Tải bản đầy đủ

Khảo sát ảnh hưởng của lỗ khoét đến khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép thường bằng phần mềm Ansys

KHOA HC & CôNG NGHê

Kho sắt nh hừũng cễa lớ khot
ẵọn kh nìng chèu lỳc cễa dòm bó tộng

cờt thp thừủng bng phòn mồm Ansys

Testing the hole impacts on the bearing strength of conventional reinforced concrete beams by
Ansys software program

Hỡnh 2. S dm c D1

PGS.TS. Nguyỗn Ngẹc Phừùng
ThS. Tròn Viốt Dếng

Túm tt
Bi bỏo ny cp n s nh hng ca
l khoột n kh nng chu lc ca dm bờ
tụng ct thộp thng bng cỏch kho sỏt
mt dm bờ tụng ct thộp vi cỏc l khoột
cú v trớ, hỡnh dng khỏc nhau trờn phn

mm Ansys. Qua ú cú cỏc nhn xột, kin
ngh cho cụng tỏc thit k dm bờ tụng ct
thộp cú l khoột.

Abstract
This article deals with the hole impacts
on the bearing strength of conventional
reinforced concrete beams by testing
a reinforced concrete beam with holes
of different shapes and positions by the
ANSYS software program. Thereby,
comments and recommendations will be
made for the design of holed reinforced
concrete beams.

t vn
Hin nay, trong cỏc cụng trỡnh xõy dng, cỏc h thng k
thut ngang (ng ng, cỏp...) c b trớ xuyờn qua cỏc
dm sn. tn dng ti a khụng gian s dng v m bo
c thm m ca cụng trỡnh, vic s dng dm bờ tụng ct
thộp (BTCT) vi l khoột ó c ng dng rng rói Vit
Nam. Tuy nhiờn cỏc quy nh v nghiờn cu v dm BTCT vi
l khoột trong cỏc tiờu chun thit k Vit Nam cũn cha rừ
rng, gõy khú khn cho cỏc k s thit k trong quỏ trỡnh tớnh
toỏn. Vỡ vy bi bỏo cp lm rừ hn vn trờn.

Hỡnh 1. Mụ hỡnh 3D dm Bờ tụng ct thộp trong Ansys

1.nh hng ca hỡnh dỏng,kớch thc l khoột n kh
nng chu lc ca dm
S dng phn mm phõn tớch Ansys v11 da trờn phng
phỏp phn t hu hn kho sỏt dm cú tit din 300x700
(mm), cp bn bờ tụng B25, L= 8m, chu ti trng phõn b
b mt p=0.03 N/mm2, liờn kt 2 u khp. Trong mụ phng,
mc ớch chớnh xột nh hng ca l khoột ti kh nng
chu lc ca dm nờn ct thộp dc c b trớ gm 2ỉ12
phớa trờn v 2ỉ14 phớa di.

Hỡnh 3. S dm khoột l ch nht D2


Kho sỏt 1 dm BTCT cú cu to v ti trng nh hỡnh 1
n hỡnh 9.
Ln lt kho sỏt cỏc dm vi cỏc s nh hỡnh 2 n
hỡnh 5.
Kt qu phõn tớch thu c ng sut chớnh v vt nt nh
hỡnh 8 v hỡnh 9.

Hỡnh 4. S dm khoột l trũn D3

Theo kt qu t Ansys, ti khu vc d kin khoột l trờn
dm c, giỏ tr 1max = 1.042 (N/mm2) v 1min = -0.118 (N/
mm2). Trờn thc t, do iu kin thi cụng, l khoột trũn khụng
c s dng nhiu nờn trong so sỏnh nh hng ca kớch
thc l khoột, ch xem xột l khoột hỡnh ch nht vi v trớ tõm
l tng t nh dm D2. Kt qu ng sut th hin bng 1.
Biu din di dng biu quan h gia ng sut vi
kớch thc l khoột nh hỡnh 10.
Vic cú l khoột lm tng ng sut trong dm so vi trng
hp dm khụng khoột l, t ú gim kh nng chu lc ca
dm.
PGS.TS Nguyn Ngc Phng
ThS. Trn Vit Dng
B mụn Bờ tụng ct thộp v gch ỏ, Khoa Xõy dng
T: 0903405450, 0919575237

28

Dm D2 v D3 cú khoột l hỡnh vuụng v l hỡnh trũn vi
din tớch tng ng t cựng v trớ, cựng giỏ tr ti trng nh
trờn thỡ c 2 dm u bt u xut hin vt nt th di, ng
sut trong dm cho 2 trng hp ny cú chờnh lch, tuy nhiờn
s chờnh lch l khụng ln.

TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG

Hỡnh 5. ng sut chớnh trong dm D1

Sơ 25 - 2017

29


KHOA H“C & C«NG NGHª

3.5

3

3

2.5

2.5

2

2

1.5

1.5
1

1

0.5

0.5

0

0

Hình 6. Ứng suất chính trong dầm D2

Hình 7. Ứng suất chính trong dầm D3

-0.5
-1

500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900

-0.5

Hình 12. Quan hệ ứng suất và vị trí lỗ khoét

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Hình 13. Quan hệ ứng suất và vị trí lỗ khoét

Bảng 1. Kết quả khảo sát dầm với kích thước lỗ khoét thay đổi
STT

Kích thước lỗ
(mm)

Ứng suất chính δ1 (N/mm2)
MAX

MIN

Sự xuất hiện vết nứt


Không

Với lỗ khoét vuông

Hình 8. Vết nứt hình thành trong dầm D2

Hình 9. Vết nứt hình thành trong dầm D3

1

100 x 100

2.103

-0.12185

x

2

150 x 150

2.118

-0.09260

x

3

200x200

2.112

-0.10182

x

4

250x250

2.218

-0.11785

x

5

300x300

2.380

-0.09928

x

6

350x350

3.201

-1.138

x

Với lỗ hình chữ nhật kích thước tương đương lỗ khoét vuông 200x200mm

3.5

7

100x400

2.231

-0.11921

2.5

8

400x100

3.070

-0.6745

2

9

150x268

2.214

-0.099904

x

1.5

10

268x150

2.108

-0.13277

x

3

1

x

Với lỗ hình chữ nhật kích thước tương đương lỗ khoét vuông 300x300mm

0.5
0

11

200x450

2.204

-0.14466

-0.5

12

450x200

3.187

-0.79124

13

150x600

2.337

-0.10146

-1
-1.5

100

150

200

250

300

x
x
x

350

Hình 10. Quan hệ ứng suất và kích thước lỗ khoét

Về kích thước: lỗ rỗng càng lớn thì sự ảnh hưởng đến
khả năng chịu lực của dầm càng nhiều. Khi lỗ khoét nhỏ,
dầm chưa xuất hiện vết nứt thì ứng suất trong dầm này
có sự chênh lệch không đáng kể. Khi dầm có lỗ khoét lớn,
ứng suất chủ yếu tập trung tại lỗ khoét, vết nứt hầu như
hình thành xung quanh khu vực lỗ khoét. Sự phát triển
lỗ khoét theo chiều cao của dầm có ảnh hưởng nhiều và
nguy hiểm hơn so với việc phát triển theo chiều dọc của
dầm.
2. Ảnh hưởng của vị trí lỗ khoét chữ nhật đến khả năng
chịu lực của dầm
Xét dầm với kích thước lỗ khoét cố định 200x400
(mm) được thể hiện như hình 11.

Hình 11. Sơ đồ dầm với vị trí lỗ khoét chữ nhật bất kì

30

x

T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG

2.1. Ảnh hưởng vị trí lỗ khoét theo phương dọc dầm

Theo phương dọc dầm, lần lượt cố định giá trị hb=100
mm và ht =400mm, cho a biến thiên từ 0 đến 4000 mm.
Kết quả được thể hiện ở bảng 2,3.
Biểu diễn dưới dạng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất
với vị trí lỗ khoét như hình 12.
Biểu diễn dưới dạng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất
với vị trí lỗ khoét như hình 13.
Qua kết quả phân tích ảnh hưởng lỗ khoét theo
phương dọc dầm, có thể nhận thấy: Ứng suất trong dầm
có lỗ khoét đều chịu ảnh hưởng đồng thời của lực cắt và
mômen trong dầm. Khi lỗ khoét sát vị trí gối tựa, nơi có
lực cắt lớn nhất và mômen nhỏ thì ứng suất trong dầm
tương đối lớn. Tuy nhiên, khi vị trí lỗ khoét xa dần vị trí
gối tựa, lực cắt giảm và mômen tăng, tại các vị trí cách
gối tựa khoảng 1/10÷1/13L dầm cho ta kết quả ứng suất
S¬ 25 - 2017

31


KHOA H“C & C«NG NGHª
Bảng 2. Kết quả khảo sát dầm với vịt rí lỗ khoét thay đổi thuộc vùng kéo
STT

Đặc trưng lỗ rỗng (mm)
a

hb

ht

Ứng suất chính δ1 (N/mm2)
Max

Min

Sự xuất hiện vết nứt


Không

1.2
1
0.8

Lỗ thuộc vùng kéo
1

500

100

400

1.337

-0.107

x

0.6

2

600

100

400

1.054

-0.1143

x

0.4

3

700

100

400

1.201

-0.1303

x

0.2

4

800

100

400

1.376

-0.1169

x

0

5

900

100

400

1.669

-0.1276

x

-0.2

6

1000

100

400

1.726

-0.1073

x

-0.4

7

1100

100

400

1.779

-0.1177

x

8

1200

100

400

1.802

-0.1173

x

9

1300

100

400

1.906

-0.1282

x

10

1400

100

400

2.308

-0.1178

x

11

1500

100

400

2.372

-0.1161

x

12

1600

100

400

2.412

-0.1181

x

13

1700

100

400

2.469

-0.1185

x

14

1800

100

400

2.518

-0.1243

x

15

1900

100

400

2.751

-0.3047

100

150

200

250

300

350

Hình 14. Quan hệ ứng suất và vị trí lỗ khoét

tương đối nhỏ. Vị trí này là vị trí có mômen khá nhỏ và
lực cắt khá lớn. Khi lỗ tiến xa về chính giữa dầm thì lực
cắt giảm về không và mômen tăng đến giá trị cực đại thì
ứng suất trong dầm đều tăng cao. Điều này chứng tỏ sự
ảnh hưởng của mômen đến ứng suất trong dầm có lỗ lớn
hơn so với lực cắt. Về vị trí theo phương dọc dầm của lỗ
khoét, chỉ nên đặt tại vùng có mômen nhỏ.

x

2.2. Ảnh hưởng của lỗ khoét theo phương vuông góc
với trục dầm

Bảng 3. Kết quả khảo sát dầm với vị trí lỗ khoét thay đổi thuộc vùng nén

Theo phương vuông góc với trục dầm, khảo sát dầm
có lỗ khoét cách gối tựa một đoạn 600 mm và cho lỗ khoét
dịch chuyển theo phương đứng với các khoảng nhỏ để
xem xét sự biến thiên của ứng suất trong dầm. Kết quả
phân tích ứng với các trường hợp được tổng hợp trong
bảng 4.

STT

Đặc trưng lỗ rỗng (mm)
a

hb

ht

Ứng suất chính δ1 (N/mm2)
Max

Min

Sự xuất hiện vết nứt


Không

Lỗ thuộc vùng nén
1

500

400

100

1.012

-0.1819

x

2

1000

400

100

1.064

-0.1315

x

3

1500

400

100

1.432

-0.2934

x

4

2000

400

100

1.790

-0.117

x

5

2500

400

100

1.930

-0.2854

x

6

3000

400

100

2.212

-0.192

x

7

3500

400

100

2.367

-0.241

x

8

4000

400

100

3.079

-0.597

x

Bảng 4. Kết quả khảo sát với vị trí lỗ khoét thay đổi theo phương vuông góc trục dầm
STT

Đặc trưng lỗ rỗng (mm)

Ứng suất chính δ1 (N/mm2)

Sự xuất hiện vết nứt

a

hb

ht

Max

Min

1

600

100

400

1.054

-0.1143

x

2

600

150

350

1.008

-0.1169

x

3

600

200

300

1.018

-0.1184

x

4

600

250

250

1.022

-0.1147

x

5

600

300

200

0.982

-0.1351

x

6

600

350

150

0.977

-0.1753

x

32

T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG



Không

Biểu diễn dưới dạng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất
với vị trí lỗ khoét như hình 14.
Nhận thấy: Theo chiều cao của dầm, sự chênh lệch
ứng suất trong dầm có thay đổi không lớn. Vị trí ứng suất
kéo lớn nhất vẫn ở vị trí giữa dầm còn ứng suất nén lớn
nhất tập trung ở cánh trên của lỗ khóet. Ứng suất kéo
giảm dần và ứng suất nén tăng nhanh khi lỗ khoét nằm
ở vùng nén, nên tránh cho việc phá hoại dòn, cần hạn
chế đặt lỗ khoét vào vùng chịu nén của dầm. Vị trí đặt lỗ
khoét nên nằm ở khu vực trục trung hòa của dầm thì thì
ảnh hưởng đến ứng suất trong dầm là khá nhỏ và hài hòa
hơn.
Như vậy, với dầm có lỗ khoét nhỏ (diện tích lỗ khoét
không quá 60% diện tích tiết diện) thì ảnh hưởng của lỗ
khoét là không lớn. Quá trình tính toán áp dụng được các
công thức như dầm đặc thông thường. Vị trí khoét lỗ nên
bố trí tại khu vực có nội lực nhỏ trong dầm, đặc biệt là khu
vực có mômen nhỏ. Tránh bố trí lỗ khoét vào đoạn dầm

có mômen lớn và nằm trong vùng nén của dầm. Nếu bố
trí lỗ khoét có hình dáng chữ nhật với cạnh dài của lỗ nằm
theo phương dọc dầm thì sự ảnh hưởng tới khả năng chịu
lực của dầm là nhỏ hơn.
Kết luận và kiến nghị
Với dầm BTCT thường liên kết hai đầu khớp, sự xuất
hiện lỗ khoét trên thân dầm làm tăng ứng suất trong dầm,
từ đó giảm khả năng chịu lực của dầm. Lỗ khoét làm gián
đoạn sự phân phối ứng suất, giảm tiết diện, tạo ra sự
tập trung ứng suất và gây ra các vết nứt hình thành xung
quanh lỗ khoét.
Khi kích thước lỗ khoét nhỏ, sự làm việc của dầm
tương tự như dầm đặc, khả năng chịu lực của dầm không
bị ảnh hưởng nhiều. Với các loại kích thước khác nhau
cho thấy, sự phát triển lỗ khoét theo chiều cao của dầm
có ảnh hưởng nhiều và nguy hiểm hơn so với việc lỗ phát
triển theo chiều dọc của dầm. Các lỗ khoét có diện tích
tương đương nhau gây ảnh hưởng lên dầm cũng tương
đương nhau nếu bố trí hợp lý. Khi kích thước lỗ khoét lớn
sẽ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực và tính toán
thiết kế dầm. Lỗ khoét lớn chia dầm thành 2 thanh: Thanh
phía trên và thanh phía dưới. Quá trình tính toán sẽ tính
độc lập cho 2 thanh này.
Vị trí lỗ khoét hợp lý đối với trường hợp dầm đơn giản
chịu tải phân bố là khi lỗ khoét cách gối tựa một khoảng
là 1/10 nhịp dầm và theo phương vuông góc với trục dầm,
lỗ khoét đặt ở vùng trục trung hòa thì sự ảnh hưởng đến
dầm là bé nhất. Khu vực đặt lỗ khoét càng ở vị trí có
mômen lớn thì sự ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của
dầm càng bất lợi.
Cần bổ sung rõ hơn việc thiết kế cho dầm có lỗ khoét
trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT của Việt Nam
TCVN 5574-2012 để thuận lợi hơn cho công tác thiết kế./.

T¿i lièu tham khÀo
1. Nguyễn Trung Hòa,(2008), ” Kết cấu bê tông cốt thép theo quy
phạm Hoa Kì”, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.
2. Nguyễn Viết Trung,(2000) “ Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
hiện đại theo tiêu chuẩn ACI”, Nhà xuất bản giao thông vận
tải.

3. Đình Bá Trụ-Hoàng Văn Lợi, (2003),“Hướng dẫn sử dụng
ansys”, Học viện kỹ thuật quân sự.
4. TCVN 5574-2012, Kết cấu bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết
kế
5. M.A Mansur-Kiang Hwee Tan, (1999), “Concrete beam with
opening- Analysis and design”.

S¬ 25 - 2017

33



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×