tiêu chuẩn tương ứng của Nga là SNIP 2.03.01-84* về
thiết kế kết cấu bê tông cốt thép và SNIP II-23-81* về thiết kế kết cấu thép;


2

+ Trong hệ thống tiêu chuẩn của Nga không có tiêu chuẩn riêng để thiết
kế cấu kiện cột bê tông dùng cốt cứng, nhưng có hướng dẫn tính toán dựa
theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và thiết kế kết cấu thép.
Vì vậy, vấn đề được đặt ra là cần nghiên cứu, áp dụng tài liệu, tiêu chuẩn
và hướng dẫn của Nga để bổ sung cho phần hướng dẫn còn đang thiếu hụt
trong hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam. Để làm rõ được vấn đề này, tác giả lựa
chọn đề tài “ Nghiên cứu tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng dựa theo tiêu
chuẩn TCVN 5574: 2012 và TCVN 5575: 2012” để đưa ra quy trình thiết kế
cụ thể cho cột bê tông sử dụng cốt cứng.
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu các yêu cầu về vật liệu, tải trọng và nguyên lý cấu tạo
đối với cột bê tông sử dụng cốt cứng dựa theo tiêu chuẩn TCVN
5574: 2012 và TCVN 5575: 2012;
- Nghiên cứu tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng theo tiêu chuẩn
thiết kế TCVN 5574: 2012 và TCVN 5575: 2012 trên cơ sở tài liệu,
tiêu chuẩn, hướng dẫn của Nga;
- Đưa ra quy trình (các bước cụ thể) tính toán cột bê tông tiết diện chữ
nhật chịu nén lệch tâm sử dụng cốt cứng.
Đối tượng nghiên cứu
Cấu kiện cột bê tông tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm sử dụng thép

hình làm cốt.
Phạm vi nghiên cứu
Trạng thái giới hạn thứ nhất về độ bền của cột.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được những nội dung trên, tác giả đã sử dụng những
phương pháp nghiên cứu như: phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích
tài liệu, phương pháp lý luận biện chứng


3

Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài
Với đề tài “Nghiên cứu tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng dựa theo
tiêu chuẩn TCVN 5574: 2012 và TCVN 5575: 2012” tác giả muốn đưa ra quy
trình tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng làm tài liệu tham khảo cho các
học viên cao học và có thể áp dụng được trong thiết kế tính toán ở Việt Nam
dựa theo tiêu chuẩn TCVN 5574: 2012 và TCVN 5575: 2012.
Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn
được bố trí thành 3 chương (chương I, II và III), cụ thể là:
Chương I: Tổng quan về cột bê tông sử dụng cốt cứng.
Chương II: Nghiên cứu tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng theo tiêu
chuẩn TCVN 5574: 2012 và TCVN 5575: 2012.
Chương III: Ví dụ tính toán.


THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


78

C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
- Trong luận văn đã nghiên cứu được phương pháp tính toán cột bê tông
chịu nén sử dụng cốt cứng dựa theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 và TCVN
5575:2012. Đây là một vấn đề mà lâu nay gây khó khăn cho các kỹ sư thiết kế
muốn áp dụng hệ thống tiêu chuẩn thiết kế hiện hành để đảm bảo tính đồng bộ
trong việc áp dụng do hiện nay ở nước ta chưa có một tiêu chuẩn hay hướng
kỹ thuật chuyên ngành chính thức nào quy định cho công việc này;
- Phương pháp tính toán cột chịu nén sử dụng cốt cứng trong luận văn
chính là phương pháp tính toán của Nga theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê
tông và bê tông cốt thép SNIP 2.03.01-84* và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép
SNIP II-21-81* (đã được chuyển dịch thành TCXDVN 356:2005 và
TCXDVN 338: 2005 trước đây và mới được chuyển ngang thành TCVN
5574:2012, TCVN 5575:2012 với nội dung không thay đổi);
- Luận văn được viết dựa trên cuốn hướng dẫn thiết kế bê tông sử dụng cốt
cứng của Nga và đã được đưa ra quy trình (các bước cụ thể) kiểm tra độ bền
cột bê tông tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm sử dụng cốt cứng là thếp hình;
- Ngoài ra trong luận văn cũng đưa ra các yêu cầu về cấu tạo cũng như một
số ví dụ tính toán minh họa;
- Luận văn này là một tài liệu cần thiết và có thể sử dụng như một hướng
dẫn thiết kế giúp cho các kỹ sư có thể tính toán cột bê tông sử dụng cốt cứng

hoàn toàn đồng bộ với hệ thống tiêu chuẩn hiện hành.
2. Kiến nghị và phương hướng nghiên cứu tiếp
Cột bê tông cốt cứng có các dạng tiết diện ngang như đã giới thiệu ở
chương tổng quan (Hình 1.1) và cốt cứng được sử dụng cũng có rất nhiều
hình dáng khác nhau (Hình 2.5). Trong luận văn này, tác giả đã nghiên cứu và
đưa ra quy trình tính toán ở trạng thái giới hạn thứ nhất về độ bền cho cột bê


