ứng xử của cột BTCT tiết diện chữ L chịu tải trọng động đất

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của bản luận văn này chưa được nộp cho bất
kỳ một chương trình cấp bằng cao học nào cũng như bất kỳ một chương trình
đào tạo cấpp bằng nào khác.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn này ( ngoài các phần
được trích dẫn) đều trung thực có nguồn gốc rõ ràng.
TP. Hà Nội, ngày

tháng năm 2018

Tác giả

Trần Đức Tùng


ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo Sau Đại học,
Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến PGS - TS Nguyễn Xuân
Huy đã tận tình giúp đỡ và cung cấp những tài liệu quý báu giúp tôi trong quá
trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Trong quá trình học tập cao học tại Trường Đại học Giao thông Vận tải,
quá trình nghiên cứu đề tài và đạt được như ngày hôm nay tôi xin cảm ơn và ghi
nhớ công lao của các Thầy giáo, cô giáo đã nhiệt tình giảng dạy và hướng dẫn.
Tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình, và đồng nghiệp đã giúp
đỡ và tạo điều kiện để tôi được học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận văn.
Quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn chắc chắn chưa đáp ứng
được một cách đầy đủ nhất những vấn đề đã đặt ra và không thể tránh khỏi

những thiếu sót và hạn chế. Tác giả xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm
túc những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Trân trọng cảm ơn./.
Tác giả

Trần Đức Tùng


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... vi
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT BTCT CÓ TIẾT DIỆN BẤT ĐỐI
XỨNG .................................................................................................................... 3
1.1. Tìm hiểu chung:............................................................................................. 3
1.2. Sự làm việc của cột BTCT tiết diện chữ L ............................................... 10
1.2.1. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu cột BTCT tiết diện chữ L .............. 10
1.2.2. Các nhược điểm của các nghiên cứu.......................................................... 20
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN CỘT BTCT TIẾT DIỆN CHỮ L......... 21
2.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 21
2.1.1. Khái niệm nén lệch tâm ............................................................................ 21
2.1.2. Các trường hợp nén lệch tâm .................................................................... 24
2.2. Nghiên cứu mô phỏng ................................................................................ 26
2.2.1. Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi .................................................... 26
2.2.2. Phương pháp giả thiết vùng biên chịu mô men ........................................ 28
2.2.3. Đặt bài toán so sánh .................................................................................. 30

2.2.4. Thiết kế cột ................................................................................................. 31
2.2.5. Thiết kế cột chữ L ...................................................................................... 35
2.2.6. Thiết kế cột vuông ...................................................................................... 41
2.2.7. So sánh độ cứng tiết diện vuông và tiết diện chữ L .................................. 45
2.2.8. So sánh giải pháp thiết kế hai loại cột....................................................... 51


iv
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỘT BTCT CHỊU ĐỒNG
THỜI TẢI TRỌNG NGANG VÀ TẢI TRỌNG THẲNG ĐỨNG ................ 53
3.1. Giới thiệu thí nghiệm ................................................................................. 53
3.2. Phân tích kết quả........................................................................................ 55
3.2.1. Quan sát mẫu thí nghiệm thứ nhất ............................................................. 57
3.2.2. Quan sát mẫu thí nghiệm thứ hai ............................................................... 63
3.3. Đánh giá ảnh hưởng của phân bố cốt thép tới ứng xử cột BTCT tiết
diện chữ L ........................................................................................................... 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 80
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 82


v
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Kết quả thí nghiệm .............................................................................. 19
Bảng 2.1: Tính toán cột lệch tâm xiên ................................................................. 23
Bảng 2.2: Thông số thiết kế kết cấu công trình ................................................... 30
Bảng 2.3: Kết quả tính trong phần vách 1.......................................................... 39
Bảng 2.4: Kết quả tính trong phần vách 2........................................................... 40
Bảng 2.5: So sánh giải pháp thiết kế hai loại cột ................................................ 51
Bảng 3.1 : Tổng hợp kết quả thí nghiệm............................................................. 75

