Nghiên cứu tính toán thiết kế cột bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn hiện hành (P1)
Cột bê tông cốt thép là một loại kết cấu khá phổ biến trong các công trình cầu đường, nhà dân dụng, như mố trụ cầu, tháp trụ cầu dây văng, cột nhà. Bài viết sẽ trình bày các phương pháp tính toán thiết kế cột bê tông cốt thép và khảo sát sự thay đổi sức kháng nén của cột bê tông cốt thép khi cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép dọc chủ và độ mảnh của cột thay đổi theo các tiêu chuẩu thiết kế khác nhau, nhằm góp phần tìm hiểu cách tính toán thiết kế cột bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn hiện hành nói chung, đặc biệt là theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05.
>> Nghiên cứu tính toán thiết kế cột bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn hiện hành (P2)
1. Đặt vấn đề
Ở Việt Nam, tính đến những năm đầu của thập kỷ này, tiêu chuẩn thiết kế cầu cũ mang số hiệu 22 TCN 18-79 (thường gọi là Quy trình 79) đã được sử dụng trên 20 năm mà không được thay đổi cho phù hợp với sự phát triển của các lý thuyết tính toán mới có nhiều ưu điểm hơn. Nhận thấy được những bất cập trên, năm 2001 Bộ Giao thông Vận tải đã ban hành thử nghiệm Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới mang số hiệu 22 TCN 272-01. Trong quá trình áp dụng vào thực tế, tiêu chuẩn mới đã tỏ rõ được nhiều ưu điểm của nó như triết lý thiết kế rõ ràng và khách quan hơn, các vấn đề liên quan đến tải trọng và sức kháng của kết cấu được xem xét kỹ hơn, sát với thực tế hơn. Do vậy, tháng 6/2005 Bộ Giao thông Vận tải đã chính thức ban hành Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới mang số hiệu 22 TCN 272-05, thay thế hoàn toàn cho tiêu chuẩn cũ mang số hiệu 22 TCN 18-79.
Ngoài ra, các kết cấu bê tông cốt thép trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp thì lại được thiết kế theo tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005. Với các công trình lớn hoặc các công trình có vốn đầu tư nước ngoài, thì trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép có thể phải sử dụng hoặc tham khảo thêm các tiêu chuẩn khác như tiêu chuẩn Châu âu EC 2, Anh quốc BS 8110-1997.
Cột bê tông cốt thép là một loại kết cấu khá phổ biến trong các công trình cầu đường, nhà dân dụng, nhà công nghiệp như mố trụ cầu, tháp trụ cầu dây văng, cột nhà. Việc tính toán thiết kế kết cấu cột bê tông cốt thép phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông cốt thép, sự làm việc chung giữa vật liệu bê tông và cốt thép, ảnh hưởng của biến dạng thứ cấp, từ biến, co ngót. Bài báo sẽ đi sâu vào nghiên cứu, so sánh tính toán thiết kế các loại kết cấu cột bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, gồm: 22 TCN 272-05 (AASHTO LRFD 1998), TCXDVN 356:2005 và Tiêu chuẩn châu âu EC 2. Các loại kết cấu cột bê tông cốt thép sẽ nghiên cứu ở đây là cột ngắn, cột dài chịu nén đúng tâm và lệch tâm.
2. Tóm tắt các quy đinh về cấu tạo cột bê tông cốt thép
3. Nhận xét về phương pháp thiết kế cột theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành
3.1. Về các giả thiết tính toán
Khi tính toán cột bê tông cốt thép thì cả ba tiêu chuẩn thiết kế đều đưa ra các giả thiết tính toán tương đối giống nhau như giả thiết mặt cắt phẳng trước và sau khi biến dạng, giả thiết bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông; giả thiết coi biểu đồ ứng suất nén trong vùng bê tông chịu nén có dạng hình chữ nhật; giả thiết coi thép là vật liệu đàn dẻo lý tưởng.
Tuy nhiên, cũng có một vài sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 lấy biến dạng nén giới hạn của bê tông εcu = 0,003 còn tiêu chuẩn EC 2 lại lấy biến dạng nén giới hạn của bê tông εcu = 0,0035; hai tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và tiêu chuẩn EC 2 đều giả thiết khối ứng suất nén giới hạn hình chữ nhật tương đương có chiều cao nhỏ hơn chiều cao vùng bê tông chịu nén, còn tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 lại lấy chiều cao khối ứng suất nén giới hạn hình chữ nhật tương đương bằng chiều cao vùng bê tông chịu nén. Về mặt bản chất thì biểu đồ ứng suất nén trong vùng bê tông chịu nén có dạng một đường cong bất kỳ gần với đường parabol, có trị số thay đổi trong khoảng từ không đến f'c. Do vậy, khi quy đổi về khối ứng suất nén hình chữ nhật tương đương, thì trị số của khối ứng suất này phải được triết giảm nhỏ hơn trị số f'c hoặc giảm chiều cao phân bố của khối ứng suất nén hình chữ nhật tương đương so với chiều cao vùng bê tông chịu nén. Ở đây, ta thấy riêng tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 chỉ triết giảm trị số của khối ứng suất hình chữ nhật tương đương, thông qua trị số cường độ chịu nén tính toán của bê tông Rb.
3.2. Về cách phân loại cột theo độ mảnh của cột
Cả ba tiêu chuẩn thiết kế đều đưa ra trị số độ mảnh nhỏ nhất của cột λmin. Nếu cột có độ mảnh λ ≤ λmin thì gọi là cột ngắn (bỏ qua ảnh hưởng của độ mảnh cột), còn nếu λ > λmin thì gọi là cột dài (có xét đến ảnh hưởng của độ mảnh cột). Đối với cột độc lập, không có giằng đỡ ngang thì trị số độ mảnh nhỏ nhất này được quy định khác nhau như sau: Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 lấy λmin = 22, Tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 lấy λmin = 28, Tiêu chuẩn Châu âu EC 2 lấy λmin = 20A.B.C./√n (phụ thuộc vào tỷ số từ biến tính toán của cột, hàm lượng cốt thép cơ học của cột, tỷ số mô men ở hai đầu cột và phụ thuộc vào lực dọc tương đối tác dụng vào cột).
3.3. Về cách phân loại độ lệch tâm của lực nén dọc
Độ lệch tâm của lực nén dọc sẽ quyết định kiểu phá hoại của tiết diện cột. Nếu độ lệch tâm của cột nhỏ thì chiều cao của vùng bê tông chịu nén sẽ lớn, cốt thép vùng chịu kéo As có thể chịu kéo hoặc chịu nén và ứng suất trong nó fs còn nhỏ chưa bị chảy dẻo, nên sự phá hoại của tiết diện thường bắt đầu từ vùng bê tông chịu nén nhiều hơn (phá hoại do nén), ta gọi đây là trường hợp nén lệch tâm bé. Ngược lại, nếu độ lệch tâm của cột lớn thì chiều cao vùng bê tông chịu nén sẽ nhỏ, cốt thép vùng chịu kéo As sẽ nhanh chóng bị chảy dẻo, nên sự phá hoại của tiết diện thường bắt đầu khi cốt thép vùng chịu kéo As bị chảy dẻo nhiều hơn (phá hoại do kéo), ta gọi đây là trường hợp nén lệch tâm lớn.
Khi lượng cốt thép bố trí trong vùng bê tông chịu nén A'svà chịu kéo As hợp lý (không quá nhiều), thì cả ba tiêu chuẩn đều đưa ra tiêu chí để xảy ra nén lệch tâm lớn hay bé giống nhau, đó là kiểm tra chiều cao vùng bê tông chịu nén ở trạng thái giới hạn. Nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén nhỏ hơn một trị số quy định ta sẽ có trường hợp nén lệch tâm lớn và ngược lại nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén lớn hơn một trị số quy định ta sẽ có trường hợp nén lệch tâm bé.
Tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 đưa ra tiêu chí cụ thể là nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén ở trạng thái giới hạn x ≤ h0.ξR thì ta có trường hợp nén lệch tâm lớn và ngược lại. Hai tiêu chuẩn còn lại (22 TCN 272-05 và EC 2) thì lại không đưa ra tiêu chí cụ thể mà phải căn cứ vào sơ đồ biến dạng của tiết diện cột ở trạng thái giới hạn để phân loại. Nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén nhỏ, làm cho cốt thép vùng chịu kéo bị phá hoại trước ta có trường hợp nén lệch tâm lớn (phá hoại do kéo) và ngược lại, nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén lớn, làm cho bê tông vùng chịu nén bị phá hoại trước, ta có trường hợp nén lệch tâm nhỏ (phá hoại do nén).
3.4. Về cách xác định sức kháng của cột ngắn chịu nén đúng tâm
Khi xác định sức kháng nén của cột ngắn chịu nén đúng tâm thì cả ba tiêu chuẩn thiết kế đều có chung một nguyên tắc. Đó là, nếu bố trí cốt thép của cột nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn thì cột sẽ bị phá hoại khi cả bê tông và cốt thép dọc của cột cùng bị phá hoại. Do đó, sức kháng nén của cột ngắn chịu nén đúng tâm sẽ bằng tổng sức kháng nén giới hạn của phần bê tông và cốt thép dọc. Tuy vậy, riêng tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 còn đưa ra hệ số triết giảm khả năng chịu lực của cột do các sai số ngẫu nhiên của cột trong thực tế có thể làm cột bị lệch tâm.
3.5. Về cách xác định sức kháng của cột ngắn chịu nén lệch tâm
Khi xác định sức kháng nén dọc của cột ngắn chịu nén lệch tâm thì hai tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và tiêu chuẩn EC 2 dựa vào sơ đồ ứng suất và sơ đồ biến dạng ở trạng thái giới hạn, còn tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 chỉ dựa vào sơ đồ ứng suất ở trạng thái giới hạn.
Với hai tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và tiêu chuẩn EC 2, ứng suất trong từng thanh cốt thép dọc chịu lực ở trạng thái giới hạn được xác định khá dễ dựa vào sơ đồ biến dạng. Với tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005, việc xác định ứng suất trong từng thanh cốt thép dọc chịu lực ở trạng thái giới hạn sẽ gặp nhiều khó khăn, khi trị số lực nén dọc tác dụng vào cột thay đổi về độ lớn và vị trí tác dụng, hoặc vị trí bố trí của các thanh cốt thép dọc chịu lực trên tiết diện cột thay đổi.
3.6. Về cách xác định ảnh hưởng của độ mảnh cột
Để xác định ảnh hưởng của độ mảnh cột, các tiêu chuẩn thiết kế đều xác định thông qua hệ số khuyếch đại mô men. Tức là, nếu cột chịu tác dụng của một lực nén dọc P có độ lệch tâm ban đầu e hay cặp nội lực ban đầu tác dụng vào cột là (P, M = P.e) thì sau khi xét đến ảnh hưởng của độ mảnh cột cặp tải trọng tác dụng vào cột sẽ là (P, M' = P.ηe). Hệ số η được gọi là hệ số khuyếch đại mô men.
VLXD.org (TH/ ThS. Đào Sỹ Đán - ĐHGTVT)
1. Đặt vấn đề
Ở Việt Nam, tính đến những năm đầu của thập kỷ này, tiêu chuẩn thiết kế cầu cũ mang số hiệu 22 TCN 18-79 (thường gọi là Quy trình 79) đã được sử dụng trên 20 năm mà không được thay đổi cho phù hợp với sự phát triển của các lý thuyết tính toán mới có nhiều ưu điểm hơn. Nhận thấy được những bất cập trên, năm 2001 Bộ Giao thông Vận tải đã ban hành thử nghiệm Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới mang số hiệu 22 TCN 272-01. Trong quá trình áp dụng vào thực tế, tiêu chuẩn mới đã tỏ rõ được nhiều ưu điểm của nó như triết lý thiết kế rõ ràng và khách quan hơn, các vấn đề liên quan đến tải trọng và sức kháng của kết cấu được xem xét kỹ hơn, sát với thực tế hơn. Do vậy, tháng 6/2005 Bộ Giao thông Vận tải đã chính thức ban hành Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới mang số hiệu 22 TCN 272-05, thay thế hoàn toàn cho tiêu chuẩn cũ mang số hiệu 22 TCN 18-79.
Ngoài ra, các kết cấu bê tông cốt thép trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp thì lại được thiết kế theo tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005. Với các công trình lớn hoặc các công trình có vốn đầu tư nước ngoài, thì trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép có thể phải sử dụng hoặc tham khảo thêm các tiêu chuẩn khác như tiêu chuẩn Châu âu EC 2, Anh quốc BS 8110-1997.
Cột bê tông cốt thép là một loại kết cấu khá phổ biến trong các công trình cầu đường, nhà dân dụng, nhà công nghiệp như mố trụ cầu, tháp trụ cầu dây văng, cột nhà. Việc tính toán thiết kế kết cấu cột bê tông cốt thép phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông cốt thép, sự làm việc chung giữa vật liệu bê tông và cốt thép, ảnh hưởng của biến dạng thứ cấp, từ biến, co ngót. Bài báo sẽ đi sâu vào nghiên cứu, so sánh tính toán thiết kế các loại kết cấu cột bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, gồm: 22 TCN 272-05 (AASHTO LRFD 1998), TCXDVN 356:2005 và Tiêu chuẩn châu âu EC 2. Các loại kết cấu cột bê tông cốt thép sẽ nghiên cứu ở đây là cột ngắn, cột dài chịu nén đúng tâm và lệch tâm.
2. Tóm tắt các quy đinh về cấu tạo cột bê tông cốt thép
3.1. Về các giả thiết tính toán
Khi tính toán cột bê tông cốt thép thì cả ba tiêu chuẩn thiết kế đều đưa ra các giả thiết tính toán tương đối giống nhau như giả thiết mặt cắt phẳng trước và sau khi biến dạng, giả thiết bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông; giả thiết coi biểu đồ ứng suất nén trong vùng bê tông chịu nén có dạng hình chữ nhật; giả thiết coi thép là vật liệu đàn dẻo lý tưởng.
Tuy nhiên, cũng có một vài sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 lấy biến dạng nén giới hạn của bê tông εcu = 0,003 còn tiêu chuẩn EC 2 lại lấy biến dạng nén giới hạn của bê tông εcu = 0,0035; hai tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và tiêu chuẩn EC 2 đều giả thiết khối ứng suất nén giới hạn hình chữ nhật tương đương có chiều cao nhỏ hơn chiều cao vùng bê tông chịu nén, còn tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 lại lấy chiều cao khối ứng suất nén giới hạn hình chữ nhật tương đương bằng chiều cao vùng bê tông chịu nén. Về mặt bản chất thì biểu đồ ứng suất nén trong vùng bê tông chịu nén có dạng một đường cong bất kỳ gần với đường parabol, có trị số thay đổi trong khoảng từ không đến f'c. Do vậy, khi quy đổi về khối ứng suất nén hình chữ nhật tương đương, thì trị số của khối ứng suất này phải được triết giảm nhỏ hơn trị số f'c hoặc giảm chiều cao phân bố của khối ứng suất nén hình chữ nhật tương đương so với chiều cao vùng bê tông chịu nén. Ở đây, ta thấy riêng tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 chỉ triết giảm trị số của khối ứng suất hình chữ nhật tương đương, thông qua trị số cường độ chịu nén tính toán của bê tông Rb.
3.2. Về cách phân loại cột theo độ mảnh của cột
Cả ba tiêu chuẩn thiết kế đều đưa ra trị số độ mảnh nhỏ nhất của cột λmin. Nếu cột có độ mảnh λ ≤ λmin thì gọi là cột ngắn (bỏ qua ảnh hưởng của độ mảnh cột), còn nếu λ > λmin thì gọi là cột dài (có xét đến ảnh hưởng của độ mảnh cột). Đối với cột độc lập, không có giằng đỡ ngang thì trị số độ mảnh nhỏ nhất này được quy định khác nhau như sau: Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 lấy λmin = 22, Tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 lấy λmin = 28, Tiêu chuẩn Châu âu EC 2 lấy λmin = 20A.B.C./√n (phụ thuộc vào tỷ số từ biến tính toán của cột, hàm lượng cốt thép cơ học của cột, tỷ số mô men ở hai đầu cột và phụ thuộc vào lực dọc tương đối tác dụng vào cột).
3.3. Về cách phân loại độ lệch tâm của lực nén dọc
Độ lệch tâm của lực nén dọc sẽ quyết định kiểu phá hoại của tiết diện cột. Nếu độ lệch tâm của cột nhỏ thì chiều cao của vùng bê tông chịu nén sẽ lớn, cốt thép vùng chịu kéo As có thể chịu kéo hoặc chịu nén và ứng suất trong nó fs còn nhỏ chưa bị chảy dẻo, nên sự phá hoại của tiết diện thường bắt đầu từ vùng bê tông chịu nén nhiều hơn (phá hoại do nén), ta gọi đây là trường hợp nén lệch tâm bé. Ngược lại, nếu độ lệch tâm của cột lớn thì chiều cao vùng bê tông chịu nén sẽ nhỏ, cốt thép vùng chịu kéo As sẽ nhanh chóng bị chảy dẻo, nên sự phá hoại của tiết diện thường bắt đầu khi cốt thép vùng chịu kéo As bị chảy dẻo nhiều hơn (phá hoại do kéo), ta gọi đây là trường hợp nén lệch tâm lớn.
Khi lượng cốt thép bố trí trong vùng bê tông chịu nén A'svà chịu kéo As hợp lý (không quá nhiều), thì cả ba tiêu chuẩn đều đưa ra tiêu chí để xảy ra nén lệch tâm lớn hay bé giống nhau, đó là kiểm tra chiều cao vùng bê tông chịu nén ở trạng thái giới hạn. Nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén nhỏ hơn một trị số quy định ta sẽ có trường hợp nén lệch tâm lớn và ngược lại nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén lớn hơn một trị số quy định ta sẽ có trường hợp nén lệch tâm bé.
Tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 đưa ra tiêu chí cụ thể là nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén ở trạng thái giới hạn x ≤ h0.ξR thì ta có trường hợp nén lệch tâm lớn và ngược lại. Hai tiêu chuẩn còn lại (22 TCN 272-05 và EC 2) thì lại không đưa ra tiêu chí cụ thể mà phải căn cứ vào sơ đồ biến dạng của tiết diện cột ở trạng thái giới hạn để phân loại. Nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén nhỏ, làm cho cốt thép vùng chịu kéo bị phá hoại trước ta có trường hợp nén lệch tâm lớn (phá hoại do kéo) và ngược lại, nếu chiều cao vùng bê tông chịu nén lớn, làm cho bê tông vùng chịu nén bị phá hoại trước, ta có trường hợp nén lệch tâm nhỏ (phá hoại do nén).
3.4. Về cách xác định sức kháng của cột ngắn chịu nén đúng tâm
Khi xác định sức kháng nén của cột ngắn chịu nén đúng tâm thì cả ba tiêu chuẩn thiết kế đều có chung một nguyên tắc. Đó là, nếu bố trí cốt thép của cột nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn thì cột sẽ bị phá hoại khi cả bê tông và cốt thép dọc của cột cùng bị phá hoại. Do đó, sức kháng nén của cột ngắn chịu nén đúng tâm sẽ bằng tổng sức kháng nén giới hạn của phần bê tông và cốt thép dọc. Tuy vậy, riêng tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 còn đưa ra hệ số triết giảm khả năng chịu lực của cột do các sai số ngẫu nhiên của cột trong thực tế có thể làm cột bị lệch tâm.
3.5. Về cách xác định sức kháng của cột ngắn chịu nén lệch tâm
Khi xác định sức kháng nén dọc của cột ngắn chịu nén lệch tâm thì hai tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và tiêu chuẩn EC 2 dựa vào sơ đồ ứng suất và sơ đồ biến dạng ở trạng thái giới hạn, còn tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 chỉ dựa vào sơ đồ ứng suất ở trạng thái giới hạn.
Với hai tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và tiêu chuẩn EC 2, ứng suất trong từng thanh cốt thép dọc chịu lực ở trạng thái giới hạn được xác định khá dễ dựa vào sơ đồ biến dạng. Với tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005, việc xác định ứng suất trong từng thanh cốt thép dọc chịu lực ở trạng thái giới hạn sẽ gặp nhiều khó khăn, khi trị số lực nén dọc tác dụng vào cột thay đổi về độ lớn và vị trí tác dụng, hoặc vị trí bố trí của các thanh cốt thép dọc chịu lực trên tiết diện cột thay đổi.
3.6. Về cách xác định ảnh hưởng của độ mảnh cột
Để xác định ảnh hưởng của độ mảnh cột, các tiêu chuẩn thiết kế đều xác định thông qua hệ số khuyếch đại mô men. Tức là, nếu cột chịu tác dụng của một lực nén dọc P có độ lệch tâm ban đầu e hay cặp nội lực ban đầu tác dụng vào cột là (P, M = P.e) thì sau khi xét đến ảnh hưởng của độ mảnh cột cặp tải trọng tác dụng vào cột sẽ là (P, M' = P.ηe). Hệ số η được gọi là hệ số khuyếch đại mô men.
VLXD.org (TH/ ThS. Đào Sỹ Đán - ĐHGTVT)