79

tông chịu nén tiết diện hình chữ nhật có cốt cứng và cốt mềm tập trung về hai
phía là biên chịu nén, chịu kéo và cột bê tông chịu nén tiết diện chữ nhật có sử
dụng cốt cứng đối xứng mà bụng của nó song song với mặt phẳng tác dụng
của mô men uốn còn cánh và cốt mềm nằm ở các biên của cấu kiện. Trong
luận văn mới chỉ nghiên cứu tính toán cấu kiện cột bê tông chịu nén tiết diện
chữ nhật sử dụng cốt cứng ở giai đoạn làm việc thứ hai của kết cấu (giai đoạn
cốt cứng làm việc đồng thời với bê tông), do đó cần nghiên cứu thêm ở các đề
tài tiếp theo một số vấn đề như:
- Nghiên cứu quy trình tính toán các dạng cột có tiết diện khác như
tiết diện tròn;
- Nghiên cứu quy trình tính toán cột nhồi bê tông sử dụng cốt cứng;
- Nghiên cứu quy trình tính toán ở trạng thái giới hạn thứ hai.


D. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Bộ khoa học và công nghệ (2012), TCVN 5574:2012 Kết cấu bê tông

và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản xây dựng, Hà
Nội.

[2]. Bộ khoa học và công nghệ (2012), TCVN 5575:2012 Kết cấu thép -

Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[3]. Bộ xây dựng (2005), TCXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[4]. Bộ xây dựng (2005), TCXDVN 338:2005 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn

thiết kế, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[5]. Bộ xây dựng (2005), Hướng dẫn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt

thép theo TCXDVN 356:2005, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[6]. Bộ xây dựng (2005), Hướng dẫn thiết kế kết cấu thép theo TCXDVN

338:2005, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[7]. Bộ xây dựng (1996), TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động – Tiêu

chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[8]. Bộ xây dựng (1975), TCVN 1765:1975 Thép cacbon kết cấu thông

thường. Mác thép và yêu cầu kỹ thuật, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[9]. Bộ xây dựng (1993), TCVN 5709:1993 Thép cacbon cán nóng dùng

cho xây dựng. Yêu cầu kỹ thuật, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[10]. Bộ xây dựng (1979), TCVN 3104:1979 Thép kết cấu hợp kim thấp.

Mác, yêu cầu kỹ thuật, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
[11]. Bộ xây dựng (2006), TCVN 7571-15:2006 Thép hình cán nóng. Phần

15: Thép chữ I - Kích thước và đặc trưng mặt cắt, Nhà xuất bản xây

dựng, Hà Nội.


[12]. Bộ xây dựng (2012), TCVN 9346:2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt

thép. Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển, Nhà xuất
bản xây dựng, Hà Nội.
[13]. PGS. TS. Phạm Văn Hội (2010), Kết cấu liên hợp thép bê tông dùng

trong nhà cao tầng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
[14]. American Concrete Institure (2008), Building code requirements for

structural concrete (ACI 318M-08) and commentary, USA.
[15]. American Institution of Steel Construction (1993), AISC, Load and

Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings,
Chicago.
[16]. BS EN 1994-1-1:2004 (2004), Eurocode 4: Design of composite steel

and concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for
buildings.
[17]. Furlong, R.W, (1967), Strength of steel-encased concrete beam

columns, J. Struct. Div. ASCE, 93, pp 113–124.
[18]. Eggemann, H, (2003). “Development of Composite Columns –

Emperger´s Effort”. Proceedings of the First International Congress on
Construction History. Ed. S. Huerta. 20.-24. Januar 2003. Madrid:
Instituto Juan de Herrera, ETSA. pp.787-798.

[19]. Galambos, T.V. and Chapuis, J., (1980), LRFD Criteria for Composite

Columns and Beam Columns, revised draft, Washington University,
Department of Civil Engineering, St. Louis, MO,.
[20]. Burr, W. H., (1908). The reinforced concrete work of the McGraw

Building. Transactions, ASCE, vol. 60, pp.443-457.
[21]. Emperger, F., (1913). Weitere Versuche mit umschnürten Gußeisen.

Beton und Eisen, vol. 12, pp.30-37; 137-139.


[22]. Emperger, F., (1911). Hohle Gußeisensäule mit einem Mantel aus

umschnürtem Beton. German Reich Patent no. 291068.
[23]. Swain, F. W., Holmes, A. F., (1915). An Investigation of the Strength

and Elastic Properties of Concrete-filled Pipe Columns. Proceedings,
vol. 15, Part II, ASTM, pp.230-244.
Tiếng Nga
[24]. Госстрой (1975), СНиП II-21-75, Бетонные и железобетонные

конструкции, Mосква.
[25]. Госстрой (1972), СНиП II-B.3-72, Cтальные конструкции.Нормы

проектированияю, Mосква.
[26]. Госстрой (1971), СНиП II-A.10-71, Cтроительные конструкции и

основные положения проектирования, Mосква.
[27]. Госстрой (1989), СНиП 2.03.01-84*,Бетонные и железобетонные

конструкции, Mосква.
[28]. Госстрой (2005), СНиП 2-23-81*, Cтальные конструкции.Нормы

проектированияю, Mосква.
[29]. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных

конструкций (к СниПу 2.03.01-84*).
[30]. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СниПу II-

23-81*)
[31]. М.Стройиздат,

(1978)

Руководство

по

проектированию

железобетонных конструкций с жесткой арматрурой.
[32]. Бондаренко

В.М., Суворкин Д.Г,1987, Железобетонные и

каменные конструкций, М., Высшая школа,