Bảng 3.2: So sánh kết quả thí nghiệm hai mẫu thí nghiệm ................................ 76


vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Mặt đứng tổng thể công trình............................................................... 4
Hình 1. 2 : Bên trong căn hộ - vị trí tiết diện cột điển hình ................................... 5
Hình 1. 3: Mặt đứng tòa nhà đang thi công ........................................................... 6
Hình 1. 4: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L ................................... 7
Hình 1. 5: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L ................................... 8
Hình 1. 6: Vị trí cột dạng vách sau khi đổ bê tông ................................................ 9
Hình 1. 7: Mẫu thí nghiệm ................................................................................... 10
Hình 1. 8: Mặt cắt ngang của cột ........................................................................ 11
Hình 1. 9: Cột trước và sau thí nghiệm ............................................................... 11
Hình 1. 11: So sánh giữa cột chữ L và cột hình vuông ........................................ 12
Hình 1. 12: Sơ đồ thí nghiệm và chi tiết các mẫu ............................................... 13
Hình 1. 13: Dạng phá hoại của cột có mặt cắt chữ L .......................................... 14
Hình 1. 14: Mặt cắt các tiết diện cột trong thí nghiệm ........................................ 15
Hình 1. 15: Sơ đồ thí nghiệm ............................................................................... 16
Hình 1. 16: Thực hiện thí nghiệm ........................................................................ 16
Hình 1. 17: Hình ảnh mẫu sau thí nghiệm ........................................................... 18
Hình 2. 1: Sơ đồ nội lực nén lệch tâm xiên ......................................................... 21
Hình 2. 2: Sơ đồ tính toán cột lệch tâm xiên....................................................... 22
Hình 2. 3: Sơ đồ tính cột dạng vách .................................................................... 26
Hình 2. 4: Minh hoạ cách chia phần tử ................................................................ 27
Hình 2. 5: Mặt cắt & mặt đứng vách tính theo phương pháp vùng biên ............ 29
Hình 2. 6: Mô hình công trình sử dụng giải pháp cột vuông ............................... 33
Hình 2. 7: Mô hình công trình sử dụng giải pháp cột L....................................... 34
Hình 2. 8: Kích thước tiết diện hình chữ L và tọa độ trọng tâm .......................... 35
Hình 2. 9: Chia vách 1 thành 4 phần tử ............................................................... 38

Hình 2. 10 Chia vách 2 thành 4 phần tử............................................................... 39


vii
Hình 2. 11: Bố trí cốt thép trong cột tiết diện chữ L ............................................ 41
Hình 2. 12 Kích thước mặt cắt ngang của tiết diện cột hình vuông .................... 42
Hình 2. 13: Bố trí cốt thép trong cột hình vuông ................................................ 45
Hình 2. 14 : Biếu đồ so sánh chuyển vị phương X, Y cột vuông ........................ 46
Hình 2. 15: Biểu đồ so sánh chuyển vị phương X,Y cột L .................................. 47
Hình 2. 16: Kết quả so sánh chuyển vị hai cột..................................................... 48
Hình 2. 17: Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động của hai cột ................................... 49
Hình 2. 18: Biểu đồ so sánh môment chân cột .................................................... 51
Hình 3. 1: Cơ cấu làm việc cột tầng 1 .................................................................. 53
Hình 3. 2: Thiết kế thí nghiệm ............................................................................. 53
Hình 3. 3: Thiết kế bản mũ cột............................................................................. 54
Hình 3. 4: Thiết kế bản đế cột .............................................................................. 54
Hình 3. 5: Đổ bê tông mẫu ................................................................................... 54
Hình 3. 6: Hình vẽ bố trí thép cột hai thí nghiệm ................................................ 55
Hình 3. 7 : LVDT gắn tại đỉnh cột ....................................................................... 56
Hình 3. 8: Đầu đo gia tốc gắn tại đỉnh cột .......................................................... 56
Hình 3. 9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm và mặt đứng mẫu ......................................... 56
Hình 3. 10: Quá trình lắp dựng mẫu thí nghiệm thứ nhất .................................... 58
Hình 3. 11: Các vết nứt ngang xuất hiện.............................................................. 59
Hình 3. 12: Các vết nứt thí nghiệm mẫu thứ nhất ................................................ 60
Hình 3. 13: Kết thúc thí nghiệm ........................................................................... 61
Hình 3. 14: Các loại vết nứt quan sát được sau thí nghiệm ................................ 63
Hình 3. 15: Lắp dựng mẫu thí nghiệm vào giá .................................................... 64
Hình 3. 16: Lắp đặt các cảm biến........................................................................ 65
Hình 3. 17: Lăp đặt hệ kích vào thân cột ............................................................. 65
Hình 3. 18: Quá trình trang trí mẫu thí nghiệm ................................................... 66

Hình 3. 19 : Mẫu thí nghiệm sau khi được hoàn tất............................................. 66


viii
Hình 3. 21: Khoảng cách vết nứt ngang (phương vuông góc tải trọng) ............. 68
Hình 3. 22: Các vết nứt phát triển về số lượng lan ra mặt sau của cột ............... 68
Hình 3. 23: Các vết nứt nghiêng xuất hiện (cùng phương tải trọng) ................... 69
Hinh 3. 21: Đo chuyển vị ..................................................................................... 70
Hình 3. 24: Kết thúc thí nghiệm mẫu thứ hai....................................................... 71
Hình 3. 25: Hình ảnh so sánh vết nứt ngang cùng phương tải trọng ................... 72
Hình 3. 26: Hình ảnh so sánh vết nứt ngang vuông góc phương tải trọng .......... 72
Hình 3. 27: Hình ảnh vết nứt nghiêng mặt ngoài cột ........................................... 73
Hình 3. 28: Hình ảnh vết nứt nghiêng mặt trong cột ........................................... 73
Hình 3. 29: Hình ảnh phá hoại hai mẫu thí nghiệm ............................................. 74


1

PHẦN MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển của kinh tế- xã hội, số lượng nhà cao tầng được xây dựng
ngày càng nhiều tại Việt Nam. Việc sử dụng mặt cắt dạng đăc biệt (chữ L,V,…)
đối với cột BTCT trở nên phổ biến bởi những yêu cầu về kiến trúc và công năng.
Tuy nhiên, cơ sở thiết kế các cột có dạng mặt cắt bất đối xứng - trong đó có dạng
chữ L chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và mô phỏng đơn giản. Một số nghiên cứu
đã được thực hiện ở trong và ngoài nước nhưng chưa làm rõ hết những ứng xử
cục bộ, phức tạp của cột BTCT mặt cắt chữ L. Điều đó dẫn đến việc thiết kế các
cột dạng chữ L trong khung BTCT được triển khai hiện nay chưa đảm bảo tính
hợp lý cả về phương diện kỹ thuật lẫn kinh tế.
Ứng xử cục bộ của cột BTCT có mặt cắt chữ L phụ thuộc vào nhiều tham số

như độ mảnh, lực dọc, bố trí cốt thép, cường độ bê tông... Bên cạnh các nghiên
cứu lý thuyết và mô phỏng, rất cần thiết có những minh chứng thực nghiệm để
làm rõ sự làm việc của dạng cột này. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm
ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép tới ứng xử cột bê tông cốt thép” có tính cấp
thiết cao.
II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Xác định được ảnh hưởng của sự phân bố cốt thép tới ứng xử của cột
BTCT có tiết diện bất đối xứng chịu tải trọng đứng và ngang đồng thời thông
qua nghiên cứu thực nghiệm.
III. Đối tượng nghiên cứu
Cột bê tông cốt thép có tiết diện chữ L
IV. Phạm vi nghiên cứu
Cột BTCT có 2 trường hợp bố trí cốt thép, bố trí cốt thép tập trung và bố
trí cốt thép phân bố đều.


2
V. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm
VI. Kết cấu của luận văn
Ngoài Lời mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, kết cấu của
luận văn gồm 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về cột BTCT có tiến diện bất đối xứng
Chương 2: Cơ sở tính toán cột BTCT tiết diện chữ L
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu đồng thời tải trọng
ngang và tải trọng đứng
Kết luận và kiến nghị


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT BTCT CÓ TIẾT DIỆN
BẤT ĐỐI XỨNG
1.1. Tìm hiểu chung:
Trong những năm gần đây nhà cao tầng đang phát triển rất mạnh và ngày
càng phổ biến tại Việt Nam. Cho đến nay giải pháp kết cấu chịu lực chính chủ
yếu vẫn là kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực, kết cấu liên hợp bê tông cốt
thép. Theo xu hướng mới yêu cầu về thẩm mỹ nhà cao tầng cũng được ưu tiên
hơn. Nhà cao tầng đỏi hỏi công tác thiết kế các phòng chức năng và không gian
chung trở nên linh hoạt và hợp lý, kiểu kiến trúc bố trí các cột có tiết diện như
vuông, chữ nhật hay tròn, đã dẫn đến giảm không gian sử dụng và thẩm mỹ của
công trình. Chính vì vậy để nâng cao hiệu quả kinh tế và thẩm mỹ công trình
việc sử dụng cột dạng vách chữ nhật, tiết diện chữ V, L được sử dụng rộng rãi.
Ưu điểm của cấu kiện cột dạng vách chữ nhật, chữ V, L có mômen kháng
uốn cao hơn cột tiết diện vuông, từ đó làm tăng độ cứng tổng thể kết cấu và giảm
chuyển vị ngang công trình. Mặt khác nhược điểm của cột tiết diện chữ L, V là
ứng xử sau đàn hồi của cột. Dưới tác dụng điều kiện gia tải, sự tập trung nhiều
ứng suất nén gây ra từ mô men uốn kết hợp với lực dọc trục có thể dẫn đến phá
hoại cục bộ hoặc sự mất ổn định của cánh chịu nén đặc biệt là vị trí cánh dưới
chân cột, gây ra sự giảm trong độ cứng chống uốn và độ bền. Ngoài ra cột được
cấu tạo từ các tấm có chiều dày mỏng nên độ cứng kháng xoắn thấp dẫn đến cột
bị phả hủy đột ngột do xoắn.
Hình ảnh minh họa công trình nhà cao tầng đang được triển khai thi công tại
thành phố Hà Nội trong đó cột được bố trí dạng vách và chữ L, V được áp dụng,
Hình 1.1 đến hình 1.6.


4

➢ Dự án - Khu hỗn hợp cao tầng dịch vụ thương mại và nhà ở

+ Chủ dầu tư : Công ty TNHH 19-12 Bắc Hà
+ Địa điểm : Trung kính - Cầu Giấy- Hà Nội
+ Đang triển khai thi công tháng 10 năm 2017

Hình 1. 1: Mặt đứng tổng thể công trình


5

Hình 1. 2 : Bên trong căn hộ - vị trí tiết diện cột điển hình
➢ Khu nhà cao tầng kết hợp thương mại và dịch vụ công cộng


6
Địa điểm: Lô đất A10 khu đô thị Nam Trung Yên - Cầu Giấy - Hà Nội;
Tiến độ: Đang triển khai thi công phần thô tháng 10/2017
Số tầng : 37 tầng

Hình 1. 3: Mặt đứng tòa nhà đang thi công


7

Hình 1. 4: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L


8

Hình 1. 5: Cốt thép đang triển khai thi công tại vị trí cột L

9

Hình 1. 6: Vị trí cột dạng vách sau khi đổ bê tông


10
1.2. Sự làm việc của cột BTCT tiết diện chữ L
1.2.1. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu cột BTCT tiết diện chữ L
Hiện nay, tại Việt Nam và trên thế giới có ít các nghiên cứu về ứng xử của
cấu kiện cột bê tông cốt thép tiết diện chữ L. Có thể liệt kê ra một số nghiên cứu
nêu dưới đây:
+ Nghiên cứu của Hsu [9]:
Hsu đã đề xuất các công thức giải tích và tiến hành chuỗi thí nghiệm trên 10
cột ngắn bê tông cốt thép có tiết diện chữ L dưới tác dụng nén lệch tâm xiên.
Mẫu cột chữ L liên kết cứng ở hai đầu được thí nghiệm tĩnh đến phá hoại. Kết
quả thí nghiệm cho thấy các mẫu bị phá hủy khi chịu với các vết nứt ngang xuất
hiện ở giữa cột và một vài vết nứt nhỏ xuất hiện dọc theo chiều dài cột.

Hình 1. 7: Mẫu thí nghiệm


11

Hình 1. 8: Mặt cắt ngang của cột

Hình 1. 9: Cột trước và sau thí nghiệm


12

+ Nghiên cứu của Ramamurthy và Khan [11]:
Các tác giả tiến hành loạt thí nghiệm trên cột bê tông cốt thép có mặt cắt
chữ L và hình chữ nhật nhằm xác định sức kháng của cột khi chịu nén lệch tâm
xiên. Kết quả thí nghiệm cho thấy dạng phá hoại cũng tương đồng như nghiên
cứu của Hsu. Sức kháng của cột có mặt cắt chữ L không chênh lệch nhiều so với
mặt cắt có tiết diện chữ nhật “quy đổi”. Hình 1.10 và 1.11.

Hình 1. 10 Sơ đồ thí nghiệm

Hình 1. 11: So sánh giữa cột chữ L và cột
hình vuông

+ Nghiên cứu của Li và Phạm [10]:
Các tác giả đã tiến hành thí nghiệm với 10 mẫu cột bê tông cốt thép chịu
đồng thời tải trọng nén đúng tâm và tải trọng lặp theo phương ngang. Quan sát


13
kết quả thí nghiệm cho thấy có 2 dạng phá hoại đối với cột: dạng phá hoại chẻ
dọc thân cột và uốn ở 2 đầu cột. Khác với cột có tiết diện chữ nhật, lực nén dọc
không ảnh hưởng đến sức kháng cắt của cột. Phương của tải trọng ngang tác
dụng lên cột ảnh hưởng khá rõ ràng tới sức kháng cắt của cột.

Hình 1. 12: Sơ đồ thí nghiệm và chi tiết các mẫu


14

Hình 1. 13: Dạng phá hoại của cột có mặt cắt chữ L
+ Aman [8] thực hiện bốn thí nghiệm gần như tĩnh trên bốn bức tường tiết

diện chữ L bằng bê tông chịu cắt dưới sự tác dụng của tải dọc trục kết hợp tải
trọng tuần hoàn. Các mẫu thí nghiệm này có thể phân loại như kết cấu bán lắp
ghép được xây dựng các tấm panel chế tạo trước làm việc như một dạng bê tông
trong thời gian xây dựng. Tác giả đã báo cáo rằng tất cả các mẫu thử bị phá hủy
uốn với một vài vết nứt phồng ở thép dọc tại mép cánh tự do song song với
hướng của tải trọng ngang. Ngoài ra, sự giảm độ bền của các mẫu gần điểm phá
hủy rõ ràng hơn bởi giá trị đỉnh của tải tuần hoàn ngang giảm đáng kể.
+ Nguyễn Xuân Huy, Phạm Xuân Đạt [12]
Đã thực hiện thí nghiệm với 05 tổ mẫu, mỗi tổ mẫu bao gồm 02 cột với
cùng thông số kết cấu được thử nghiệm phá hủy bằng cách dùng bàn rung để
nghiên cứu tác dụng của tải trọng ngang đối với từng loại tiết diện cột. Mẫu thí
nghiệm được thiết kế với tỷ lệ ¼ từ cột của tòa nhà, các mẫu được đúc cùng một
diện tích mặt cắt, hàm lượng cốt thép nhưng khác nhau về hình dạng mặt cắt, bao
gồm hình chữ L, chữ V và hình vuông truyền thống.
Để mô phỏng ứng xử của các cột này dưới tác động của động đất ngoài thực
tế, 2 mẫu thí nghiệm trong một nhóm được neo hoàn toàn với khối bê tông có
kích thước 700x840x2400mm, nặng 3,5T qua đầu phía trên bằng cách sử dụng


15
bu long cường độ cao. Mục đích của khối bê tông đó là để tạo ra lực nén dọc trục
'
có giá trị 0.1Agf c và cũng đồng hời đóng vai trò như một vật rắn tạo ra hiện

tượng trượt cơ học do lực cắt. Mỗi mẫu được đặt trên bàn lắc với 2 tấm thép ở
bên bản đáy. Quá trình gia tải được tăng liên tục đến đỉnh gia tốc. Thông qua thí
nghiệm đã kiểm tra được sự ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang của cột đến
khả năng chịu tải trọng ngang của công trình cũng như dạng phá hoại của nó.
Một số thông số đầu vào của nghiên cứu này được thể hiện hình 1.14; 1.15;1.16.

Hình 1. 14: Mặt cắt các tiết diện cột trong thí nghiệm


16

Hình 1. 15: Sơ đồ thí nghiệm

Hình 1. 16: Thực hiện thí nghiệm


17
Năm nhóm mẫu đều được tác dụng theo một phương từ bàn rung với đỉnh
gia tốc đồ tăng dần cho đến khi mẫu bị phá hoại. Ở bước đầu tiên, đỉnh gia tốc
đồ được gán là 1 m / s2 . Ngoại trừ việc mất dữ liệu gia tốc đặt trên khối lượng của
mẫu cột V-dài, mọi kết quả đều được thu về đầy đủ: (i) chuyển vị ngang ở đỉnh
và chân mẫu, (ii) gia tốc của khối lượng của 4/5 mẫu, (iii) thông số biến dạng
của các cốt thép. Sau mỗi bước gia tải, sự phát triển của vết nứt được ghi lại trực
tiếp trên mẫu.