ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ MINH TÂM

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH
BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN

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

ĐÀ NẴNG - 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ MINH TÂM

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH
BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN ANH THIỆN

ĐÀ NẴNG - 2018


ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP
THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN
Học viên: Lê Minh Tâm Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công trình DD&CN
Mã số: 60 58 02 08 Khóa: 32 Trƣờng Đại học Bách khoa-ĐHĐN
Tóm tắt: Vách bê tông cốt thép đƣợc sử dụng phổ biến để chịu tải trọng ngang
nhƣ tải trọng gió và động đất do nó có cƣờng độ và độ cứng lớn. Luận văn này khảo
sát và so sánh cơ sở lý thuyết tính toán khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép,
xây dựng trình tự các bƣớc tính toán theo các tiêu chuẩn ACI 318-14, Eurocode
1992-1-1:2004 và Eurocode 1998-1:2004. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ chênh
lệch khả năng chịu cắt của vách kháng chấn và không kháng chấn theo tiêu chuẩn
Eurocode lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn ACI 318-14. Luận văn cũng so sánh và
đánh giá khả năng chịu cắt của vách theo cƣờng độ bê tông và tỉ lệ lực dọc giữa các
tiêu chuẩn này, theo cả hai trƣờng hợp có và không có thiết kế kháng chấn.
Từ khóa: bê tông cốt thép, vách cứng, khả năng chịu cắt, cốt thép ngang,
tiêu chuẩn thiết kế.
Abstract: Reinforced concrete shear walls are commonly used to resist
lateral loads such as wind or earthquake loadings due to their high strength and
stiffness. This thesis investigated and compared the theoretical basis for determining
the shear capacity and developed the procedures for shear design of reinforced
concrete walls in accordance with various building codes including ACI 318-14,
Eurocode 1992-1-1:2004 and Eurocode 1998-1:2004. The results show that the
difference in shear capacity between non-seismic and seismic structural walls
according to Eurocodes is much larger than that according to ACI 318-14.
Comparisons of the design shear capacity versus concrete strength and axial load
level were also carried out among these building codes, for both cases of nonseismic and seismic design.
Key words: reinforced concrete, shear wall, shear strength, shear
reinforcement, building code.



1.3.3.3. Sự làm việc của vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang .............. 14
1.4. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHỊU TẢI TRỌNG NGANG ................................................................................... 18
1.4.1. Nghiên cứu của Ning Xu (2010) [15] .................................................... 18
1.4.2. Nghiên cứu của M.A. Osman (2011) [16] ............................................. 18


1.4.3. Các nghiên cứu về mô phỏng ứng xử phi tuyến của các cấu kiện BTCT
bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. ........................................................................ 19
1.4.4. Mô hình giàn với thanh xiên nghiêng góc 45o ....................................... 20
1.4.5. Mô hình giàn với góc nghiêng thay đổi [17] ......................................... 22
1.4.6. Mô hình chống giằng [17] ..................................................................... 23
1.4.7. Mô hình miền nén (Compression Field Theory – CFT)[17] ................. 24
1.4.8. Lý thuyết miền nén cải tiến (Modified Compression Field Theory MCFT)[18] ............................................................................................................... 26
1.5. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VÁCH CỨNG BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ HƢ HẠI DO
ĐỘNG ĐẤT ............................................................................................................. 28
1.6. KẾT LUẬN ........................................................................................................ 31
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG
CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN...................................................... 32
2.1. TÍNH TOÁN THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ ACI 318-14 ............................ 32
2.1.1. Khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép trong trƣờng hợp không
thiết kế kháng chấn ................................................................................................... 32
2.1.2. Khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép trong trƣờng hợp thiết kế
kháng chấn ................................................................................................................ 33
2.2. TÍNH TOÁN THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 2 VÀ
EUROCODE 8 ........................................................................................................ 33
2.2.1. Khả năng chịu cắt của bê tông ............................................................... 33
2.2.2. Tính toán cƣờng độ trên tiết diện nghiêng ............................................. 34
2.2.2.1. Mô hình dàn ảo ................................................................................... 34
2.2.2.2. Các công thức cơ bản ......................................................................... 38


Giải thích

E

Mô đun đàn hồi

F

Tải trọng (tác động)

G

Tải trọng thƣờng xuyên

I

Mô men quán tính

M

Mô men uốn

Q

Tải trọng tạm thời

T

Mô men xoắn


Hệ số

l

Chiều dài hoặc nhịp

s

Khoảng cách giữa các cốt đai

t

Chiều dày

x

Khoảng cách từ mép bê tông chịu nén tới trục trung hòa

Ac

Diện tích tiết diện ngang của bê tông

As

Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo

A’s

Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu nén


Mô men quán tính đối với trục đi qua trọng tâm tiết diện trƣờng hợp
tiết diện không có khe nứt

Es

Mô đun đàn hồi của cốt thép

Ec

Mô đun đàn hồi của bê tông

s

Biến dạng của cốt thép chịu kéo

 's

Biến dạng của cốt thép chịu nén

f 'c

Cƣờng độ chịu nén của bê tông

fr

Cƣờng độ chịu kéo của bê tông

fy



DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1.

Hệ số quy đổi cƣờng độ nén k1 của mẫu bê tông.

3

Bảng 1.2.

Hệ số quy đổi cƣờng độ nén k2 của mẫu bê tông.

4

Bảng 3.1.

Kết quả tính toán khả năng chịu cắt thay đổi theo cấp độ

42

bền:
Bảng 3.2.

Kết quả tính toán khả năng chịu cắt thay đổi theo lực dọc:


1.4.

Cƣờng độ của bê tông theo thời gian

7

1.5a .

Biểu đồ  - ε của các loại thép dẻo

9

1.5b.

Biểu đồ  - ε của các loại thép rắn

9

1.6.

Biến dạng dẻo của cốt thép [2]

10

1.7.

Vách bê tông cốt thép

12


1.13.

Vết nứt xuất hiện trên vách do lực nén theo phƣơng xiên

16

1.14.

Vết nứt xuất hiện trên vách do lực trƣợt

17

1.15.

Vách bị phá hoại do bê tông vùng nén bị ép vỡ, cốt thép dọc mất ổn định và
kéo xiên

17

1.16.

Dạng phá hoại của vách trong thí nghiệm của Ning Xu (2010) [15]

18

1.17.

Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của cƣờng độ bê tông đến ứng xử của
vách bê tông cốt thép của M.A. Osman (2011) [16]


27

2.1.

Mô hình dàn ảo

35

2.2.

Sơ đồ tính toán cốt thép ngang chịu cắt

36

3.1.

Khả năng chịu lực cắt của vách có tỷ số nhịp cắt s=2.0 khi cấp độ bền thay
đổi

43

3.2.

Khả năng chịu lực cắt của vách có tỷ số nhịp cắt s=2.0 khi lực dọc thay đổi

44

3.3.


số tiêu chuẩn”.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu các phƣơng pháp xác định khả năng chịu cắt của vách bê tông
cốt thép theo một số tiêu chuẩn.
Phân tích và đánh giá sự khác nhau giữa khả năng chịu cắt của vách bê tông
cốt thép giữa các tiêu chuẩn.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu: Vách bê tông cốt thép
Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chịu cắt của vách bê tông cốt thép theo tiêu
chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 và các tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1:2004
(EC2-2004) và tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1998-1:2004 (EC8-2004).
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Phƣơng pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết tính toán khả năng chịu cắt của
vách bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn.
Phƣơng pháp thực nghiệm: So sánh khả năng chịu cắt của vách trong các tiêu
chuẩn với một số kết quả thí nghiệm vách cứng đã đƣợc tiến hành trên thế giới
4. Bố cục luận văn
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA VÁCH BÊ TÔNG CỐT
THÉP
Chƣơng 2. TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG


2

CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN
Chƣơng 3. SO SÁNH KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA VÁCH BÊ TÔNG
CỐT THÉP GIỮA TIÊU CHUẨN HOA KỲ ACI 318-14 VỚI TIÊU CHUẨN
CHÂU ÂU EC2-2004 VÀ EC8-2004.



k1 – hệ số tính đổi kết quả thí nghiệm nén các mẫu bê tông có kích thƣớc
khác với mẫu chuẩn 15×15×15cm.
Theo TCVN 3118-1993, hệ số k1 đƣợc lấy theo bảng 1.1.
Bảng 1.1. Hệ số quy đổi cường độ nén k1 của mẫu bê tông.


4

Hình dáng và kích thƣớc

Hệ số tính đổi

của mẫu (mm)

k1

Mẫu lập phương
100×100×100
150×150×150
200×200×200

0,91
1,00
1,05

300×300×300

1,00

Mẫu trụ (D×h)

1,2

1,1

1,0

0,99 0,98 0,97 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89
Đơn vị của R thƣờng dùng là MPa hoặc kg/cm2; 1MPa  10,19 kG/cm2. Bê
tông nặng thông thƣờng có R = 530 MPa. Bê tông có R > 40 Mpa là loại bê tông
cƣờng độ cao.
1.1.1.2. Sự phá hoại của mẫu thử
Khi chịu nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phƣơng lực tác dụng, bê tông còn
có biến dạng nở ngang. Thông thƣờng, chính sự nở ngang quá mức làm mẫu bê
tông bị nứt và phá hoại. Trong thí nghiệm nếu bôi trơn mặt tiếp xúc giữa bàn máy
nén và mẫu thì bê tông đƣợc tự do nở ngang, dẫn đến các vết nứt song song theo
phƣơng lực tác dụng và sự phá hoại xảy ra nhƣ hình 1.2b. Nếu có bôi trơn mặt tiếp
xúc thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang và làm tăng
cƣờng độ của mẫu hơn so với khi có bôi trơn mặt tiếp xúc. Ảnh hƣởng của lực ma
sát giảm dần từ mặt tiếp xúc đến khoảng giữa mẫu, dẫn đến mẫu bị phá hoại nhƣ
hình 1.2c. Vì vậy, mẫu lập phƣơng có kích thƣớc lớn có cƣờng độ thấp hơn so với
mẫu có kích thƣớc bé, và cƣờng độ của mẫu hình trụ thấp hơn cƣờng độ mẫu lập
phƣơng.


5

b)

a)


1-mẫu; 2-bàn máy nén; 3-ma sát; 4- vết nứt dọc trong mẫu;
5- bê tông bị ép vụn; 6- hình tháp bị phá hoại.
Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu kéo Rt
Cƣờng độ chịu kéo của bê tông có thể đƣợc xác định bằng cách kéo mẫu tiết
diện vuông cạnh a, hoặc uốn mẫu tiết diện chữ nhật b×h, hoặc nén chẻ mẫu trụ tròn
nhƣ trên hình 2-3.
a)
P

P

a
a
c)

L=4a

D
b)

L/3

L/3

L/3

L

b
h

2F
DL

(1.4)

Trong đó:
P, M, F – lần lƣợt là lực kéo, mômen uốn và lực nén làm chẻ mẫu;
A – diện tích tiết diện ngang của mẫu kéo;
b, h – lần lƣợt là bề rộng và chiều cao của tiết diện mẫu uốn;
D, L – lần lƣợt là đƣờng kính và chiều dài mẫu nén chẻ.
1.1.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông
* Thành phần và cách chế tạo:
Cƣờng độ của bê tông đƣợc quyết định bởi thành phần và cách chế tạo, cụ thể
là các yếu tố cơ bản sau:
 Chất lƣợng và số lƣợng xi măng;
 Độ cứng, độ sạch và cấp phối cốt liệu;
 Tỷ lệ nƣớc trên xi măng;
 Chất lƣợng của việc nhào trộn, đổ, đầm và điều kiện dƣỡng hộ bê tông.
Nói chung các nhân tố trên ảnh hƣởng quyết định đến R và Rt nhƣng với mức
độ khác nhau. Ví dụ tỷ lệ nƣớc trên ximăng

N
có ảnh hƣởng rất lớn đến R và có
XM

phần ít hơn đối với Rt; trong khi độ sạch cốt liệu ảnh hƣởng lớn đến R và rất lớn đối
với Rt…
* Tuổi của bê tông:
Tuổi là thời gian t (ngày) tính từ lúc chế tạo đến khi bê tông chịu lực. Cƣờng
độ của bê tông tăng theo thời gian. Thời gian đầu cƣờng độ tăng nhanh, sau chậm

* Ảnh hƣởng của tốc độ gia tải và thời gian tác dụng của tải trọng:
Tốc độ gia tải khi tiến hành các thí nghiệm cũng ảnh hƣởng đến cƣờng độ của
mẫu. Khi gia tải rất chậm, cƣờng độ bê tông chỉ đạt khoảng (0,850.90)R. Ngƣợc
lại, khi gia tải rất nhanh cƣờng độ bê tông có thể đạt (1,151,20)R. Tốc độ gia tải
qui định bằng (64)kG/cm2/giây cho đến khi mẫu bị phá hoại. Dùng tốc độ gia tải
nhỏ đối với các mẫu bê tông có cƣờng độ thấp và tốc độ gia tải lớn đối với các mẫu
bê tông cƣờng độ cao.
Thí nghiệm nén mẫu bê tông đến ứng suất (0,900,95)R, rồi giữ nguyên lực
nén trong thời gian dài thì một lúc nào đó mẫu sẽ bị phá hoại. Đó là hiện tƣợng bê
tông bị giảm cƣờng độ khi chịu tải trọng tác dụng dài hạn.
1.1.2. Giá trị trung bình và giá trị tiêu chuẩn của cƣờng độ
1.1.2.1. Giá trị trung bình:
Thí nghiệm n mẫu thử cùng một loại bê tông, cƣờng độ trung bình Rm đƣợc
xác định:
n

Rm 

R
i 1

i

(1.6)

n

1.1.2.2. Giá trị đặc trưng:
Giá trị đặc trƣng của cƣờng độ còn gọi là cƣờng độ đặc trƣng đƣợc xác định


1.1.2.3. Giá trị tiêu chuẩn:
Giá trị tiêu chuẩn của cƣờng độ bê tông gọi tắt là cƣờng độ tiêu chuẩn, đƣợc
lấy bằng cƣờng độ đặc trƣng của mẫu thử Rch nhân với hệ số kết cấu  KC kể đến sự
làm việc sai khác giữa mẫu thử và kết cấu,  KC  0,7  0,8 .
Cƣờng độ tiêu chuẩn về nén đƣợc ký hiệu Rbn, về kéo Rbtn. Cƣờng độ tiêu
chuẩn về nén Rbn có thể lấy bằng cƣờng độ đặc trƣng của mẫu hình trụ với h=4a, và
thƣờng gọi là cƣờng độ lăng trụ.
1.1.3. Cấp độ bền và mác bê tông
1.1.3.1. Mác theo cường độ chịu nén M
Đây là khái niệm theo tiêu chuẩn cũ TCVN 5574-1991. Mác bê tông M lấy
bằng cƣờng độ chịu nén trung bình của mẫu thử chuẩn, là mẫu lập phƣơng kích
thƣớc 150×150×150mm, đƣợc chế tạo, dƣỡng hộ và thí nghiệm nén ở tuổi 28 ngày,
tính bằng đơn vị kG/cm2. Theo tiêu chuẩn TCVN 5574-1991 bê tông có các mác:
M50, M75, M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400, M500, M600.
1.1.3.2. Cấp độ bền chịu nén B
Theo TCVN 5574-2012, cấp độ bền chịu nén B, là trị số lấy bằng cƣờng độ
đặc trƣng của mẫu thử chuẩn, tính bằng đơn vị MPa, với xác suất đảm bảo không
dƣới 95%.
Theo TCVN 5574-2012 bê tông có các cấp độ bền B3,5; B5; B7,5; B10;
B12,5; B15; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60.
Nhƣ vậy tƣơng quan giữa mác M và cấp độ bền B của cùng một loại bê tông
nhƣ sau:
B  M

(1.9)


9

Trong đó:

bền B và biến cực hạn  x .

Biểu đồ ứng suất - biến dạng của thép rắn đƣợc thể hiện trên (hình 1.5b) gồm
đoạn thẳng OA và đƣờng cong AC. Đoạn OA ứng với trạng thái làm việc đàn hồi.
Đoạn cong AC ứng với giai đoạn cốt thép có biến dạng dẻo. Khi bị kéo đứt xác định
đƣợc giới hạn bền B và biến cực hạn  x* .


10

Giới hạn đàn hồi và biến dạng dẻo: δdh bằng ứng suất ở cuối giai đoạn đàn
hồi.

Hình 1.6. Biến dạng dẻo của cốt thép [2]
Khi kéo thép trong giới hạn đàn hồi (chƣa đến điểm A), giảm lực thì toàn bộ
biến dạng đƣợc khôi phục, đƣờng biển diễn  - ε khi giảm lực về điểm O gốc tọa độ.
Khi kéo thép đến điểm D nào đó vƣợt qua điểm A (quá giới hạn đàn hồi),
giảm lực thì đồ thị  - ε ứng với giảm lực là đƣờng thẳng DO’ song song với OA,
không trở về gốc mà vẫn còn một phần biến dạng không hồi phục, đó là biến dạng
dẻo pl (hoặc biến dạng dƣ), khi điểm D càng xa điểm A thì pl càng lớn.
Giới hạn chảy: δch lấy bằng ứng suất ở đầu giai đoạn chảy.
Với loại thép không có giới hạn chảy và giới hạn đàn hồi ngƣời ta qui định
giới hạn quy ƣớc. Giới hạn đàn hồi qui ƣớc ứng với biến dạng dƣ tỉ đối là 0,02%.
Giới hạn chảy qui ƣớc ứng với biến dạng dƣ tỉ đối là 0,2%.
1.2.2. Phân loại cốt thép.
Để có số liệu để tính toán ta tạm chấp nhận theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
5574-2012 gồm 5 nhóm: RB300(1); RB400(2); RB500(3); RB400w(4);
RB500w(5). Con số ghi ở mỗi loại thép bằng giới hạn chảy trung bình tính theo đơn
vị (MPa). Ba loại 1;2;3 là thép khó hàn, loại 4;5 là thép dễ hàn.
+ Các đặc trưng cơ học của cốt thép

5000

19

C-III

6-40

4000

6000

14

C-IV

10-32

6000

9000

6

+ Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép
Cƣờng độ tiêu chuẩn đƣợc lấy bằng cƣờng độ giới hạn chảy (thực tế hoặc quy
ƣớc) với xác suất bảo đảm không dƣới 95%.
Môđun đàn hồi của cốt thép Es.



Tuy nhiên về nhƣợc điểm là nhà có kết cấu vách do đó có nhiều tƣờng chịu
lực nên không linh hoạt bằng kết cấu khung, tải trọng của vách bê tông cốt thép lớn.


12

Hình 1.7. Vách bê tông cốt thép

Hình 1.8. Vách cứng phẳng
1.3.2. Đặc điểm làm việc của vách bê tông cốt thép:
Là một hệ vách phẳng làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng và nhiệm vụ chịu
tải trọng ngang, trong đó vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang là chủ yếu.
Căn cứ vào cách bố trí đối với vách chịu tải trọng thẳng đứng chia vách bê tông
cốt thép ra làm 3 dạng chịu tải nhƣ sau: vách dọc chịu lực; vách ngang chịu lực;
vách dọc, ngang chịu lực.


13

Hình 1.9. Sơ đồ hệ vách chịu lực.
Vách bê tông cốt thép chủ yếu là chịu tải trọng ngang, tuy nhiên khi thiết kế
thì ngoài việc chịu tải trọng ngang, còn phải tính toán vể khả năng chịu tải trọng
đứng. Vách bê tông cốt thép có khả năng chịu cắt và chịu uốn rất tốt nên đƣợc gọi là
vách cứng.
Nhằm đảm bảo độ cứng cho kết cấu trong vấn đề khả năng chịu lực nên bố
trí vách cứng bê tông cốt thép theo cả hai phƣơng dọc và ngang. Căn cứ về số lƣợng
vách theo mỗi phƣơng để xác định đảm bảo theo khả năng chịu tải trọng đối với
phƣơng đó. Bên cạnh đó, vách cứng bê tông cốt thép cũng nên xem xét nghiên cứu
bố trí sao cho kết cấu vách bê tông cốt thép không bị xoắn khi chịu tải trọng ngang.
Tải trọng ngang đƣợc truyền đến vách bê tông cốt thép chịu tải thông qua hệ