XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG-VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, việc thiết kế kết cấu khung vách đa phần đang dùng các phần mềm thương mại Etabs, Sap2000… để phân tích, tính toán mô hình, xác định nội lực, chuyển vị của kết cấu; còn việc lọ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Hồ Ngọc Văn Chí

và công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, gia đình, bạn bè đã động viên để học viên hoàn thành xong luận văn này

Dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn nhưng do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học và kinh nghiệm nghiên cứu của bản thân còn hạn hẹp nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Học viên mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành để học viên hoàn thiện hơn đề tài này

Xin trân trọng cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày tháng 9 năm 2019

Học viên thực hiện

Hồ Ngọc Văn Chí

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ KẾT CẤU

KHUNG-VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Hồ Ngọc Văn Chí, Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 85.80.201 Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt- Kết cấu khung vách đang được sử dụng rất phổ biến trong các nhà cao tầng

ở Việt Nam Hiện nay, việc thiết kế kết cấu khung vách đa phần đang dùng các phần mềm thương mại (Etabs, Sap2000…) để phân tích, tính toán mô hình, xác định nội lực, chuyển vị của kết cấu; còn việc lọc, xử lý số liệu xuất ra từ các phần mềm để phục

vụ cho việc tính toán thiết kế kết cấu khung- vách đang được làm thủ công thủ công dễ gây nhầm lần, sai xót, và mất khá nhiều thời gian cho quá trình thử sai trong thiết kế Chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung-vách bê tông cốt thép được phát triển trên nền tảng ngôn ngữ lập trình VBA để tạo ra các module tính toán giúp công tác xử lý

dữ liệu nhanh chóng hơn Chương trình kết nối dữ liệu xuất ra từ các phần mềm thương mại để thực tiện tính toán thiết kế các cấu kiện dầm, cột và vách, sau đó kiểm tra khả năng chịu lực trên tiết diện bằng cách xây dựng biểu đồ tương tác mô men-lực dọc theo các tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 và ACI 318-14

Từ khóa: bê tông cốt thép, kết cấu khung-vách, nhà cao tầng

DEVELOPMENT OF A COMPUTER PROGRAM TO SUPPORT THE DESIGNOF REINFORCED CONCRETE WALL-FRAME STRUCTURES Abstract- Wall-frame structure is very commonly used in high-rise buildings in

Vietnam At present, commercial structural softwares (Etabs, Sap2000 ) are used to develop structural models and determine internal forces and displacements of the structures; while the filtering and processing of data exported from the software in order to design the structures are manually done, which cause confusion, mistakes, and take a lot of time for trial and error process in design A computer program based on VBA programing language was developed in order to create modules to support data processing The program uses data exported from commercial softwares to design beams, columns and shear walls, and then check the strength capacity of these structural elements according to TCVN 5574-2012 and ACI 318-14

Key word: reinforced concrete, wall-frame structure, high-rise building

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 3TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG VÁCH 3

1.1 Tổng quan về cấu tạo khung-vách 3

1.1.1 Kết cấu vách 3

1.1.2 Kết cấu khung 5

1.1.3 Kết cấu khung - vách 5

1.2 Tổng quan về các chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung–vách 7

1.2.1 Quy trình thiết kế kết cấu khung - vách 7

1.2.1 Chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung - vách 7

CHƯƠNG 2 9XÂY DỰNG CÁC MODULE THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG-VÁCH9 2.1 Module thiết kế kết cấu dầm 9

2.1.1 Lý thuyết tính toán 9

2.1.2 Xây dựng module tính toán dầm 10

2.2 Module thiết kế kết cấu cột 15

2.2.1 Lý thuyết tính toán cốt thép dọc 15

2.2.2 Xây dựng module tính toán 18

2.3 Module thiết kế kết cấu vách 25

2.3.1 Lý thuyết tính toán cốt thép dọc 25

2.3.2 Xây dựng module tính toán vách 30

2.4 Ví dụ tính toán kết cấu khung vách 35

2.4.1 Thiết kế dầm của công trình 36

2.4.2 Thiết kế cột của công trình 38

2.4.3 Thiết kế vách của công trình 46

2.5 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3 50XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC CỘT, VÁCH 50

3.1 Xây dựng biểu đồ tương tác cột lệch tâm phẳng theo tiêu chuẩn việt nam 50

3.1.1 Lý thuyết tính toán 50

3.1.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột theo tiêu chuẩn Việt Nam 50

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 51

3.2.1 Lý thuyết tính toán 51

3.2.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột 55

3.3 Module xây dựng biểu đồ tương tác P-M của cột theo tiêu chuẩn ACI 56

3.3.1 Lý thuyết tính toán 56

3.3.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột 61

3.4 Xây dựng biểu đồ tương tác vách theo tiêu chuẩn ACI 62

3.4.1 Lý thuyết tính toán 62

3.4.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác vách 67

3.5 Ví dụ kiểm tra biểu đồ tương tác cột, vách 70

3.5.1 Xây dựng biểu đồ tương tác cột 70

3.5.2 Xây dựng biểu đồ tương tác vách 71

3.6 Đóng gói, hoàn chỉnh chương trình hỗ trợ thiết kế khung-vách bê tông cốt thép 73

3.7 Kết luận chương 3 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VBA Visual Basic Application

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

f'

c Cường độ chịu nén của bêtông

fy Giới hạn chảy của cốt thép

Ec Môđun đàn hồi của bêtông

Es Môđun đàn hồi của cốt thép

Bw Chiều rộng của vách

Lw Chiều dài của vách

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu

bảng

biểu

2.2 Bảng hàm lượng cốt thép nhỏ nhất ứng với độ mảnh của cột 19

2.3 Bảng hỗ trợ lấy các tổ hợp nội lực nguy hiểm ở tiết diện đầu- cuối

2.4 Bảng hỗ trợ lấy nội lực nguy hiểm ở tiết diện - đầu cuối của vách 34

2.5 Kết quả thiết kế cột trục 2-B của công trình 41

2.6 Kết quả thép của vách trục 3A (vách V4STORY1) của công trình 45

2.3 Một phần đoạn Code VBA áp dụng xây dựng bảng tính dầm 13

2.4 Lọc lấy các tổ hợp nội lực ở tiết diện 2 gối và giữa nhịp dầm 14

2.5 Giao diện lựa chọn tiết diện thiết kế của dầm 14

2.7 Một phần đoạn Code VBA áp dụng xây dựng bảng tính cột 16

2.1 Đoạn code VBA hỗ trợ tự dộng nhập nội lực cột vào bảng tính 21

2.11 Lấy các tổ hợp nội lực nguy hiểm ở tiết diện đầu- cuối của cột 22

2.12 Code VBA hỗ trợ lọc các tổ hợp nội lực ở tiết diện đầu- cuối của cột 24

2.14 Một phần Code VBA hỗ trợ thiết kế cốt thép cột 25

2.19 Các tổ hợp nội lực ở tiết diện đầu –cuối của vách 33

Số hiệu

2 25 Dữ liệu nội lực dầm được nhập vào bảng tính dầm 38

2 26 Kết quả thép dầm được thiết kế từ bảng tính dầm [10] 39

2 28 Dữ liệu nội lực cột được nhập vào bảng tính cột 40

2 29 Bố trí thép trong cột trục 2-B ở tầng một của công trình 43

2 31 Dữ liệu nội lực vách được nhập vào bảng tính vách 44

2 32 Bố trí thép của vách được lựa chọn thiết kế 45

3 1 Biểu đồ tương tác lệch tâm phẳng của cột theo tiêu chuẩn 5574-2012 47

3 2 Sơ đồ tính toán cốt thép lệch tâm phẳng đặt theo chu vi [11] 48

3 3 Tiết diện có 12 thanh thép dọc đặt theo chu vi [11] 49

3 8 Sơ đồ quy đổi tiết diện cốt thép chịu lực sang tiết diện bê tông tương

đương

55

3 10 Giao diện module kiểm tra biểu đồ tương tác 57

3 11 Đoạn code VBA hỗ trợ module vẽ biểu đồ tương tác 58

3 12 Sơ đồ tính biến dạng của mỗi lớp thép trong vách 59

3 13 Biểu đồ ứng suất biến dạng của bê tông confined và unconfined [17] 63

3 15 Biểu đồ tương tác không xét bê tông confined 64

3 16 Sơ đồ ứng suất biến dạng của bê tông confined và unconfined 65

3 17 So sánh biểu đồ tương tác bê tông unconfined và confined (SBD) 65

3 18 Biểu đồ tương tác xét bê tông confined (DBD) 66

Số hiệu

3 20 Biểu đồ tương tác của một vách không xét bê tông confined 68

3 21 Biểu đồ tương tác vách khi chưa xét đến confined của bê tông 69

3 22 Kết quả so sánh biểu đồ tương tác không xét confined và xét

confined

69

3 23 Giao diện chương trình hỗ trợ thiết kế khung-vách bê tông cốt thép 70

Thực tế, sinh viên và người thiết kế sử dụng các phần mềm thương mại (chẳng hạn như ETABS, SAP2000…) để tính toán nội lực và chuyển vị của kết cấu, sau đó mất khá nhiều thời gian xử lý số liệu xuất ra từ các phần mềm để phục vụ cho việc tính toán thiết kế kết cấu khung- vách Việc xử lý số liệu thủ công dễ gây nhầm lần, sai sót,

và mất khá nhiều thời gian cho quá trình thử sai trong thiết kế Đồng thời, việc thiết kế kiểm tra trên mỗi tiết diện của cấu kiện (biểu đồ tương tác, các đặc trưng hình học của tiết diện…) cũng được xây dựng các module để việc tính toán trên từng tiết diện nhanh chóng hơn

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

2 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

5 Kết quả dự kiến

- Xây dựng các module thiết kế kết cấu cột, dầm, vách cứng trong nhà cao tầng

- Xây dựng các module kiểm tra tiết diện cột-vách bằng biểu đồ tương tác P-M

6 Bố cục đề tài

Mở đầu:

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu đề tài

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

3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG VÁCH

1.1 Tổng quan về kết cấu khung-vách

1.1.1 Kết cấu vách

a Định nghĩa vách

Vách cứng BTCT là một cấu kiện thẳng đứng chịu lực chính trong công trình Cấu kiện vách cứng có chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với chiều cao và chiều rộng của vách Vách có độ cứng và khả năng chịu lực lớn trong mặt phẳng nên vách cứng BTCT thường được sử dụng trong kết cấu nhà cao tầng, khi mà tải trọng ngang là yếu

tố quyết định đến nội lực, độ ổn định cũng như biến dạng của công trình Hệ vách cứng làm việc như tấm công xôn được ngàm vào móng và được bố trí liên tục suốt chiều cao nhà

Hình 1 1.Vách cứng bê tông cốt thép

4 Nếu hệ vách cứng chỉ là một tấm tường BTCT, tiết diện ngang hình chữ nhật được gọi là vách cứng phẳng

5 Ngoài ra vách cứng cũng thường được phân loại theo kích thước hình học như sau:

- Vách cao (Slender Walls): có tỷ số Hw / Lw > 2,5 biến dạng chủ yếu là biến dạng do uốn

- Vách trung bình (Moderate Aspect Ratio Walls): có tỷ số 1,5 ≤ Hw / Lw ≤ 2,5 biến dạng cả do uốn và do cắt

- Vách ngắn (Squat Walls): có Hw / Lw < 1,5, biến dạng chủ yếu là biến dạng

do cắt

b Sự làm việc của vách cứng BTCT chịu tải trọng ngang

Tùy thuộc vào tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng, vách cứng có thể ứng xử như một vách cao (slender walls), hay như một vách ngắn (squat walls) hoặc có thể là sự kết hợp của cả 2 loại

Vách cao thường có tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng lớn hơn 2,5 Sự làm việc của vách giống như một dầm công xôn dài thẳng đứng, biến dạng chủ yếu của vách khi chịu uốn, biến dạng cắt của vách nhỏ và có thể bỏ qua Cường độ chịu uốn của vách là yếu tố quyết định cho việc thiết kế dạng vách này

Vách ngắn thường có tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng nhỏ hơn 1,5 Biến dạng do cắt ảnh hưởng lớn hơn nhiều so với biến dạng do uốn Cường độ chống cắt là yếu tố quyết định cho việc thiết kế dạng vách này

1.1.2 Kết cấu khung

Hệ kết cấu khung được tạo thành từ các cấu kiện đơn như cột, dầm liên kết cứng tại các nút tạo thành các hệ khung phẳng hoặc khung không gian theo các nút cột trên mặt bằng công trình [5]

Hệ khung chịu lực thuần túy có độ cứng theo phương ngang nhỏ hơn nhiều lần

độ cứng của khung theo phương thẳng đứng, do đó kết cấu khung chịu tải trọng thẳng đứng rất tốt nhưng có chuyển vị lớn khi chịu tác dụng của tải ngang nên kết cấu khung chỉ thích hợp với các công trình có chiều cao nhỏ hơn 40 mét

1.1.3 Kết cấu khung - vách

Các hệ kết cấu Bê tông cốt thép toàn khối được sử dụng phổ biến trong các nhà cao tầng bao gồm: hệ kết cấu khung, hệ kết cấu tường chịu lực, hệ khung vách hỗn

6 hợp, hệ kết cấu hình ống và hệ kết cấu hình hộp Việc lựa chọn hệ kết cấu dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của công trình, công năng sử dụng, chiều cao của ngôi nhà và độ lớn của tải trọng ngang (động đất, gió)

Hình 1 4 Kết cấu khung - vách

Kết cấu khung vách được sử dụng khá phổ biến trong kết cấu các nhà cao tầng hiện nay Kết cấu khung vách bao gồm các dạng:

7

a Hệ kết cấu khung - vách cứng

Hệ kết cấu khung vách được sử dụng phổ biến hiện nay, bởi vì hệ kết cấu này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc của nhà cao tầng, giúp ứng dụng linh hoạt các công nghệ xây dựng khác nhau như vừa có thể lắp ghép vừa đổ tại chỗ các kết cấu

bê tông cốt thép, có thể đổ tại chỗ các vách cứng bằng công nghệ ván khuôn trượt

b Hệ kết cấu khung - lõi

Lõi công trình được bố trí thành hệ thống theo một phương, hai phương hoặc có thể liên kết lại thành các hệ không gian gọi là lõi cứng Đặc điểm quan trọng của loại kết cấu này là khả năng chịu lực ngang tốt nên thường được sử dụng cho các công trình có chiều cao trên 20 tầng

Kết cấu khung (cột- dầm) thường chịu tải trọng thẳng đứng của công trình rất tốt, khi chịu tải trọng ngang thì kết cấu khung thường có sự chuyển vị lớn Trong quá trình làm việc các nút khung thường có biến dạng cắt gây nguy hiểm cho nút khung

Để khắc phục nhược điểm của kết cấu khung, ta tiến hành sử dụng kết hợp sự làm việc chung của khung – vách Kết cấu vách chịu tải trọng ngang tốt, hạn chế chuyển vị ở các tầng của công trình, kết cấu vách thường được bố trí ở biên các công trình hoặc ở khung vực bố trí thang máy (lõi cứng) Do đó, sự kết hợp kết cấu khung – vách giúp cho kết cấu công trình làm việc hài hòa và khả năng chịu lực tốt hơn

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

Hiện nay, việc hỗ trợ thiết kế kết cấu khung vách cũng có một số chương trình

hỗ trợ, một số chương trình được viết với hình thức thương mại như: chương trình RCC 2018 –Phần mềm tính toán diện tích cốt thép cột, chương trình này là từng

8 module đơn lẻ, yêu cầu người thiết kế phải nhập các tổ hợp nội lực thủ công, chương trình chỉ có tính năng kiểm tra, mất khá nhiều thời gian để hoàn thành việc kiểm tra tiết diện cột Chương trình KCS KTV – Phần mềm kiểm tra khả năng chịu lực của vách được viết trên nền tảng Visual basic autocad, Autolisp cad, zw cad của tác giả Hồ Việt Hùng giúp người thiết kế xây dựng tiết diện vách có bố trí cốt thép vách, lựa chọn vật liệu, nhập nội lực vách Học viên nhận thấy, chương trình KCS KTV cũng chỉ hỗ trợ việc kiểm tra tiết diện vách, chưa hỗ trợ thiết kế vách, việc nhập nội lực cũng được

tổ hợp thủ công trước khi nhập vào phần mềm Công việc lọc nội lực mất nhiều thời gian, dễ sai sót

Đối với các bạn sinh viên đang học ngành xây dựng, việc lọc nội lực ở từng tiết diện của từng cấu kiện trong toàn bộ kết cấu khung vách của công trình bằng thủ công thì khối lượng công việc rất lớn, mất khá nhiều thời gian Khi lọc nội lực xong, tiến hành tổ hợp nội lực thủ công dễ sai sót vì xử lý rất nhiều nội lực của nhiều cấu kiện trong công trình Đồng thời, việc các tổ hợp nội lực sẽ được nhập thủ công vào bảng tính được tạo theo các tiêu chuẩn tính toán để tiến hành quá trình thử sai trong thiết kế

là mất nhiều thời gian và dễ nhầm lẫn Các bạn sinh viên và các tân kĩ sư mới bắt đầu làm công việc thiết kế cần có một chương trình để hỗ trợ việc lọc, xử lý nội lực nhanh chóng hơn so với việc làm thủ công để người dùng có thể hiểu quy trình thiết kế và áp dụng hiệu quả vào công việc học tập và làm việc Vì vậy, học viên đã thực hiện xây dựng một chương trình tự động lọc nội lực, tổ hợp nội lực, tính toán, thiết kế, kiểm tra kết cấu khung- vách; đồng thời xây dựng module kiểm tra kết cấu cột- vách bằng biểu

đồ tương tác (P-M Diagram)

9

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG CÁC MODULE THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG-VÁCH

2.1 Module thiết kế kết cấu dầm

Các trường hợp tải trọng được xét đến trong quá trình tính toán nội lực của phần

mềm Etabs là: Tĩnh tải (TT); Hoạt tải (HT); Gió tĩnh và động theo phương X (GX);

Gió tĩnh và động ngược phương X (GXX), gió tĩnh và động ngược phương Y (GYY);

động đất theo phương X (QX); động đất ngược phương X (QXX); động đất theo

phương Y (QY); động đất ngược phương Y (QYY)

2.1.1 Lý thuyết tính toán

a Tiết diện chịu mômen âm [10]

Cánh nằm trong vùng chịu kéo nên ta tính toán với tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn

- Giả thiết trước khoảng cách trọng tâm cốt thép đến mép dầm tương ứng là a =

2

0

cm h R

M A

S

TT

S   (2.2) + Nếu m R: thì tăng kích thước tiết diện hoặc tăng cấp độ bền nén của

bêtông hoặc đặt cốt kép

b Với tiết diện chịu mômen dương [10]

Cánh nằm trong vùng chịu nén nên ta tính toán với tiết diện chữ T

10 '

ho: chiều cao làm việc của dầm

Mf: giá trị mômen ứng với trường hợp trục trung hoà đi qua mép dưới của

' '

).5,0.(

)

.(

h b R

h h

h b b R M

b

f f

f b m

+ Nếu m R: thì từ m tra phụ lục ta được 

Diện tích cốt thép yêu cầu:

S     (2.5) + Nếu m R: thì ta tính với trường hợp tiết diện chữ T đặt cốt kép

* Kiểm tra hàm lượng cốt thép

min 

o

S t

bh

A



Hợp lí: 0,8%  t 1,5%.Thông thường với dầm lấy min=0,15%

Đối với nhà cao tầng max= 5%

2.1.2 Xây dựng module tính toán dầm

a Các nút công cụ tính toán dầm

Xây dựng các nút công cụ được lập trình bằng VBA nhằm thực hiện quá trình nhập

dữ liệu, lọc và xử lý số liệu nội lực, thiết kế cốt thép

Mỗi phần tử dầm được tính toán với nội lực Mmax,Mminở 3 tiết diện (gối trái, gối

phải, vùng giữa)

Module được thiết kế với các nút công cụ hỗ trợ tự động quy trình lọc, xử lý số liệu

nội lực, thiết kế cốt thép dầm theo quy trình các bước (tương ứng với các nút công cụ

sau):

11 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)

- Cập nhật lại tiết diện và tiết hành thiết kế lại theo bước 2, bước 3

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 Nhập tự động dữ liệu từ Etabs

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

Display -> Show table -> Frame Output -> Frame Forces -> beam Forces

-> xuất hiện cửa sổ “choose Tables for Display”

Hình 2 1 Chọn nội lực dầm xuất ra từ phần mềm Etabs

12 Lựa chọn các tổ hợp nội lực trong Etabs, sẽ xuất được nội lực dầm như sau:

Hình 2 2 Nội lực các dầm xuất ra từ Etabs

Lưu dữ liệu nội lực cột dưới dạng một file Excel có tên “Data_beam.xls” Sau đó

sử dụng nút công cụ “beam Forces” để truy xuất và tự động lấy dữ liệu từ file

“Data_beam.xls” nhập vào bảng tính Code VBA được viết để hỗ trợ việc truy xuất đến đường link lưu file dữ liệu và nhập dữ liệu:

Hình 2 3 Một phần đoạn Code VBA áp dụng xây dựng bảng tính dầm

c Lọc các tổ hợp nội lực nguy hiểm

Mô hình hoàn chỉnh được hỗ trợ phân tích, tính toán nội lực bằng phần mềm thương mại Etabs, tuy nhiên phần mềm chương hỗ trợ thiết kế kết cấu thép dầm theo

13 TCVN 5574-2012 Do đó cần phải có cách lọc lấy nội lực nguy hiểm cho kết cấu từ các số liệu nội lực lấy ra từ phần mềm

Nội lực của nhiều phần tử dầm (D1, D2, D3…) ở nhiều tầng (Story1, Story2, Story3, Story4…) tại nhiều tiết diện và nhiều tổ hợp tải trọng Do đó cần xây dựng nút công cụ “Assign section” phải có chức năng thiết kế tiết diện dầm và lấy nội lực nguy hiểm nhất của các tổ hợp nguy hiểm ở 3 tiết diện đầu- vùng giữa- cuối của dầm:

Hình 2 4 Lọc lấy các tổ hợp nội lực ở tiết diện 2 gối và giữa nhịp dầm

Chọn tiết diện dầm:

Hình 2 5 Giao diện lựa chọn tiết diện thiết kế của dầm

Bảng tính cũng tự động xác định số lượng phần tử dầm cần thiết kế, khi sử dụng bảng tính cần lưu ý quá trình chọn thép hợp lý đảm bảo sự phối hợp thép của những phần tử dầmcủa cùng một trục (cùng phương ngang)

Hình 2 6 Giao diện thiết kế cốt thép dầm

Code VBA được sử dụng nhằm tạo ra quá trình xác định chính xác số lượng, tên phần tử cột cần thiết kế; đồng thời giúp quá trình nhập các nội lực nguy hiểm cho các phần tử, giúp quá trình thiết kế nhanh chóng Code VBA như sau:

15

Hình 2 7 Một phần đoạn Code VBA áp dụng xây dựng bảng tính cột

2.2 Module thiết kế kết cấu cột

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

16 Điều kiện để áp dụng phương pháp này là: 0,5  2

y

x

C

C

; cốt thép được đặt theo chu

vi, phân bố đều hoặc mật độ cốt thép trên cạnh Cx có thể lớn hơn

Tiết diện chịu lực nén N, mômen uốn Mx, My, độ lệch tâm ngẫu nhiên eax, eay Sau

khi xét uốn dọc theo 2 phương, tính được hệ số x, y Mômen đã gia tăng Mx1; My1

Mx1 = x.Mx; My1 = y.My Tuỳ theo tương quan giữa giá trị Mx1, My1 với các kích thước các cạnh mà đưa về

một trong hai mô hình tính toán (theo phương x hoặc y) Điều kiện và kí hiệu theo

bảng sau:

Bảng 2 1 Bảng xét uốn dọc theo 2 phương

Theo phương X Theo phương Y

Điều kiện

y y x

x

C

M C

x x y

y

C

M C

Rsc, R như đối với trường hợp nén lệch tâm phẳng

Tiến hành tính toán theo trường hợp đặt cốt thép đối xứng:

x1 =

b R

.6,01

M  1 0. 2. (2.6)

Độ lệch tâm

N M

e1  Với kết cấu siêu tĩnh e0 = max(e1,ea)

Diện tích toàn bộ cốt thép Ast:

b sc

b e e

R R

bh R N A

18

Z R k

x h bx R e N A

SC

b

.

) 2 (

h x e N A

S

)5

,0

 cho theo bảng sau (theo TCVN 5574-2012):

Bảng 2 2 Bảng hàm lượng cốt thép nhỏ nhất ứng với độ mảnh của cột

max: khi cần hạn chế việc sử dụng quá nhiều thép người ta lấy max=3%

Để đảm bảo sự làm việc chung giữa thép và bêtông thường lấy max=6%

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 nhằm thực hiện quá trình nhập

dữ liệu, lọc và xử lý số liệu nội lực, thiết kế cốt thép

Mỗi phần tử được tính toán tại hai mặt cắt đầu cột và chân cột Do sự làm việc

không gian của cột nên ta cần xác định các cặp nội lực sau để tính thép:

tu x

N M

Mmax ; ;

Bước 1: Nút công cụ “Column Forces”

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

Bước 2: Nút công cụ “Combination column”

- Nút công cụ được xây dựng có chức năng xử lý rất nhiều nội lực của các tiết diện của từng cấu kiện để xác định các nội lực nguy hiểm nhất cho mỗi cấu kiện cho từng phần tử

- 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 cột

Bước 3: Nút công cụ “Design column”

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

- 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 cột

- Tiến hành lựa chọn tiết diện và tính toán cốt thép cho cột

Bước 4: Remove results (xóa kết quả)

- Tự động xóa các kết quả tổ hợp nội lực, tiết diện, cốt thép đã tính toán ở bước 2,3

để tiến hành làm lại

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 Nhập tự động dữ liệu từ Etabs

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

Display -> Show table -> Frame Output -> column Forces -> column Forces

-> xuất hiện cửa sổ “choose Tables for Display”

20

Hình 2 9 Cửa sổ xuất nội lực cột từ Etabs

Lưu dữ liệu nội lực cột dưới dạng một file Excel có tên “Data_column.xls” Sau

đó sử dụng nút công cụ “Column Forces” để truy xuất và tự động lấy dữ liệu từ file

“Data_column.xls” nhập vào bảng tính Code VBA được viết để hỗ trợ việc truy xuất đến đường link lưu file dữ liệu và nhập dữ liệu:

Hình 2 10 Đoạn code VBA hỗ trợ tự dộng nhập nội lực cột vào bảng tính

c Lọc các tổ hợp nội lực nguy hiểm

21

Mô hình hoàn chỉnh được hỗ trợ phân tích, tính toán nội lực bằng phần mềm thương mại Etabs Sau đó lọc lấy nội lực nguy hiểm cho kết cấu từ các số liệu nội lực lấy ra từ phần mềm

Nội lực của nhiều phần tử cột (C1, C2, C3…) ở nhiều tầng (Story1, Story2, Story3, Story4…) tại nhiều tiết diện và nhiều tổ hợp tải trọng Do đó cần xây dựng nút công cụ

“Combination column” có chức năng lấy nội lực nguy hiểm nhất của các tổ hợp nguy hiểm ở 2 tiết diện đầu – cuối của cột:

Hình 2 11 Lấy các tổ hợp nội lực nguy hiểm ở tiết diện đầu- cuối của cột

* 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 hạn: 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:

N M

tu

* Cách lọc lấy y tu

tu x

N M

Mmax ; ; (giả sử có tối đa 13 tổ hợp tải trọng tùy theo yêu cầu của công trình):

Sơ bộ code VBA cho quá trình lọc lấy nội lực nguy hiểm như sau:

Hình 2 12 Code VBA hỗ trợ lọc các tổ hợp nội lực ở tiết diện đầu- cuối của cột

d Thiết kế cốt thép 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

24 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

Bảng tính cũng tự động xác định số lượng phần từ cột cần thiết kế, khi sử dụng bảng tính cần lưu ý quá trình chọn thép hợp lý đảm bảo sự phối hợp thép của những phần tử cột của cùng một trục (cùng một trục theo phương đứng)

Hình 2 13 Giao diện bảng tính thiết kế cột

Code VBA được sử dụng nhằm tạo ra quá trình xác định chính xác số lượng, tên phần tử cột cần thiết kế; đồng thời giúp quá trình nhập các nội lực nguy hiểm cho các phần tử, giúp quá trình thiết kế nhanh chóng

Hình 2 14 Một phần Code VBA hỗ trợ thiết kế cốt thép cột

25

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

Những năm gần đây, nhà nhiều tầng đang phát triển với một số lượng lớn ở Việt Nam Trong các dạng hệ kết cấu, vách phẳng là một trong những kết cấu chịu lực quan trọng.Vách có ưu điểm của nó là tính liền khối tốt, biến dạng ngang nhỏ do

có độ cứng lớn Trong quá trình làm việc chung của toàn bộ công trình, vách cứng có vai trò chịu phần lớn tải trọng ngang và một phần tải trọng đứng

Hiện nay có 3 phương pháp tính toán cốt thép cho vách cứng trong thiết kế nhà cao tầng:

- Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi

- Phương pháp giả thiết vùng biên chịu mômen

- Phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác

Trong nội dung đề tài, học viên 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

Hình 2 15 Các thành phần nội lực vách

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

26 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

Các giả thiết cơ bản:

- Ứng lực kéo do cốt thép chịu

- Ứng lực nén do cả bê tông và cốt thép chịu

b2 Các bước tính toán thép dọc trong vách

Tính toán vách theo phương pháp vùng biên chịu mômen theo các bước sau:

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 tường

Mx N

Ab: diện tích của vùng biên A: diện tích mặt cắt của vách

27 Mx,N là nội lực của vách

Bt ,Bp : chiều dài vùng biên trái và phải

L :chiều dài của vách

Bước 3:Tính diện tích cốt thép chịu kéo, nén

0,85

C b C

sc

y C

P

f A A

  là hệ số giảm độ bền khi chịu uốn [12]

- Hàm lượng cốt thép chịu kéo lớn nhất là 0,06; hàm lượng cốt thép chịu nén

lớn nhất là 0,03

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

Diện tích thép cấu tạo trong vùng nénA sct 0, 03.A b

Diện tích thép cấu tạo trong vùng kéoA st  0, 06.A b (A blà diện tích của vùng

khảo sát)

b3 Các bước tính toán chịu cắt của vách

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

28

* 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 V c và khả năng

chịu cắt của cốt thépV s Khả năng chịu cắt của bê tông được xác định:

u u

d  l (lw: chiều dài của vách)

- Tính toán chịu cắt phải thỏa mãn điều kiện:

u c s n

Với  0, 75

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

So sánh lực cắt V u (nội lực nguy hiểm của vách) với khả năng chịu cắt của bê tông

c

V ở công thức trên: