CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu đề tài. Kết cấu cột BTCT được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, làm kết cấu chịu lực của nhà, cầu, các công trình cấp thoát nước, và các công trình dân dụng. BTCT ngày càng tỏ ra chiếm ưu thế trong các lĩnh vực xây dưng, nhờ vào các tiến bộ kỹ thuật, các khuyết điểm của BTCT truyền thống dần được khắc phục, các ưu điểm được phát huy một cách tốt đa của kết cấu BTCT ở nhiều dạng công trình khác nhau.
Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán, lựa chọn các thông số hình học, vật liệu cho cột BTCT nhằm đem lại hiệu quả cao về kết cấu, kinh tế. Trong quá trình sử dụng kết cấu cột BTCT thường xảy ra hiện tượng nứt kết cấu, nên việc nghiên cứu sự hình thành vết nứt trong kết cấu cột BTCT là rất cần thiết. Vì vậy tác giả chọn đề tài mô phỏng sự hình thành vết nứt trong kết cấu sàn bê tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Mục tiêu nghiên cứu.
Tìm ra phương pháp gia cường cột BTCT tối ưu hóa sức bền và hạn chế sự phá hủy của cột BTCT. Bằng phương pháp mô phỏng trên phần mềm ANSYS để biết trước kết quả dự kiến cho nghiên cứu. Từ đó, rút ra các kết quả chính xác nhất trong khoảng cho phép. Một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT.1 Tóm tắt một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT [3].
Có nhiều phương pháp gia cường kết cấu. Một trong những phương pháp hiệụ quả là bổ sung một lớp bê tông đổ tại ở vùng chịu nén hoặc BTCT có hàm lượng cốt thép cao ở vùng chịu chịu kéo của mặt cắt kết cấu để gia tăng cánh tay đòn hay khoảng cách giữa trọng tâm vùng bê tông chịu nén và trong vùng chịu kéo. Ngoài ra, phương pháp này thương kết hợp với bổ sung thêm cốt thép và phun vữa bê tông bảo vệ ở vùng chịu kéo. Tuy nhiên, giải pháp này dẫn tới việc làm tăng đáng kể trọng lượng cũng như chiều cao của kết cấu.
Việc thi công cũng không được sạch sẽ và tạo tiếng ồn cũng như tác động đến mô trường. 2 Phương pháp nổi bật nữa là việc sử dụng cáp dự ứng lực ngoài. Theo đó, một số ụ neo được làm mới và gắn vào kết cấu cần gia cường. Các cáp dự ứng lực ngoài được kéo và neo vào các ụ neo này.
Việc gia cường bằng phương pháp sử dụng lực ngoài đưc kéo và neo các ụ dụng cho các kết cấu kích thước lớn, ví dụ như dần cầu. Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấm composite. Ở phương pháp này người ta sử dụng các tấm composite ở dạng tấm áp quang kết cấu được gia cường. Phương pháp này có nhiều ưu điểm: không tăng kịch thước cũng như chiều cao kết cấu, vật liệu composite nhẹ, không bị rỉ và có cường độ chịu kéo cao.
Hơn nữa nhưng vật liệu này có thể được thi công nhanh chóng theo một ố hình dạng tạo thành các tấm composite có thể uốn cuộn phù hợp với các bề mặt của cấu kiện. Các tấm vật liệu composite có bề dày tương đối mỏng có thể thỏa mãn yêu cầu về mặt kiến trúc cũng như những chỉ tiêu liên quan. Việc thi công không phức tạp, thiết bị thi công gọn nhẹ. Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm ở phương pháp này có nhiêu ưu điểm mà ít phổ biến ở nước ta là: giá thành cao hơn so với giá thành các tấm thép, thi công cũng đòi hỏi người có kỹ thuật cao, không bù hợp với kết cấu chịu nhiệt vì dưới tác dụng nhiệt độ cao các keo dính có nhiều vấn đề.
Đồng thời, các tiêu chuẩn tấm composite ở nước ta còn thiếu đầy đủ và phổ biến 1.2 Phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng thép tấm. Là sử dụng với tấm thép để tạo nên hệ thống kết cấu giữa cốt thép và bê tông cột BTCT (Hình 1. Phương pháp này có nhều ưu điểm vượt trội: thích hợp với phần lớn kết cấu cột với nhưng công trình trong nhà chịu ít tác động xấu của môi trường, có hiệu quả cao trong việc chống nứt bê tông và tăng khả năng chịu tải trọng lớn. Đông thời, phương pháp này không làm thay đổi kích thước của như chiêu cao của kết cấu BTCT.
Giá thành sản phẩm tương đối thấp so với tấm composite, việc thi công khá đơn giản vì thép là vật liệu được sử dụng lâu đời ở nước ta. Bên cạnh các ưu điểm thì phương pháp này cũng khuyết điểm như là: ở các công trình ngoài trời chịu ảnh hưởng nhiều bởi thời tiết dẫn đến hiện tượng rỉ, tiêu hao một lượng thép lớn so với các phương pháp khác. 1Minh họa phương pháp gia cường cột BTCT bằng tấm thép [4]. 2 Thép góc đều cạnh dùng trong gia cường [4].
Phương pháp tính toán gia cường cột BTCT bằng thép hình Tính khả năng chịu lực của cột sau gia cường Đối với các cột chịu nén đúng tâm Ta có công thức: (1.2) Nq - lực dọc quy đổi; Nl - lực dọc tính toán cho phần tải trọng dài hạn ml - hệ số ảnh hưởng của tải trọng dài hạn đến khả năng chịu lực của kết cấu mảnh m0 - hệ số điều kiện làm việc của thanh chống. Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm lớn bằng thép hình Việc gia cường cột bằng các thanh chống ở một phía chịu nén của cột phụ thuộc vào vị trí của lực nén tính toán ở phía ngoài tiết diện cột hay ở trong tiết diện đó. Cột chịu nén lệch tâm lớn là khi vùng nén xh > 0,55h0. Điều kiện cân bằng lực cho: (1.3) Trong đó: F0 - Lực tác dụng lên mỗi cặp thép góc chống tăng cường, được xác định tùy vào trường hợp cột nén đúng tâm hay lệch tâm; Chiều cao vùng nén x xác định bằng phương trình cân bằng momen đối với trục lực dọc N 5 Sau khi tính được x, thì áp dụng công thức trên để tính khả năng chịu lực của cột được gia cường.
Đối với các cột chịu nén lệch tâm nhỏ: Cột chịu nén lệch tâm nhỏ khi x > 0,55h0 , được gia cường bằng cặp thanh chống ở một phía của cột. Cân bằng ngoại mô men và nội mô men, lấy đối với cốt thép chịu lực nhỏ nhất As (1.4) Đối với các cột chịu nén đúng tâm: Nội lực N0 của thanh chống bằng hiệu giữa tổng tải trọng N mà cột phải chịu sau gia cường và khả năng chịu lực giới hạn Ngh của cột trước gia cường (1.5) Ngh – Tải trọng tối đa mà cột chịu được khi chưa gia cường (1. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiêm cứu tài liệu: Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ thuật liên quan được công bố qua tài liệu như sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước.
Phương pháp nghiên cứu mô hình: Nghiên cứu được thực hiện trên 6 mô hình cột BTCT với kích thước 200 × 200 × 1200 (mm) với các phương án gia cường khác nhau. Ngoài ra, các tấm thép tải các nhiều kích thước khác nhau được bố trí hợp lí để gia cường cột BTCT có bè dày 5 mm. Phương pháp mô hình tính toán: Sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán kết cấu BTCT, với việc lựa chọn mô hình hợp lí và chính xác của các phần tử. Từ đó, sử dụng phương pháp mô phỏng (FEM) để giải quyết các bài toán phức tạp trở nên chính xác nhất.
Đối tượng nghiên cứu. Kết cấu cột bê tông cốt thép (BTCT) trong những công trình đã qua sử dụng lâu năm bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như: tải trọng, khí hậu, hoá chất ăn mòn, sự cố. Hay những công trình bị hư hỏng do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi 6 tải trọng và những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác nhau. 3 Kết cấu cột BTCT bị phá hủy [1].
Tính cần thiết của đề tài. Kết cấu cột BTCT là loại kết cấu được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng hiện nay. Nhiều đề tài nghiên cứu về sự làm việc của các kết cấu cột BTCT. Các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu cột BTCT làm việc chịu uốn thường được tiến hành bằng các phương pháp như nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng.
Hiện nay phương pháp mô phỏng số (Numerical Simulation Method) dựa trên cơ sơ phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) nhằm nghiên cứu sự làm việc của kết cấu BTCT là một phương pháp nghiên cứu hiệu quả, hợp lý. Bên cạnh các chương trình mô phỏng được các nhà nghiên cứu tự xây dựng thì hiện nay, các chương trình phân tích kết cấu như ANSYS, ABAQUS, DIANA, MIDAS. đáp ứng được các yêu cầu cho việc nghiên cứu sự làm việc ở các giai đoạn đàn hồi, sau đàn hồi, và phá hoại. Ở nước ta hiện nay, chương trình ANSYS đã được ứng dụng trong công tác mô phỏng sự làm việc của kết cấu công trình xây dựng.
Một số tài liệu, sách hướng dẫn ở mức độ cơ bản việc sử dụng phần mềm ANSYS đã được xuất bản tuy nhiên việc áp dụng phần mềm này trong việc mô phỏng sự làm việc của kết cấu BTCT còn rất hạn chế, người sử dụng còn gặp nhiều khó khăn. Điều này xuất phát từ những vấn đề chính như: ứng xử của kết cấu BTCT được tạo thành bởi bê tông và thép, là phức tạp chịu ảnh hưởng của nhiều tham số khác nhau, các tài liệu liên quan đến mô phỏng kết cấu BTCT trong ANSYS còn rất hạn chế. 7 Từ những thực tế trên, việc nghiên cứu, áp dụng phần mềm ANSYS trong việc mô phỏng sự làm việc của kết cấu BTCT là rất cần thiết, là cơ sở cho các công tác nghiên cứu kết cấu BTCT cần sử dụng phần mềm này trong công tác mô phỏng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Kết cấu BTCT được sử dụng rộng rãi ở nhiều công trình yêu cầu chịu tải lớn, bị tác động bởi nhiều tác nhân gây xấu của môi trường xâm hại,…Do vậy chất lượng BTCT suy giảm nhanh chóng theo thời gian, kết cấu bị hư hỏng dẫn đến tuổi thọ của công trính ngắn hơn do với dự kiến thiết kế. Việc gia cường kết cấu BTCT là cần thiết. Hiệu quả của phương pháp gia cường tính toán kết cấu BTCT và phạm vi hiệu quả của từng phương pháp là khác nhau.