XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÊ TÔNG CỐT THÉP 2008 (BTCT2008) PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC THIẾT KẾ THEO TCXDVN 356-2005

Phần mềm này thực hiện các chức năng: Đọc các số liệu về kết cấu đã nhập vào SAP2000, ETAB và các kết quả nội lực, tổ hợp nội lực, thiết kế cốt thép cho các cấu kiện bê tông cốt thép dạn

XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÊ TÔNG CỐT THÉP 2008 (BTCT2008) PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC THIẾT KẾ THEO TCXDVN 356-2005 SVTH: Đặng Ngọc Cảnh

Nguyễn Thị Thiện

Nguyễn Quốc Hùng

GVHD: ThS Nguyễn Quốc Thông

TÓM TẮT: Xây dựng phần mềm kết hợp với phần mềm SAP2000, ETAB để tính kết cấu

bê tông cốt thép (BTCT) theo Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam (TCXDVN) Phần mềm này thực hiện các chức năng: Đọc các số liệu về kết cấu đã nhập vào SAP2000, ETAB và các kết quả nội lực, tổ hợp nội lực, thiết kế cốt thép cho các cấu kiện bê tông cốt thép dạng thanh và dạng tấm theo TCXDVN Các chức năng nói trên được phần mềm thực hiện một cách tự động và nhanh chóng Khi dùng kết hợp phần mềm SAP2000, ETAB với phần mềm này, chúng ta có thể thiết kế nhiều dạng kết cấu bê tông cốt thép phức tạp theo TCXDVN hiện hành

I ĐẶT VẤN ĐỀ

- Hiện nay, nhu cầu xây dựng các kết cấu công trình có hình dạng và cấu tạo phức tạp bằng vật liệu BTCT ở nước ta là rất lớn, và người thiết kế kết cấu hiện nay đang phải đối mặt với nhiều khó khăn trong công tác thiết kế, đặc biệt là do thiếu các phần mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo TCXDVN Vì vậy, việc xây dựng các phần mềm thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo TCXDVN đang trở thành một nhiệm vụ mang tính thiết thực, nhằm giải quyết phần nào các khó khăn trong công tác thiết kế kết cấu Đó chính là ý tưởng xuất phát của chúng tôi khi tiến hành xây dựng phần mềm có tên

“Bê tông cốt thép 2008 (BTCT 2008)” kết hợp với phần mềm SAP2000, ETAB để tính kết cấu BTCT theo TCXDVN Thiết kế kết cấu BTCT thường gồm ba công đoạn tính toán chính, được tiến hành lần lượt theo qui trình thể hiện ở hình 1

Bắt đầu

Chọn sơ bộ vật liệu, hình dạng, kích thước các bộ phận kết cấu

-Xác định sơ đồ kết cấu

-Tính nội lực, ứng suất và chuyển vị tại của kết cấu

-Tổ hợp các kết quả (nội lực, chuyển vị,…) theo TCVN

Tính cốt thép theo TCVDVN 356-2005

Kiểm tra hàm lượng cốt thép, các điều kiện về độ

võng, tính hợp lý của phương án,

Thiết kế cấu tạo các bộ phận của kết cấu theo TCVN

Thay đổi thiết kế (nếu cần)

Kết thúc

Đạt yêu cầu

Không đạt yêu cầu

Bước 1:

Bước 2:

Bước 3:

Bố trí cốt thép, kiểm tra khả năng chịu lực

Hình 1: Qui trình tính toán thiết kế kết cấu BTCT

Theo qui trình này, chúng ta thấy khối lượng và tính chất phức tạp khi tính toán thiết kế kết cấu BTCT là rất lớn nên việc sử dụng các phần mềm tin học để tự động hoá quá trình thiết kế là thật sự cần thiết

- Điểm qua một số phần mềm thiết kế kết cấu đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay, chúng ta thấy các phần mềm này có nguồn gốc thuộc một trong hai nguồn sau: Các phần mềm của Việt Nam: như FBTW, DTG, KP, CASA, RCD Các phần mềm này cho phép người sử dụng tính toán nội lực, chuyển vị, tổ hợp các kết quả theo

TCXDVN và tính lượng cốt thép cho các kết cấu BTCT theo TCXDVN 5574: 1991 nhưng chúng lại chỉ có khả năng tính được một số kết cấu tương đối đơn giản như khung phẳng (FBTW, KP), hệ dầm giao nhau (DTG), mà thôi Ngoài ra, các phần mềm này thường được bán với giá khá đắt

Các phần mềm của nước ngoài: như SAP2000, ETABS, STAAD III, STAAD-PRO, STRAND, SAFE,… Các phần mềm này đều là những phần mềm tính kết cấu chuyên nghiệp, có khả năng tính được gần như bất cứ dạng kết cấu công trình từ đơn giản đến phức tạp mà ta có thể gặp trong thực tế Tuy nhiên, do đó là những phần mềm của nước ngoài và thường đến tay người sử dụng Việt Nam theo những con đường không chính thức nên phần tổ hợp kết quả nội lực, phần tính toán lượng cốt thép và kiểm tra hàm lượng cốt thép của các phần mềm này hoàn toàn không theo các qui định trong TCXDVN

- Sự cần thiết cần phải có một phần mềm kết hợp với SAP2000, ETAB để thiết kế kết cấu BTCT theo TCXDVN:

Phần mềm SAP2000, ETAB là một phần mềm chuyên dụng để phân tích và thiết kế các kết cấu xây dựng của hãng CSI (Mỹ) Đây là một phần mềm cực mạnh, đa năng, có thể phân tích nội lực và thiết kế cho hầu hết các dạng kết cấu công trình có thể gặp trong thực

tế Phần mềm này hiện nay được rất nhiều kỹ sư trên khắp thế giới sử dụng để thiết kế các công trình xây dựng Do vậy, phần mềm SAP2000, ETAB đã được chọn để giảng dạy (không chính thức) cho sinh viên tại Khoa Xây dựng Ngành DD&CN, Ngành Cầu

đường, của Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

Tuy nhiên, hiện tại SAP2000, ETAB chưa có phần tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT theo TCXDVN Vì vậy, để các kỹ sư và sinh viên ngành Xây dựng có thể sử dụng SAP2000, ETAB thiết kế các kết cấu xây dựng tại Việt Nam, chúng ta cần phải xây dựng thêm một phần mềm liên kết với SAP2000, ETAB (được đặt tên là BTCT 2008), nhằm sử dụng các số liệu về kết cấu đã nhập cho SAP2000, ETAB và kết quả nội lực do SAP2000, ETAB tính được để tiếp tục thực hiện công đoạn tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT theo TCXDVN một cách tự động

II CƠ SỞ KHOA HỌC-PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Cơ sở lý thuyết:

- Xem vật liệu bê tông là vật liệu đàn hồi dẻo, lấy giai đoạn IIIa làm cơ sở tính toán(giai đoạn IIIa là giai đoạn ứng suất trong vùng nén đạt đến giới hạn cường độ chịu nén Rb, ứng suất trong cốt thép chịu kéo đạt đến giới hạn chịu kéo Rs)

- Sơ đồ ứng suất của bê tông có dạng hình chữ nhật (đối với dầm, cột nén lệch tâm phẳng), có dạng đa giác bất kì (đối với cột nén lệch tâm xiên)

- Bê tông chịu kéo không tham gia chịu lực

- Toàn bộ ứng suất kéo do cốt thép chịu

2 Tính toán chi tiết

Hệ thống kí hiệu theo TCXDVN 356-2005

Các đặc trưng hình học

Ab diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu nén

As (A’s) tương ứng là diện tích tiết diện của cốt thép chịu kéo (chịu nén)

Asi : diện tích tiết diện thanh cốt thép dọc thứ i

a (a’) khoảng cách từ hợp lực trong cốt thép tương ứng với As (A’s) đến biên gần

nhất của tiết diện

b chiều rộng tiết diện chữ nhật

e tương ứng là khoảng cách từ điểm đặt lực dọc N đến hợp lực trong cốt thép

chịu kéo A s

h chiều cao của tiết diện chữ nhật

h0 chiều cao làm việc của tiết diện

x chiều cao vùng bê tông chịu nén

ξ chiều cao tương đối của vùng bê tông chịu nén, bằng x/h0

 đặc trưng vùng bê tông chịu nén, được xác định theo công thức (26) hoặc

(56) TCXDVN 356-2005

Ngoại lực và nội lực

Các đặc trưng vật liệu

Rb cường độ chịu nén tính toán dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái giới

hạn thứ nhất (TTGHI)

Rbt cường độ chịu kéo tính toán dọc trục của bê tông ứng với các TTGHI

Rs cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ứng với các TTGHI

Rsc cường độ chịu nén tính toán của cốt thép ứng với các TTGHI

2.1 Cấu kiện chịu uốn

- Đối với các tiết diện chữ nhật của cấu kiện chịu uốn , khi = x/ho  R cần được tính toán theo điều kiện :

MR bx h 0,5x R A ' h a ' (1)

Trong đó, chiều cao vùng chịu nén x được xác định từ điều kiện:

s s sc s b

A s

A b

R sc A' s

R b A b

R s A s

b

h 0

M

A' s

Hình 2: Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc

với trục dọc cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn khi tính toán theo độ bền

- Đối với cấu kiện làm từ bê tông cấp B30 và thấp hơn có cốt thép không căng nhóm CI, A-I, CII, A-II, CIII, A-III, khi x > Rho cho phép tính theo điều kiện (1), trong đó thay vào giá trị x = Rho

2.2 Cấu kiện chịu nén lệch tâm phẳng

- Khi tính toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm cần kể đến độ lệch tâm ngẫu nhiên ban đầu, cũng như ảnh hưởng của độ cong đến khả năng chịu lực của cấu kiện

- Việc tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm tiết diện chữ nhật cần được thực hiện : + khi = x/ho  R theo điều kiện:

Trong đó, chiều cao vùng chịu nén được xác định theo công thức:

'

s s sc s b

A s

A b

R sc A' s

R b A b

R s A s

b

h 0

N

R b

Hình 3: Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc với trục dọc

cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm khi tính theo độ bền

+ khi = x/ho > R – cũng theo điều kiện (3), nhưng chiều cao vùng chịu nén được xác định như sau:

Đối với cấu kiện làm từ bê tông có cấp nhỏ hơn hoặc bằng B30, cốt thép nhóm CI, A-I,

CII, A-II, CIII, A-III, x được xác định theo công thức:

'

s s sc s b

Trong đó: 0

R

1 x / h

1

 

2.3 Cấu kiện chịu nén lệch tâm xiên

- Việc tính toán tiết diện trong trường hợp nén lệch tâm xiên cần được tiến hành từ điều kiện:

 b b si si

Hình 4: Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện

bê tông cốt thép trong trường hợp nén lệch tâm xiên tính toán tiết diện theo độ bền I-I – là mặt phẳng song song với mặt phẳng tác dụng của mô men uốn, hoặc mặt phẳng đi qua điểm đặt của lực dọc và hợp của các nội lực kéo, nén; A – điểm đặt hợp lực trong cốt thép chịu nén và trong bê tông vùng chịu nén; B – điểm đặt của hợp lực trong cốt thép chịu kéo; C – điểm đặt ngoại lực

Trong công thức (7):

 M: là mô men do lực dọc N đối với trục song song với đường thẳng giới hạn vùng chịu nén và đi qua:

+ trọng tâm tiết diện các thanh cốt thép dọc chịu kéo nhiều nhất hoặc chịu nén ít nhất khi cấu kiện chịu nén lệch tâm

+ điểm thuộc vùng chịu nén, nằm cách xa đường thẳng giới hạn vùng chịu nén hơn cả khi cấu kiện chịu kéo lệch tâm

 Sb: mô men tĩnh của diện tích tiết diện vùng bê tông chịu nén đối với các trục tương ứng trong các trục nêu trên

 Ssi: mô men tĩnh của diện tích thanh cốt thép dọc thứ i đối với trục tương ứng trong

các trục nói trên

 si: ứng suất trong thanh cốt thép dọc thứ i

Chiều cao vùng chịu nén x và ứng suất si được xác định từ việc giải đồng thời các phương trình:

b b si si

sc,u si

i

1 1

1,1



Ngoài ra, để xác định vị trí biên vùng chịu nén khi nén lệch tâm xiên phải tuân thủ thêm điều kiện: các điểm đặt của ngoại lực tác dụng dọc trục, của hợp lực nén trong bê tông và cốt thép chịu nén, và của hợp lực trong cốt thép chịu kéo phải nằm trên một đường thẳng (Hình 4)

Ứng suất si kèm theo dấu được tính toán theo công thức (9), khi đưa vào tính toán cần tuân theo các điều kiện sau: Rsi  si  Rsci

 i : chiều cao tương đối vùng chịu nén của bê tông, = x/hoi , trong đó hoi là khoảng cách từ trục đi qua trọng tâm tiết diện thanh cốt thứ i và song song với đường thẳng giới hạn vùng chịu nén đến điểm xa nhất của vùng chịu nén (Hình 4)

 chỉ số i là số thứ tự của thanh cốt thép đang xét

2.4 Vách cứng

Việc tính toán cốt thép và kiểm tra khả năng chịu lực cho vách cứng chưa được đề cập cụ thể trong TCXDVN, phần mềm BTCT 2008 thực hiện việc tính toán cốt thép

dọc và vẽ biểu đồ tương tác theo tiêu chuấn ACI318-02

Hệ thống kí hiệu theo tiêu chuấn ACI318-02

Lp Chiều dài vách

P left lực dọc ở phần tử biên trái

Pright lực dọc ở phần tử biên phải

a) Các bước tính toán cốt thép

- Mô hình: Cốt thép 2 vùng biên được thiết kế chịu toàn bộ momen và lực dọc

- Các giả thiết cơ bản:

+ Ứng suất kéo do cốt thép chịu

+ Ứng suất nén do bê tông và cốt thép chịu

- Các bước tính cốt thép:

Hình 5: Qui trình tính cốt thép vách cứng

u top u top

left top

left right

u top u top

right top

left right





Hình 6: Phân phối nội lực trong vách

Hình 7: Chọn phần tử biên

b) Vẽ biểu đồ tương tác:

- Khái niệm biểu đồ tương tác:

Phương pháp này dựa trên một số giả thiết về sự làm việc của bê tông và cốt thép

để thiết lập trạng thái chịu lực giới hạn (Nu, Mu) của một vách bê tông cốt thép đã biết Tập hợp các trạng thái này sẽ tạo thành một đường cong liên hệ giữa lực dọc

Nu và momen Mu của trạng thái giới hạn

- Các giả thiết cơ bản:

+ Giả thiết tiết diện phẳng

+ Giả thiết quan hệ ứng suất biến dạng của cốt thép

+ Giả thiết biểu đồ ứng suất của bê tông vùng nén và bê tông vùng nén quy đổi + Giả thiết biến dạng cực hạn của bê tông vùng nén

- Các bước vẽ biểu đồ tương tác:

Bắt đầu

Xác định biến dạng của cốt thép

Bước 3:

Xác định ứng suất của cốt thép

Bước 4:

Giả thiết chiều cao vùng bê tông chịu nén x

Bước 1:

Xác định hợp lực của vùng bê tông chịu nén

và cốt thép tại tâm hình học của vách

Bước 5:

Xác định chiều cao vùng bê tông chịu nén quy đổi

Bước 2:

Thay đổi x

Bước 6:

Kết thúc

xmax= Lp

Hình 8: Qui trình vẽ biểu đồ tương tác vách cứng

III GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH BTCT-2008

1 Ý tưởng và cách thức hoạt động của chương trình

Sau khi đã nghiên cứu, phân tích tình hình một cách cẩn thận, chúng tôi đã xây dựng được một phần mềm có tên “Bê tông cốt thép 2008 (BTCT 2008)” kết hợp với phần mềm SAP2000, ETAB để tính kết cấu BTCT theo TCXDVN, các phần mềm này kết hợp hoạt động theo sơ đồ bên dưới:

Bắt đầu

Chọn sơ bộ vật liêu, hình dạng, kết thước các bộ phận kết cấu

-Khởi động Sap2000 (Etab)

-Nhập sơ đồ kết cấu và kết cấu và khai báo tải trọng (Loadcase)

-Khai báo tổ hợp nội lực (Combo)

-Tiến hành phân tích kết cấu (Analysis) để xác định nội lực, ứng suất,

chuyển vị của kết cấu

-Xuất các số liệu đầu vào và tổ hợp nội lực ra file

-Đóng Sap2000, Etab

-Khởi động BTCT 2008

-Khai báo các file số liệu và file tổ hợp nội lực

-Khai báo các thông số tính toán theo quy ước của BTCT 2008

-Tiến hành xác định các tổ hợp nội lực bất lợi theo TCVN

-Tính toán cốt thép trong các cấu kiện dạng thanh theo TCXDVN 356-2005

Kiểm tra hàm lượng cốt thép, tính

hợp lý của phương án,

-Tiến hành bố trí cốt thép và kiểm tra khả năng chịu lực

-Xuất kết quả phục vụ cho công tác khai triển bản vẽ

-Đóng BTCT 2008

Thiết kế cấu tạo các bộ phận kết cấu theo TCVN

Kết thúc

Thay đổi thiết kế (nếu cần) Không đạt

Yêu cầu Đạt yêu cầu

Hình 9: Cách kết hợp hoạt động của BTCT 2008 với SAP2000, Etab

2 Phạm vi sử dụng

Phần mềm BTCT 2008 được lập trình nhằm kết hợp với phần mềm SAP2000, ETAB

để tính toán theo TCXDVN 356-2005 các kết cấu BTCT được cấu thành từ các cấu kiện dạng thanh (dầm, cột) và dạng tấm (vách) Số lượng cấu kiện không hạn chế Các loại cấu kiện BTCT mà chương trình có thể tính toán bao gồm: dầm chữ nhật chịu uốn, cột chữ nhật chịu nén lệch tâm phẳng hay nén lệch tâm xiên, vách cứng

3 Tính mềm dẻo

- Đặc điểm nỗi bật của chương trình BTCT 2008 là: tuy không tích hợp MS-EXCEL nhưng chương trình có thể tận dụng các thế mạnh của MS-EXCEL về tính tường minh, mềm dẻo, linh động trong quá trình tính toán qua hệ thống công cụ được xây dựng riêng

- Giao diện hợp lí, thân thiện và dễ sử dụng, người sử dụng chương trình BTCT 2008 sẽ cảm thấy thuận tiện bởi các menu được sắp xếp theo thứ tự các công việc cần thực hiện

- Các tập tin được xuất ra dưới dạng file excel (*.xls) để thuận tiện cho việc trao đổi dữ liệu với các máy tính không cài đặt BTCT 2008

- Các kết quả tính toán chi tiết được xuất dưới dạng file text

- Có khả năng xuất các thuyết minh tính toán, hình vẽ minh hoạ sang MS-WORD một các tự động

4 Là sản phẩm chuyên nghiệp

- Chương trình BTCT-2008 được viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB Có khả xử lí nhanh chóng những dữ liệu có dung lượng rất lớn (đặc biệt phù hợp với các kết cấu bê tông cốt thép) Khả năng đồ hoạ mạnh mẽ của ngôn ngữ lập trình MATLAB được sử dụng triệt để trong chương trình BTCT-2008

- Chương trình được chạy độc lập, không cần MATLAB đi kèm

- Có khả năng tính toán các kết cấu BTCT theo TCXDVN như đã nêu một cách chính xác, đủ tin cậy, ổn định, nhanh chóng

- Các kết quả chương trình BTCT-2008 xuất ra rất phong phú và chi tiết

+ Các bảng tổ hợp nội lực

+ Bảng tính cốt thép

+ Chi tiết kết quả tính cốt thép, bố trí cốt thép

+ Các biểu đồ minh hoạ,…

- Những nét đặc biệt của chương trình BTCT-2008:

+ Ngoài khả năng nhận dạng các tổ hợp nội lực được tổ hợp theo nguyên tắc “ADD” (tổ hợp theo nguyên tắc cộng), chương trình còn có thể nhận dạng các tổ hợp nội lực được tổ hợp theo nguyên tắc “SRSS”(tổ hợp theo nguyên tắc tổng bình phương, thường xuất hiện khi tổ hợp tải thành phần động trọng gió và tải trọng động đất)

+ Chương trình cho phép bố trí cốt thép rất linh động (về số thanh, đường kính, số lớp) trong cột, dầm, vách cứng nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cho công trình thiết kế Tự động

vẽ mặt cắt bố trí thép đối với cột nén lệch tâm xiên

+ Khi kiểm tra khả năng chiụ lực của phần tử cột nén lệch tâm phẳng, chương trình có khả năng vẽ “Biểu đồ tương tác” ứng với mọi trường hợp bố trí cốt thép - minh hoạ một cách trực quan về khả năng chịu lực của phẩn tử đó

+ BTCT-2008 là phần mềm duy nhất hiện nay có khả năng xác định chính xác vị trí trục trung hoà của cột nén lệch tâm xiên theo TCXDVN 356-2005 Từ đó, việc kiểm tra khả năng chịu lực cột nén lệch tâm xiên là đạt độ chính xác 100%

+ Việc bố trí cốt thép trong vách cứng theo nguyên tắc tập trung nhiều ở vùng biên được thực hiện rất nhanh chóng và linh động Chương trình sẽ vẽ biểu đồ tương tác ứng với từng kiểu bố trí thép để kiểm tra khả năng chịu lực của vách

5 Các chức năng chính

Chương trình được xây dựng theo môđun, mỗi môđun đảm nhiệm một công việc cụ thể: