Xây dựng chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung - vách bê tông cốt thép

Các nút công cụ tính toán dầm Bước 1: Nút công cụ “Beam Forces” Được viết bằng ngôn ngữ VBA để lấy dữ liệu nội lực cột từ phần mềm Etabs bằng nút công cụ “beam Forces” hoặc copy dữ liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: TS NGUYỄN QUANG TÙNG

Phản biện 2: TS LÊ QUANG TUẤN

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 12 tháng 10 năm 2019

Có thể tìm hiểu Luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

- Thư viện Khoa Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Do đó, một chương trình thiết kế khung- vách tự động lọc xử lý nội lực xuất ra từ kết cấu khung – vách nhằm tăng hiệu quả công việc thiết kế là rất cần thiết Chương trình lấy số liệu từ các phần mềm, sau đó tự động lọc số liệu để tính toán, thiết kế kết cấu khung vách

Vì vậy, học viên đã chọn đề tài “Xây dựng chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung – vách bê tông cốt thép”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết thiết kế kết cấu khung-vách, xây dựng các module thiết kế được hỗ trợ bằng ngôn ngữ VBA Kết nối các module để tạo ra một chương trình tính toán hoàn chỉnh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Kết cấu khung-vách bê tông cốt thép

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế kết cấu khung vách theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN

5574-2012 và Hoa kỳ ACI 318-14

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu khung vách kết hợp việc xây dựng các module tính toán được hỗ trợ bằng ngôn ngữ VBA

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về tình hình thiết kế kết cấu khung vách Chương 2: Xây dựng các module thiết kế kết cấu khung-vách Chương 3: Xây dựng biểu đồ tương tác cột, vách

Kết luận và kiến nghị

1.1.2 Kết cấu khung

1.1.3 Kết cấu khung – vách

Hình 1 5 Sự làm việc kết cấu khung - vách

1.2 Tổng quan về các chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung–vách

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG CÁC MODULE THIẾT KẾ KẾT CẤU

KHUNG-VÁCH 2.1 Module thiết kế kết cấu dầm

2.1.1 Lý thuyết tính toán

a Tiết diện chịu mômen âm [10]

b Với tiết diện chịu mômen dương [10]

2.1.2 Xây dựng module tính toán dầm

a Các nút công cụ tính toán dầm

Bước 1: Nút công cụ “Beam Forces”

Được viết bằng ngôn ngữ VBA để lấy dữ liệu nội lực cột từ phần mềm Etabs bằng nút công cụ “beam Forces” hoặc copy dữ liệu trực tiếp từ phần mềm Etabs

Bước 2: Nút công cụ “Assign section”

- Nút công cụ giúp người dùng thiết kế tiết diện cho các phần tử dầm Lọc và lựa chọn các nội lực nguy hiểm cho tiết diện dầm Bước 3: Nút công cụ “Design beam”

- Tự động nhập các tổ hợp nội lực vào bảng tính dầm

- Tự động gắn các tiết diện ở bước 2 cho các phần tử dầm

- Tiến hành lựa chọn tiết diện và tính toán cốt thép cho dầm Bước 4: Redesign (thiết kế lại)

Bước 5: Delete Data (xóa toàn bộ dữ liệu)

b Nhập tự động dữ liệu từ Etabs

c Cách lọc:

- Bước 1: Tạo sự kết hợp BEAM_COMBINES = tên dầm+ tên tầng công trình+ tổ hợp tải trọng cho toàn bộ file nội lực của dầm

- Bước 2: Dùng thao tác lọc đến đối tượng BEAM_COMBINES

để tiến hành lọc lấy nội lực cho tiết diện đầu, tiết diện giữa, tiết diện cuối của dầm

- Bước 3: Từ những tổ hợp nội lực ở bước 2, tiến hành lọc lấy các nội lực nguy hiểm Mmax,Mminở 3 tiết diện

d Thiết kế cốt thép dầm

Hình 2 1 Giao diện thiết kế

2.2 Module thiết kế kết cấu cột

Lập bảng tính microsoft Excel tính toán thiết kế cột theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012

b Trường hợp 2:trường hợp nén lệch tâm bé.

c Trường hợp 3:trường hợp nén lệch tâm lớn

2.2.2 Xây dựng module tính toán

a Các nút công cụ hỗ trợ tự động tính toán

Xây dựng các nút công cụ được lập trình bằng VBA với các nút công cụ: Nút công cụ “Column Forces”; Nút công cụ “Combonation column”; Nút công cụ “Design column”; Remove results (xóa kết quả); Delete Data (xóa toàn bộ dữ liệu)

b Nhập tự động dữ liệu từ Etabs

Dùng nút công cụ “Column Forces” để nhập dữ liệu cột tự động

c Lọc các tổ hợp nội lực nguy hiểm

* Cách lọc:

- Bước 1: Tạo sự kết hợp COMBINES = tên cột + tên tầng công trình+ tổ hợp tải trọng cho toàn bộ file nội lực của cột Sự kết hợp trên là duy nhất đối với mỗi tổ hợp tải trọng, mỗi cột và mỗi tầng Chẳng hạng: cột C1 ở tầng 1 (story1) và tổ hợp tải trọng COMB1 là COMB1C1STORY1

- Bước 2: Dùng thao tác lọc đến đối tượng COMBINES để tiến hành lọc lấy nội lực cho tiết diện đầu và tiết diện cuối của cột, code VBA được viết trên biểu mẫu được tạo ra như bảng sau:

- Bước 3: Từ những tổ hợp nội lực ở bước 2, tiến hành lọc lấy 3 trường hợp nguy hiểm tại mỗi tiết diện của cột là

+ Mmaxx ;M tu y;N tu

+ M tu x;Mmaxy ;N tu

+ M tu x;M tu y;Nmax

d Thiết kế cốt thép cột

Hình 2 3 Giao diện bảng tính thiết kế cột

Sau khi lọc được các nội lực nguy hiểm cho từng cấu kiện cột tại từng tiết diện ở mỗi tầng Lúc này một bảng tính hoàn chỉnh gồm các tùy chọn về vật liệu (bê tông và cốt thép), kết hợp với xây dựng nút công cụ “Design column” có chức năng vận chuyển các nội lực nguy hiểm cập nhật chính xác cho từng phần tử cột ở mỗi tầng Và tự động tính toán kiểm tra cốt thép cho thép cột

2.3 Module thiết kế kết cấu vách

Lập bảng tính microsoft Excel tính toán thiết kế vách theo phương pháp vùng biên chịu mô men trong tiêu chuẩn ACI 318-14

2.3.1 Lý thuyết tính toán cốt thép dọc

a Lý thuyết tính toán vách cứng

Trong nội dung đề tài,em sẽ sử dụng phương pháp vùng biên chịu mô men xây dựng module tính toán, thiết kế vách cứng của công trình

b Phương pháp vùng biên chịu mômen

b1 Cơ sở lí thuyết và các giả thuyết

Mx N

Thông thường, các vách cứng chịu tổ hợp các nội lực sau: N, Mx,

My, Qx, Qy Do vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang tác động

song song với mặt phẳng của nó nên khi tính toán ta không xét thành

phần momen ngoài mặt phẳng Mx và lực cắt theo phương vuông góc

với mặt phẳng vách Qy Do đó, chỉ xét đến tổ hợp nội lực gồm: N,

My, Qx

Phương pháp này cho rằng cốt thép đặt trong vùng biên ở hai đầu

tường được thiết kế để chịu toàn bộ mô men Lực dọc trục được giả

thiết là phân bố đều trên toàn bộ chiều dài tường

b2 Các bước tính toán thép dọc trong vách

Bước 1: giả thiết chiều dài B của vùng biên chịu mô men Xét

vách chịu lực dọc trục N và mômen uốn trong mặt phẳng Mx Mô

men Mx tương đương với một cặp ngẫu lực đặt ở hai vùng biên của

Bước 4: Kiểm tra hàm lượng cốt thép.Nếu không thoả mãn thì

phải tăng kích thước B của vùng biên lên rồi tính lại từ bước 1 Chiều

dài của vùng biên B có giá trị lớn nhất là L/2, nếu vượt quá giá trị này cần tăng bề dày tường

Bước 5: Kiểm tra phần tường còn lại giữa hai vùng biên như đối

với cấu kiện chịu nén đúng tâm Trường hợp bêtông đã đủ khả năng chịu lực thì cốt thép chịu nén trong vùng này được đặt theo cấu tạo

b3 Các bước tính toán chịu cắt của vách (shear design)

Quy trình tính toán chịu cắt của vách được tiến hành qua các bước sau:

* Bước 1: Xác đinh nội lực N M V u, u, u gây nguy hiểm cho vách

* Bước 2: Xác đinh khả năng chịu cắt của vách

- Khả năng chịu cắt của vách bao gồm khả năng chịu cắt của bê tông Vc và khả năng chịu cắt của cốt thépVs Khả năng chịu cắt của

bê tông được xác định:V cmin(V C1,V C2)

'

1

w

.3,3

2

w

0, 2 (1, 25 )

.

2

u C

u u

V

s

Bước 3: Kiểm tra các điều kiện cần thiết đặt cốt ngang

So sánh lực cắt Vu (nội lực nguy hiểm của vách) với khả năng chịu cắt của bê tông Vc ở công thức trên:

Nếu V u .V cthì cần tính toán cốt ngang theo trình tự sau:

+ Giả thiết đường kính cốt ngang, số nhanh cốt ngang, lúc này đã xác định được diện tích của cốt ngang AV bố trí trong vách

+ Xác định khoảng cách giữa các thanh cốt ngang tính toán b4 Các bước tính toán chịu cắt của vách khi có xét đến động đất (shear design)

Khi công trình có xét đến động đất, thì quy trình tính toán cốt thép ngang được xác định như sau:

* Bước 1: Xác đinh nội lực N M V u, u, u gây nguy hiểm cho vách

(xuất ra từ mô hình tính toán từ phần mềm phân tích kết cấu)

* Bước 2: Xác đinh khả năng chịu cắt của vách

- Khả năng chịu cắt của vách bao gồm khả năng chịu cắt của bê tông Vc và khả năng chịu cắt của cốt thépVs:

Mỗi phần tử được tính toán tại hai mặt cắt đầu vách và chân vách Do sự làm việc không gian của cột nên ta cần xác định các cặp nội lực sau để tính thép:

- Mmaxx ;M tu y;N tu

- M tu x;Mmaxy ;N tu

- M tu x;M tu y;Nmax

Quy trình thiết kế vách:

Bước 1: Nút công cụ “Wall Forces”

Được viết bằng ngôn ngữ VBA để lấy dữ liệu nội lực vách từ phần mềm Etabs bằng nút công cụ “Pier Forces” hoặc copy dữ liệu trực tiếp từ phần mềm Etabs

Bước 2: Nút công cụ “Combonation Pier”

Nút công cụ này giúp lọc lấy nội lực tại đầu (top) và cuối (bottom) ứng với từng tổ hợp tải trọng (Comb1, comb2, comb3…); của từng phần tử vách tại mỗi tầng của công trình

Bước 3: Nút công cụ “Design Wall”

- Tự động nhập các tổ hợp nội lực vào bảng tính vách (tính phần pier của vách)

- Sau đó tiến hành tổ hợp tải trọng và lựa chọn 3 tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất cho mỗi phần từ tại 2 tiết diện (đầu và cuối) của vách; tính toán thiết kế vách

Bước 4: Remove results (xóa kết quả)

Quá trình tính toán thiết kế có, người thiết kế muốn xóa các kết quả và lặp lại bước 2,3 có thể sử dụng nút công cụ Remove results

Bước 5: Delete Data (xóa toàn bộ dữ liệu)

Tự động xóa toàn bộ dữ liệu đã nhập từ Etasbs và các kết quả đã tính

b Xuất – nhập dữ liệu vách từ Etabs

Lấy nội lực Pier Forces từ phần mềm Etabs theo trình tự :

Display -> Show table -> Wall Output -> Wall Forces -> Pier Forces -> xuất hiện cửa sổ “choose Tables for Display” Lưu dữ liệu nội lực cột dưới dạng một file Excel có tên “Data_wall.xls” Sau đó

sử dụng nút công cụ “Wall Forces” để truy xuất và tự động lấy dữ liệu từ file “Data_wall.xls” nhập vào bảng tính

c Lọc các nội lực nguy hiểm

* Cách lọc (tương tự như lọc ở phần cột):

- Bước 1: Tạo sự kết hợp Wall_COMBINES = tên vách + tên

tầng công trình+ tổ hợp tải trọng cho toàn bộ file nội lực của vách Sự kết hợp trên là duy nhất đối với mỗi tổ hợp tải trọng, mỗi vách và mỗi tầng

- Bước 2: Dùng thao tác lọc đến đối tượng Wall_COMBINES để

tiến hành lọc lấy nội lực cho tiết diện đầu và tiết diện cuối của vách, code VBA được viết trên biểu mẫu được tạo ra như bảng sau:

- Bước 3: Từ những tổ hợp nội lực ở bước 2, tiến hành lọc lấy 3

trường hợp nguy hiểm tại mỗi tiết diện của vách là

2.4 Ví dụ tính toán kết cấu khung vách

Xét công trình 14 tầng cao 44 m, mặt bằng công trình (3 nhịp, 3 bước) ở vùng gió IIB:

A B C D

3A

Hình 2 5 Mặt bằng điển hình của công trình

Dựng mô hình không gian và phân tích kết cấu trong phần mềm Etabs 9.7.4:

Hình 2 22 Mô hình không gian của công trình

2.4.1 Thiết kế dầm của công trình

Sử dụng module “Beam TCVN” để thiết kế dầm:

Bước 1: Trong phần mềm Etabs, chọn các phần tử dầm cần thiết

kế, sau đó xuất nội lực của các phần tử dầm đã chọn theo đường dẫn: Displays -> show table -> Frame Forces -> Beams forces

Bước 2: Mở module thiết kế dầm, nhấn vào nút công cụ “Beams forces” để bảng tính tìm đến file dữ liệu dầm và nhập dữ liệu vào bảng tính

Bước 3: Sử dụng nút công cụ “Assign section” để lựa chọn tiết diện dầm cho phù hợp

Bước 4: Sử dụng nút công cụ “Design” để tiến hành thiết kế tự động các cấu kiện dầm đã được lựa chọn Kết quả của một số dầm: Kết quả:

- Dầm nhịp 1-2 có thép gối (7 Ø20 thép gối lớp trên, 3 Ø20 lớp dưới); thép giữa nhịp (có 3 Ø20 lớp trên, 5 Ø20 lớp thép dưới)

- Dầm nhịp 2-3 có thép gối (6 Ø20 thép gối lớp trên, 3 Ø20 lớp dưới); thép giữa nhịp (có 3 Ø20 lớp trên, 5 Ø20 lớp thép dưới)

- Dầm nhịp 3-4 có thép gối (6 Ø20 thép gối lớp trên, 3 Ø20 lớp dưới); thép giữa nhịp (có 3 Ø20 lớp trên, 5 Ø20 lớp thép dưới) Bước 5: Xem đánh giá kết quả, module còn xây dựng thêm nút công cụ “Re-design” để thiết kế lại dầm và “delete data” để xóa dữ liệu, tiến hành thiết kế lại

2.4.2 Thiết kế cột của công trình

Sử dụng module “columns TCVN” để thiết kế cột theo các bước: Bước 1: Trong phần mềm Etabs, chọn các phần tử cột cần thiết

kế, sau đó xuất nội lực của các phần tử cột đã chọn theo đường dẫn: Displays -> show table -> Frame Forces -> columns forces

Bước 2: Mở module thiết kế cột “columns TCVN”, nhấn vào nút công cụ “columns forces” để bảng tính tìm đến file dữ liệu cột và nhập dữ liệu vào bảng tính

Bước 3: Sử dụng nút công cụ “Review combinations” để xem các

tổ hợp nội lực gây nguy hiểm cho tiết diện cột

Bước 4: Sử dụng nút công cụ “Design columns” để tiến hành thiết kế tự động các cấu kiện cột đã được lựa chọn

Kết quả: cột trục 2-B tầng một công trình có tiết diện 90x90 cm,

bố trí 28 Ø28

Bước 5: Xem đánh giá kết quả, module còn xây dựng thêm nút công cụ “Re-input data” để nhập lại dữ liệu cột và “delete data” để xóa dữ liệu, tiến hành thiết kế lại

2.4.3 Thiết kế vách của công trình

Sử dụng module “Wall ACI” để thiết kế vách theo trình tự sau: Bước 1: Trong phần mềm Etabs, chọn các phần tử vách cần thiết

kế, sau đó xuất nội lực của các phần tử vách đã chọn theo đường dẫn: Displays -> show table -> wall Forces -> pier forces

Bước 2: Mở module thiết kế vách “Wall ACI”, nhấn vào nút công cụ

“wall forces” để bảng tính tìm đến file dữ liệu vách và nhập dữ liệu vào bảng tính

Bước 3: Sử dụng nút công cụ “Load combinations” để xem các

tổ hợp nội lực gây nguy hiểm cho tiết diện vách

Hình 2 6 Bố trí thép của vách được lựa chọn thiết kế

Bước 4: Sử dụng nút công cụ “Flexural Design” để tiến hành thiết kế tự động các cấu kiện vách đã được lựa chọn:

Kết quả: Vách trục 3A ở tầng 1 được thiết kế với cấp độ bền bê

tông B30, bề rộng b=30 cm, chiều dài L =3.6 m được bố trí thép vùng biên trái, biên phải 16 Ø 14, thép vùng giữa 16 Ø12

Bước 5: Xem đánh giá kết quả, module còn xây dựng thêm nút công

cụ “Re-input data” để nhập lại dữ liệu vách, tiến hành thiết kế lại

2.5 Kết luận chương 2

Chương 2 đã xây dựng được các module thiết kế kết cấu dầm, cột, vách được hỗ trợ bằng ngôn ngữ lập trình VBA giúp cho quá

trình nhập, xử lý nội lực, lọc nội lực nguy hiểm cho các tiết diện; quá

trình thiết kế nhanh xác, giảm thời gian quá trình thử sai trong thiết

kế

CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC CỘT, VÁCH

3.1 Xây dựng biểu đồ tương tác cột lệch tâm phẳng theo tiêu

chuẩn việt nam

Để lập một biểu đồ tương tác, các giá trị   R, , có một giá trị

chọn sẵn, cho  thay đổi (  từ 0 ->Rvà từ R->1) sẽ tính ra các

giá trị n và m Mỗi cặp (n,m) cho 1 điểm của biểu đồ tương tác

Với mỗi cặp giá trị (n,m) ta có thể xác định được các lực dọc và

mô men tương ứng: Nn R b h .b 0 và * 2

0

b

M m R b h

3.1.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột theo tiêu chuẩn Việt Nam

Module vẽ biểu đồ tương tác cột tiêu chuẩn Việt Nam được xây dựng dựa trên phần thiết kế cột theo Tiêu chuẩn 5574-2012 ở phần thiết kế cột; nghĩa là đã thiết kế được tiết diện thép chịu lực, có được tiết diện hình học, loại bê tông, loại cốt thép

Dựa vào lý thuyết tính toán trên, module xây dựng biểu đồ tương tác của cột được tạo ra bằng sự hỗ trợ bằng ngôn ngữ lập trình VBA Module cũng xây dựng thêm 2 nút công cụ: nút Diagram P_M (có tác dụng tự động lọc và nhập nội lực của cột, đặc trưng diện hình học của cột, số lượng cốt thép chịu lực, vật liệu để thực hiện vẽ tự động biểu

đồ tương tác của mỗi cấu kiện cột); nút Redesign Diagram P_M (giúp việc vẽ lại biểu đồ tương tác cột nếu cần; nút Delete Data (xóa dữ liệu gốc đã được nhập từ Etabs)

3.2 Xây dựng biểu đồ tương tác cột lệch tâm xiên theo phương pháp gần đúng theo tiêu chuẩn việt nam 5574-2012, kết hợp với kiểm tra bằng phương pháp nghịch đảo tải trọng

3.2.1 Lý thuyết tính toán

a Xây dựng biểu đồ tương tác

Theo phương pháp gần đúng, dùng phương pháp vẽ biểu đồ lệch tâm phẳng có kể đến các hệ số quy đổi để tính toán cho cột chịu nén lệch tâm xiên

- Phương trình cân bằng lực lên phương trục cột, và phương trình cân bằng mô men với trục cột, lần lượt được: