Tính toán và thiết kế kết cấu dầm chuyển bê tông cốt thép

Luận văn, khóa luận, thạc sĩ, đề tài, báo cáo, chuyên đề

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, với sự mở cửa của nền kinh tế đất nước, ngành xây dựng ở Việt Nam hiện nay đang phát triển rất mạnh và đa dạng Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, tốc độ đô thị hóa ngày phải càng cao để đáp ứng được việc tăng dân số, mọi người đều đổ dồn về các đô thị, các thành phố lớn để sinh sống, học tập và làm việc nên các công trình nhiều tầng được xây dựng nhiều tại các thành phố lớn

Từ những nhu cầu thực tế đó, đòi hỏi các kỹ sư xây dựng phải nghiên cứu thiết kế các công trình có không gian lớn ở các tầng bên dưới để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt công cộng như: siêu thị, bãi để xe, văn phòng đại diện.Còn các tầng bên trên, các phòng có không gian nhỏ hơn phù hợp với nhu cầu về phòng ở khách sạn hay căn hộ gia đình

Một trong những giải pháp kết cấu có thể đáp ứng được yêu cầu thiết kế để tạo được không gian lớn ở các tầng bên dưới và không gian nhỏ hơn ở các tầng trên

đó là kết cấu “Dầm chuyển” để đỡ các vách cứng hay các cột trong nhà nhiều tầng

1.2 LÝ DO NGHIÊN CỨU

Theo xu hướng ngày nay, nhà nhiều tầng là những công trình phức hợp đáp ứng nhiều công năng như thương mại và dịch vụ ở các tầng bên dưới, văn phòng làm việc và các căn hộ ở các tầng bên trên Để có được không gian kiến trúc như trên, yêu cầu này đòi hỏi các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ hơn

ở bên trên, giải pháp đưa ra đòi hỏi phải có một kết cấu chuyển đổi giữa các tầng,

chính vì lý do đó chùng tôi chọn đề tài “Tính toán và thiết kế kết cấu dầm chuyển

bê tông cốt thép“

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Do hiện nay ở nước ta chưa có tiêu chuẩn hay các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính thức nào về tính toán và thiết kế dầm chuyển (dầm cao) BTCT trong các công

trình cao tầng dân dụng, việc thiết kế thường được tính toán với hệ số an toàn tổng thể lớn hoặc theo các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành của nước ngoài Vì vậy đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu và làm rõ khả năng chịu lực của dầm chuyển (dầm cao) khi chịu tải trọng lớn (khi sử dụng dầm chuyển để gánh đỡ các cột, vách và các cột, vách này đỡ nhiều tầng ở phía bên trên dầm chuyển) từ đó kiến nghị phương pháp tính toán và thiết kế cho loại dầm này

1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Làm rõ khi nào phải sử dụng dầm chuyển trong kết cấu BTCT của các tòa nhà cao tầng dân dụng

Làm rõ khả năng chịu lực của dầm chuyển (moment uốn, lực cắt) từ đó nêu

ra phương pháp thiết kế và tính toán cho dầm

Làm rõ vấn đề bố trí cốt thép chịu moment uốn và chịu cắt cho dầm chuyển

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết (giải tích kết hợp với mô hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn ) gồm các hướng sau:

 Mô hình kết cấu để tìm nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Etabs 9.7, Sap 2000

 Tính toán kết cấu dầm chuyển BTCT theo tiêu chuẩn ACI 318 – 2002 của Hoa Kỳ

 Tính toán kết cấu dầm chuyển theo mô hình giàn ảo (Strut and tie Model)

Từ những phương pháp nêu trên, tìm hiểu nghiên cứu và sử dụng các kết quả thực nghiệm và mô hình phá hoại cũng như các phương pháp tính toán đã được công nhận và ứng dụng ở nước ngoài, từ đó kiến nghị chấp nhận áp dụng vào việc xây dựng ở Việt Nam

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2.1 Khái niệm và công năng của dầm chuyển

2.1.1 Khái niệm dầm chuyển:

Dầm chuyển BTCT là một loại dầm thường có độ cứng và tiết diện hình học tương đối lớn (tỷ lệ chiều dài trên chiều cao phải nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 đối với nhịp liên tục và 2 đối với nhịp đơn), có tác dụng thay đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu từ hệ dầm cột chịu lực sang hệ dầm vách chịu lực hoặc hệ dầm cột nhưng với số lượng cột phải trên dầm nhiều hơn số lượng cột phía dưới dầm

2.1.2 Công năng của dầm chuyển:

Công năng của dầm chuyển là gánh đỡ toàn bộ tải trọng kết cấu bên trên nó rồi phân bố xuống từng chân cột bên dưới Chính vì dầm chuyển phải nhận một lượng tải trọng rất lớn nên chúng thường có kích thước và độ cứng lớn hơn so với dầm truyền thống

Ngoài khả năng chống lại moment uốn trực tiếp do tải trọng lớn bên trên, dầm chuyển còn có khả năng chống cắt lớn hơn nhiều so với dầm truyền thống vì ảnh hưởng bởi tiết diện lớn của dầm

Trong kiến trúc nhà cao tầng dầm chuyển được lựa chọn nhiều vì khả năng vượt nhịp lớn và khả năng thay đổi kiến trúc một cách linh hoạt

2.1.3 Ưu điểm và khuyết điểm của dầm chuyển

2.1.3.1 Ưu điểm:

Giải việc được việc trốn cột, tạo không gian lớn cho tầng bên dưới, kết cấu dầm chuyển có khả năng vượt nhịp lớn, nhịp có thể lên đến 16-20m, giảm kích thước cấu kiện của các tầng trên kết cấu dầm chuyển

2.1.3.2 Khuyết điểm:

Tải trọng tập trung bên trên dầm chuyển khá lớn, khi xảy ra động đất kết cấu

dầm chuyển rất dễ phá hoại

Tính toán thi công dầm chuyển tương đối phức tạp, khó khăn trong lắp dựng giàn giáo cũng như đổ bê tông toàn khối cấu kiện lớn

Trọng lượng bản thân công trình phân bố không đồng đều, tập trung khối lượng lớn ở tầng có dầm chuyển làm cho công trình rất dễ mất ổn định khi có ngoại lực tác dụng vào công trình (động đất, gió bão) và các kết cấu bên dưới của dầm chuyển dễ mất ổn định

2.1.4 Các loại dầm chuyển BTCT:

Trong xây dựng thông thường có 2 loại dầm chuyển dưới dạng BTCT: Dầm thường và dầm ứng lực trước Dầm chuyển BTCT thường là dầm chuyển được chế tạo bằng BTCT truyền thống Dầm chuyển ứng lực trước là dầm chuyển được chế tạo bằng BTCT kết hợp với cốt thép cường độ cao được kéo căng tạo ứng suất nén trong bê tông.Trong đó có thể chỉ dùng cốt thép cường độ cao để tạo ứng suất trước cho bê tông hoặc kết hợp cả với cốt thép thường

2.1.5 Một số công trình sử dụng dầm chuyển:

Hình 2.1: Dầm chuyển của toà nhà ideo MORPH 38 Bangkok – Thái Lan

Hình 2.2: Công nhân đang lắp đặt cốt thép dầm chuyển – Toà nhà The

Issara Ladprao – Bangkok – Thái Lan

Công trình toà nhà Donphin Plaza gồm 4 toà tháp cao 28 tầng Dầm chuyển ứng lực trước có chiều cao 3m vượt nhịp lớn nhất là 28,4m đặt ở sàn tầng 4 (cao độ +32.125m) Hình 2.3 đến 2.5 công nhân đang hoàn thiện phần bê tông dầm chuyển

Hình 2.3: Thi công dầm chuyển toà nhà Donphin Plaza

Hình 2.4: Thi công dầm chuyển toà nhà Donphin Plaza

Hình 2.5: Thi công dầm chuyển toà nhà Donphin Plaza

2.2 Các phương pháp tính toán dầm chuyển

2.2.1 Tính toán kết cấu theo tiêu chuẩn ACI 318-2002

2.2.1.1 Phân tích khả năng chịu lực và sự làm việc của dầm chuyển

Đối với các dầm BTCT thông thường đều dựa trên lý thuyết đàn hồi và sử dụng các giả thiết vật liệu là đồng chất và đẳng hướng.Nhưng điều đó trở nên không hợp lý đối với kết cấu bê tông đặc biệt như dầm chuyển (dầm cao) sau khi xuất hiện các vết nứt, những kết quả thu được đã làm rõ sự khác biệt sự làm việc của dầm thông thường và dầm chuyển (dầm cao).Có thể thấy rằng sự phân bố ứng suất trên tiết diện và khả năng chịu lực của loại dầm này khác so với dầm thông thường

Tiêu chuẩn ACI-318 theo quy phạm Hoa Kỳ đã nêu rõ tác động của dầm chuyển (dầm cao) phải được xét đến trong trường hợp l/d < 2,5 đối với các nhịp liên tục hoặc 2 đối với các nhịp đơn do có sự phụ thuộc và tác động lẫn nhau của ứng suất pháp theo phương dọc dầm và theo phương thẳng đứng cũng như ảnh hưởng của ứng suất tiếp do lực cắt gây ra

Phân tích đàn hồi đã cho thấy những đặc điểm quan trọng sau đây của sự phân bố ứng suất trong dầm chuyển (dầm cao) :

Các giả thiết tiết diện phẳng cho dầm không thỏa mãn đối với dầm chuyển (dầm cao)

Có một vùng chịu ứng suất lớn tại vị trí gối tựa và đặc biệt là ở mặt gối tựa Biến dạng dọc do lực cắt gây ra trong dẩm chuyển (dầm cao) là lớn hơn nhiều so với biến dạng uốn, do đó đóng vai trò nhiều hơn so với tổng biến dạng

Dầm chuyển (dầm cao) thường có vết nứt xuất hiện khá sớm, thông thường khe nứt xuất hiện theo phương của ứng suất nén chính, tức là vuông góc với phương của ứng suất kéo.Trong nhiều trường hợp, khe nứt xuất hiện thẳng đứng hoặc nghiêng khi dầm bị phá hoại do lực cắt

Khả năng chịu lực của dầm chuyển (dầm cao) BTCT được xỏc định căn cứ vào cỏc dạng phỏ hoại của dầm gồm cú cỏc khả năng sau : Khả năng chịu uốn, khả năng chịu cắt, khả năng chịu lực của gối tựa

2.2.1.2 Lý thuyết tớnh toỏn

Dạng phỏ hoại thực tế trong dầm chuyển (dầm cao) BTCT ngoài việc phụ thuộc vào kớch thước dầm, tỉ số giữa chiều dài nhịp và chiều cao dầm, cỏch đặt lực tỏc dụng mà cũn phụ thuộc vào số lượng và cỏch bố trớ cốt thộp trong dầm.Cú 2 dạng phỏ hoại chớnh được xỏc định gồm : Phỏ hoại do uốn và phỏ hoại do lực cắt

 Phỏ hoại do uốn:

Phỏ hoại do uốn của dầm chuyển (dầm cao) BTCT là dạng phỏ hoại dẻo, sự phỏt triển cỏc vết nứt theo chiều dọc xuất phỏt từ bụng dầm và dần lờn phớa trờn, cựng với sự gia tăng tải trọng, sự phỏ hoại thụng thường xảy ra do cốt thộp bị kộo đứt hoặc bị chảy dẻo, rất hiếm trường hợp bờ tụng vựng nộn bị phỏ hoại

Tải trọng phân

bố đều

Vết nứt lớn gây

ra phá hoại Vết nứt nhỏ trong vùng chịu kéo do uốn

Hỡnh 2.6: Sự phỏ hoại do uốn

 Sự phõn bố ứng suất trờn tiết diện dầm

Quy phạm ACI-318 chỉ ra rằng dầm chuyển (dầm cao) BTCT làm việc hoàn toàn khỏc với dầm BTCT thụng thường.Trong giai đoạn đàn hồi ứng suất thộo

phương ngang trong bê tông tại các tiết diện phân bố theo quy luật phi tuyến khá phức tạp

h

l

Trôc trung hßax

Trôc trung hßa

Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm

thường

Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm

chuyển (dầm cao) Hình 2.7: Biểu đồ phân bố ứng suất

Hình 2.7 cho thấy sự phân bố ứng suất do uốn tại tiết diện giữa nhịp so sánh với sự phân bồ ứng suất tuyến tính, ta thấy trục trung hòa được hạ thấp xuống, ứng suất chịu kéo ở mép biên lớn hơn nhiều so với mép biên chịu nén

lh

Hình 2.8: Quỹ đạo ứng suất

Trong Hình 2.8 các đướng nét đứt là quỹ đạo ứng suất nén song song với hướng của ứng suất nén chính và các đường nét liền là quỹ đạo ứng suất kéo song song với các ứng suất kéo chính.Các vết nứt dự báo xuất hiện vuông góc với các

đường nột liền, tức là xuất hiện theo phương của ứng suất nộn chớnh.Trong một số trường hợp khe nứt cũng cú thể xuất hiện thẳng đứng hoặc nghiờng khi dầm bị phỏ hoại do cắt

Cũng từ hỡnh vẽ trờn nhận thấy rằng quỹ đạo ứng suất kộo và ứng suất nộn dày hơn tại vị trớ gối biờn của dầm, tức là phản ỏnh sự tập trung ứng suất nộn tại gối dầm

 Tớnh toỏn khả năng chịu uốn của dầm

Hình 2.9 : Sơ đồ tính toán khả năng chịu uốn cho dầm

Khả năng chịu lực của dầm chuyển (dầm cao) được xỏc định theo cụng thức sau:

A : Diện tớch cốt thộp chịu uốn

f : Cường độ chịu kộo của cốt thộp

A : hàm lượng cốt thép tối thiểu

jd : Cánh tay đòn moment nội lực được tính toán như sau :

H×nh 2.10 : Mặt cắt thể hiện cánh tay đòn moment (jd)

Đối với dầm chuyển nhịp đơn:

h: chiều cao của dầm

Thép dọc tính toán được bố trí ở phần dưới của dầm trong phạm vi từ chiều cao đáy dầm đến một khoảng bằng : y 0.25h 0.05l 0.2h

 Phá hoại do lực cắt:

Ứng suất cắt trong dầm chuyển (dầm cao) có ý nghĩa rất lớn đối với trạng thái ứng suất nên không được bỏ qua như trong dầm chịu uốn thuần túy.Biểu đồ ứng suất trong bê tông vùng chịu nén không còn như giả thiết vẫn hay sử dụng dụng nữa,ngay cả trong trạng thái đàn hồi.Khi đạt trạng thái giới hạn, biểu đồ ứng suất không còn theo dạng parabol như các dầm thông thường nữa

 Sự hình thành vết nứt

Đối với dầm chuyển (dầm cao) các gối tựa trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng phía trên thì sự phá hoại bắt đầu khi tải trọng tăng từ 0.6 tới 0.9 tải trọng cực hạn.Bắt đầu bằng một vết nứt xiên nằm trực tiếp dọc theo đường nối của điểm đặt lực với vị trí mặt gối tựa, vết nứt mở rộng ban đầu vào khoảng 1/3 chiều cao dầm

Khả năng chịu lực cắt được tăng lên và sự phát triển của các vết nứt sẽ phụ thuộc vào số lượng, cách bố trí và sự làm việc của các thanh cốt thép

DÇm bÞ ph¸ ho¹i bëi vÕt nøt trªn toµn bé chiÒu cao

Hình 2.11: Dạng phá hoại do cắt

Theo hình 2.11 vết nứt phát triển từ vị trí đặt lực (phía trên của dầm) đến gối tựa (phía dưới dầm ) sẽ tách dầm ra làm đôi, đây là sự phá hoại đặc trưng do lực cắt tác dụng lên dầm

Đối với độ bền chịu cắt của dầm chuyển, khả năng chịu cắt có thể lớn hơn 2 đến 3 lần so với khả năng chịu cắt xác định theo phương pháp tính toán như với dầm thông thường.Đối với dầm thông thường, cơ chế truyền lực cắt thông qua bê tông vùng nén, cốt thép dọc, mặt gồ gề của cốt liệu trong vết nứt chéo và lực kéo trong cốt thép chịu cắt.Tuy nhiên đối với dầm có chiều cao lớn, phần lớn tải trọng được truyền trực tiếp từ điểm đặt lực đến gối tựa

Cốt thép trong dầm có chiều cao tiết diện lớn có sự khác biệt so với dầm thông thường.Cốt thép chịu kéo A sbố trí theo yêu cầu chịu moment uốn nằm sát với mép chịu kéo (mép dưới dầm), vùng kéo của dầm và vùng đặt cốt thép chịu kéo có thể nằm trong khoảng 1/3 chiều cao phía dưới của dầm

Ứng suất chính trong dầm khi xảy ra vết nứt chéo hướng dốc đứng hơn45,

do đó cốt thép đai thẳng đứngA v đi qua đường nứt chéo không nhiều, ít có hiệu quả hơn so với cốt thép ngang A vh.Các thanh thép ngang không chỉ có tác dụng theo hướng vuông góc với vết nứt chéo mà còn truyền lực cắt tốt hơn lên mặt cốt liệu gồ

gề tại vết nứt chéo

 Tính toán khả năng chịu lực cắt

Dầm cao với tỷ số a d/ 2.5và l n /d 5thường có khả năng chịu lực cắt tốt hơn dầm thông thường,do đó khả năng chịu lực cắt V c của dầm cao cũng tăng lên.Các biểu thức tính toán thép chịu cắt theo tiêu chuẩn ACI-318 sẽ được trình bày như sau :

Khoảng cách x từ gối tựa tới mặt cắt bị phá hoại do lực cắt đối với dầm cao

tính theo công thức :

Đối với dầm chịu tải trọng phân bố đều : x0.15l

Đối với dầm chịu tải trọng tập trung : x0.5a

Trong đó:

n

l : là khoảng cách giữa các mép trong gối tựa

a : khoảng cách từ gối tựa tới lực tập trung

Trong các trường hợp trên x không được vượt quá chiều cao hữu hiệu d của

Nếu không thỏa mãn điều kiện trên thì phải mở rộng tiết diện.Hệ số giảm bền

 trong trường hợp này lấy bằng 0.75

Khả năng chịu cắt của bê tông V c được tính theo công thức sau :

p : Trọng lượng riêng của bê tông

Trong thiết kế,có thể dùng công thức đơn giản hơn để tính toán khả năng chịu lực của bê tông '

2.2.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo (Strut and tied)

2.2.2.1 Giới thiệu:

Trạng thái làm việc của các dầm trong giai đoạn giới hạn cực hạn phải được tính theo mô hình toán cơ, là mô hình tốt nhất đối với dầm bêtông cốt thép có bố trí cốt thép sườn dầm, gọi là mô hình “chống và giằng” (Strut and tie model) hay còn

gọi là mô hình giàn ảo

Thiết kế dầm Bê tông theo trạng thái ứng suất tới hạn bằng mô hình giàn ảo

là xét đến các điều kiện làm việc của hai vùng B và D trong kết cấu Phương pháp

mô hình giàn ảo sử dụng một số nguyên tắc của cơ học kết cấu hệ thanh, nguyên tắc này sẽ không ảnh hưởng gì hoặc tác động nào đến việc phân tích ảnh hưởng của mặt cắt bằng các hệ tĩnh học cổ truyền

Trong phương pháp này nội dung tính toán thiết kế dầm chuyển chủ yếu dựa trên tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-01 của Bộ Giao Thông Vận Tải Việt Nam

và các tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-2002 và AASHTOLRFD và một số báo cáo khoa học gần đây

2.2.2.2 Phân vùng ứng suất biến dạng của các cấu kiện bêtông cốt thép

Thông thường, trong quá trình tính toán thiết kế, các cấu kiện bê tông cốt thép được phân loại thành các dạng cơ bản như cột, thanh, dầm, bản … và hệ kết cấu khung, dàn, …theo các đặc điểm chịu lực và hình thức kết cấu của chúng

Đối với từng cấu kiện cụ thể thì trạng thái ứng suất, biến dạng của các tiết diện cũng thay đổi tùy theo vị trí và phương thức chịu tải Tùy theo tỷ lệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao, dầm bê tông cốt thép chịu uốn có thể phân chia thành các vùng ứng suất B và D như sau:

 Vùng B (Beam) là các vùng có trạng thái ứng suất tuân theo các giả thiết của dầm về tiết diện chịu uốn, chủ yếu phần giữa nhịp chịu tác dụng của moment uốn, lực cắt nhỏ hoặc bằng không Tại các vùng này vẫn có thể

tính toán thiết kế như với cấu kiện chịu uốn theo các tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê tông cốt thép hiện hành

 Vùng D (Discontinuity zone) là vùng có trạng thái ứng suất phức tạp, thường xuất hiện tại các vùng mối nối, thay đổi tiết diện đột ngột, có lỗ khoét, gấp khúc hoặc tại các liên kết gối tựa và điểm đặt lực tập trung tên cấu kiện Các vai cột, các mố đỡ và công xôn ngắn cũng thuộc các dạng kết cấu có vùng D

Hình 2.12: Các vùng B và D của dầm bê tông

Thông thường người ta giả thiết vùng D kéo dài khoảng một lần chiều cao cấu kiện về mỗi phía từ điểm đặc các tải trọng tập trung của các phản lực gối hoặc các vùng có mặt cắt hay hướng thay đổi đột ngột Theo kinh nghiệm thực tế, vùng D được xác định theo các kích thước hình học và điều kiện chịu lực như sau

Hình 2.13a: Các vùng không liên tục hình học Hình 2.13b: Các vùng không

liên tục về hình học

2.2.2.3 Mô hình giàn ảo (Strut and tie model)

Mô hình giàn ảo đã được nhiều tác giả nghiên cứu từ những năm 1920 Một trong những ưu điểm của mô hình này là thể hiện được những bộ phận chịu lực nén, kéo chủ yếu của kết cấu và người thiết kế có thể hình dung ra một cách cụ thể cơ cấu chịu lực của sơ đồ dùng trong tính toán Các bộ phận chịu nén được thể hiện bằng những thanh chống, khu vực chịu kéo được thay bằng các thanh giằng và các mối nối của thanh đó sẽ được xem là vùng nút của giàn ảo Hình 2.14 cho thấy các thanh chống và giằng được sử dụng để tạo nên một hệ giàn trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép có tỷ lệ chiều cao lớn Tải trọng tập trung tác dụng trên dầm sẽ gây ra các biến đổi trường ứng suất tại khu vực đặt lực và gối tựa và cũng tạo ra các vùng

D như đã nói trên Theo các quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép gần đây, các vùng D như trên sẽ được tính toán riêng biệt

Với các dầm dài, ít ảnh hưởng các vùng D không liên tục, có thể sử dụng mô hình giàn ảo cho các vùng B với các thanh kéo ngang theo phương cốt thép dọc và thanh đứng cho cốt đai, các thanh chống nằm ngang ở vùng bê tông chịu nén và các thanh chống chéo góc trong các ô giàn tạo ra bởi các thanh chịu kéo Phương của các góc nghiêng ứng suất nén chính trong thanh nén thay đổi từ 18o

đến 65o Trên

cơ sở các lực xác định được từ mô hình giàn, sẽ tiến hành kiểm tra ứng suất trong bê tông và cốt thép, đặc biệt là các vùng neo thép dọc chịu lực

Trên cơ sở các nghiên cứu về luồng ứng suất hay quỹ đạo ứng suất chính nén

và kéo trong các vùng D, người ta giả thiết hình thành các vùng chịu nén và chịu kéo với cơ cấu hình thành các cột chống và các thanh giằng Cơ cấu hoạt động của

hệ thanh này giống như hệ giàn phẳng hoặc giàn không gian hình thành bên trong các cấu kiện bê tông cốt thép

P Nót

Thanh d¹ng chai

M« h×nh thanh chèng th¼ng

Nót Vïng nót

Thanh gi»ng

Hình 2.14: Mô hình giàn ảo nhịp đơn giản trong dầm chuyển(dầm cao)

Để lựa chọn mô hình cho các vùng D, bước đầu tiên của việc tính toán là phác hoạ phương các quỹ đạo ứng suất chính trong cấu kiện bê tông cốt thép Điều này cần có kinh nghiệm trong quá trình lựa chọn mô hình cho một cấu kiện cụ thể Với một cấu kiện có thể có nhiều mô hình khác nhau được lựa chọn để tính toán và

sẽ cho các kết quả khác nhau Có thể dựa vào kết quả tính toán đàn hồi (phần tử hữu hạn Sap 2000) để đề xuất mô hình hợp lý nhưng cần chú ý rằng trường ứng suất sẽ thay đổi khi khe nứt xuất hiện trong bê tông cốt thép

2.2.2.4 Các bộ phận cơ bản cấu thành mô hình giàn ảo

 Các thanh chống chịu nén

Trong mô hình thanh chống và thanh giằng, các thanh chống tương ứng với trường ứng suất nén của bê tông theo hướng của thanh chống Các thanh chống được lý tưởng hoá có dạng như lăng trụ hoặc các cấu kiện thon đều nhưng thường thay đổi mặt cắt ngang dọc theo chiều dài của nó, vì bê tông ở đoạn giữa chiều dài thanh chống rộng hơn so với ở hai đầu Đôi khi là thành dạng hình chai hoặc các mô hình dạng cục bộ Việc trải rộng các lực nén làm tăng lực kéo ngang, có thể là nguyên nhân làm cho thanh chịu kéo bị nứt theo chiều dọc Nếu thanh chống không

có cốt thép ngang, nó có thể bị hư hỏng sau khi sự hình thành vết nứt này xảy ra Trong các mô hình giàn ảo, các thanh chống được thể hiện bằng các đường đứt nét dọc theo trục của các thanh chống

Hình 2.15: Các thanh chống chịu nén ảo

 Các thanh giằng chịu kéo

Bộ phận cấu thành chính thứ hai của mô hình giàn ảo là thanh chịu kéo Thanh chống này tương đương với một hoặc một vài cốt thép đặt cùng hướng được thiết kế với Asfy ≥ Tn trong đó Tn = Tu là lực do thanh kéo kháng lại

Các thanh giằng chịu kéo cĩ thể bị phá hỏng do khơng cĩ neo giằng ở đầu,

Sự neo giằng của các thanh chịu kéo trong các vùng nút là một phần quan trọng của việc tính tốn thiết kế vùng D sử dụng mơ hình giàn ảo Các thanh chịu kéo được thể hiện bằng các đường liền nét trong các mơ hình giàn ảo

 Các vùng nút

Các mối nối trong mơ hình thanh chống cịn được hiểu như là các vùng nút

Ba hoặc nhiều lực gặp nhau tại một nút Các lực gặp nhau tại một nút phải cân bằng

cĩ nghĩa là Fx=0, Fy = 0 và M = 0 đối với điểm nút Điều kiện thứ ba nghĩa là các đường tác dụng lực phải đi qua một điểm chung hoặc cĩ thể phân tích được thành các lực mà chúng tác dụng qua một điểm chung

Nút dạng C-C-C

Nút dạng C-C-T

Nút dạng T-T-T Nút dạng C-T-T

Hình 2.16: Mơ tả các loại nút trong mơ hình giàn ảo C là lực nút chịu nén

(compression) T là lực nút chịu kéo (tension)

Ba cách thơng thường của việc trình bày vùng nút được minh hoạ trong các hình 2.17 Các vùng chịu lực của nút được xác định theo các trục của các thanh chịu nén và chịu kéo Các khu vực này gọi là các nút ”thuỷ tĩnh”

Hình 2.17: Các vùng nút thuỷ tĩnh

Hình 2.18: Các vùng nút trong phần giao nhau của các cấu kiện

2.2.2.5 Các bước chung để thành lập mô hình giàn ảo

Mục đích chung của các bước này là xác định đầy đủ các điều kiện biên của những vùng được mô hình hoá Ta có thể làm như sau :

 Xác định kích thước hình học, tải trọng, điều kiện gối của toàn bộ kết cấu Chú ý rằng có thể giả thiết một vài tham số chưa biết như các kích thước thiết kế, các kích thước này sẽ được kiểm tra thêm sau này và nếu cần thiết sẽ được hiệu chỉnh sau

 Xác định phản lực gối bằng các sơ đồ tĩnh học lý tưởng (như khung, dầm liên tục) Với những kết cấu siêu tĩnh, giả thiết sự làm việc là đàn hồi tuyến tính Chú ý sự phân bố lại moment do nứt, biến dạng dẻo và từ biến

có thể được xét đến

 Chia kết cấu thành những vùng B và D

 Xác định nội ứng suất của những vùng B và xác định kích thước của những vùng B bằng mô hình giàn ảo hoặc những phương pháp thông thường mà quy trình thiết kế đã cho phép

 Xác định những lực tác dụng lên riêng vùng D để phục vụ cho việc xét đường truyền lực của chúng Ngoài tải trọng ra còn phải xét những ứng suất biên trong những mặt cắt phân chia các vùng D và B, chúng được lấy

từ kết quả thiết kế vùng B theo các giả định và mô hình của vùng B

 Kiểm tra những vùng D riêng lẻ theo sự cân bằng

2.2.2.6 Định hướng mô hình giàn ảo tối ưu

Hiểu biết về sự phân bố ứng suất là tối quan trọng đối với người thiết kế, cho phép chúng ta giảm đi một số lượng lớn các mô hình giàn ảo không tối ưu Ngoài ra

ta có thể dựa vào các yếu tố sau:

 Các tải trọng theo đường truyền với độ lớn nhỏ nhất và biến dạng ít nhất

 Vì các thanh giằng chịu kéo (cốt thép) có thể biến dạng lớn hơn các thanh chống chịu nén (bê tông), một mô hình có các thanh giằng với số lượng ít nhất và chiều dài ngắn nhất có thể là mô hình tối ưu nhất

 Schlaich và cộng sự đề xuất biểu thức đơn giản sau để thực hiện nhận xét thứ hai ở trên

i i mi i

i i i

T l Minimum



 Với Ti là lực giằng i, li là chiều dài phần tử i

 Sử dụng biểu thức này sẽ giúp ta tìm ra mô hình giàn ảo tối ưu

Hình 2.19: sơ đồ giàn ảo tối ưu cho dầm chuyển nhịp đơn

2.2.2.7 Các mô hình giàn ảo cho dầm chuyển

 Các mô hình giàn ảo đối với dầm chuyển (dầm cao) nhịp đơn:

Hinh 2.20: Mô hình giàn ảo cho dầm chuyển (dầm cao) nhịp đơn

 Các mô hình giàn ảo đối với dầm chuyển (dầm cao) nhịp liên tục:

Hinh 2.21: Mô hình giàn ảo cho dầm chuyển (dầm cao) nhịp liên tục

2.2.2.8 Các yêu cầu tính toán mô hình giàn ảo theo ACI 318-02

Để có thể tính toán thiết kế vùng D, cần thực hiện các bước sau:

 Tách riêng vùng D từ cấu kiện đang xét

 Tính ứng suất tác dụng trên biên của vùng D và thay bằng các lực tác dụng trên mỗi biên riêng biệt

 Lựa chọn các mô hình giàn ảo để “truyền” các lực qua môi trường vùng

D

Bước 2 và 3 rất khó thực hiện với các kết cấu phức tạp để có thể đạt được mô hình hiệu quả và phản ảnh đúng đắn sự làm việc của vùng D Các nút chỉ bao gồm 3 lực tác dụng, vì thế mô hình sẽ không cho kết quả duy nhất đối với các lựa chọn khác nhau

Góc nghiêng của các thanh trong mô hình không được chọn nhỏ hơn 25o để tránh không tương thích với thanh kéo quá dài và thanh chống quá ngắn (hình2.22).Thường các mô hình dùng trong tính toán đã được đơn giản hoá, đảm bảo sự cân bằng mô hình

D F

o o

chol h chol h





Hình 2.22: Góc nghiêng của các thanh chống

 Các bước tính toán theo yêu cầu tiêu chuẩn ACI 318-02 ;

 Điều kiện chịu lực tại nút:

Fu : là lực tác dụng tại thanh chống, giằng hoặc nút (đơn vị lực: lb)

 : là hệ số giảm độ bền có giá trị bằng 0,75 (tương tự như trường hợp lực cắt)

 Khả năng chịu lực của thanh chống:

Ac : là diện tích mặt cắt ngang hiệu quả tại đầu mút của thanh chống, tính theo phương vuông góc với trục thanh (đơn vị in2

)

fcu : là cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong vùng thanh chống hoặc vùng nút, fcu được tính toán theo biểu thức sau:

'0,85

cu s c

Trong đó:

βs : lấy giá trị bằng 1,0 với thanh chống có tiết diện bằng nhau

βs : lấy giá trị bằng 0,75 với thanh chống có cốt thép chịu kéo cắt ngang

βs : lấy giá trị bằng 0,40 với thanh chống trong cấu kiện chịu kéo và cánh bản chịu kéo

βs : lấy giá trị bằng 0,60 trong các trường hợp khác

Ast : là diện tích cốt thép trong thanh giằng chịu kéo

Aps : là diện tích thép ứng suất trước trong thanh

fpe : là ứng suất hiệu quả trong thép căng ứng suất trước (sau tổn hao căng thép)

∆fps : là số gia của ứng suất căng thép tính theo tải trọng tiêu chuẩn

(fpe + ∆fps ) : không được vượt quá fpy (fpy là cường độ của thép căng ứng suất trước)

Khi không có thép căng ứng suất trước thì Aps=0, phương trình sẽ trở thành :

t m nt cu

Trong đó:

ht,max là chiều cao hiệu quả của vùng bê tông neo các thanh chịu kéo

Nếu các thanh chịu kéo nằm cùng một lớp thì chiều cao ht,max có thể lấy bằng đường kính các thanh thép cộng lại với 2 lần lớp bảo vệ cốt thép Các thanh thép phải được neo theo đúng yêu cầu bằng các loại neo dùng cho thép ứng suất trước căng sau

 Khả năng chịu lực của vùng nút:

nn cu n

Trong đó:

Fnn : là khả năng chịu lực một mặt của vùng nút

An : là diện tích một mặt hoặc tiết diện của vùng nút

 Bề rộng của vùng chịu lực (bề rộng của nút):

w u s cu

Fu : là lực tác dụng tại thanh chống, giằng hoặc nút

fcu : là cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong vùng thanh chống hoặc vùng nút

b : là bề dày cấu kiện ( bề rộng dầm chuyển)

ϕ = 0.75 : đối với các nút giàn mà tại đó các mối nối neo bằng nhiều thanh giằng chịu kéo

 Giới hạn cường độ chịu nén của bê tông trong vùng nút:

Khi tính toán các bề mặt nút, ngoại trừ các trường hợp cốt thép được bố trí trong vùng nút và có các thí nghiệm, phân tích ảnh hưởng đến cường độ của bê tông trong vùng nút, cường độ của bê tông được xác định theo điều kiện giới hạn sau đây:

βn : lấy giá trị bằng 0,8 với vùng nút có neo một thanh giằng

βn : lấy giá trị bằng 0,6 với vùng nút có neo 2 thanh giằng trở lên

 Chiều rộng thanh chống xiên trong vùng D:

ws  w ost c   lbsin 

Trong đó:

wt : chiều cao vùng chiều nén của bê tông

lb : chiều rộng chịu ép của bê tông

Φ : góc nghiêng của thanh chống xiên với thanh mạ chịu kéo

Hình 2.23: Bề rộng thanh chống tại vùng nút thuỷ tĩnh C-C-T

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ TỪ MÔ HÌNH CÔNG TRÌNH

CAO ỐC – CĂN HỘ CAO CẤP BMC – HƯNG LONG 3.1 Công trình thực tế sử dụng tính toán:

Công trình thực tế được sử dụng tính toán trong đề tài là: Cao ốc căn hộ - Biệt thự cao cấp BMC – Hưng Long Vị trí : số 60/7 – Huỳnh Tấn Phát - phường Phú Nhuận – Quận 7 – Thành Phố HỒ CHÍ MINH

Hình 3.1: Phối cảnh Cao Ốc BMC – Hưng Long

Nằm ở trung tâm khu đô thị Nam Sài Gòn, trong dự án quy hoạch xây dựng chung cư và biệt thự vườn của TP HCM, cao ốc BMC Hưng Long tọa lạc trên diện

Kết cấu công trình có sử dụng sàn không dầm và dầm chuyển Dầm chuyển nằm vị trí tầng 4 với cao độ +13.900m, với tiết diện 1.2m x 2.8m đỡ hệ vách cứng không liên tục

3.2 Tính toán nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn :

3.2.1 Mô hình kết cấu bằng Etabs 9.7

Vì giới hạn trong phần nghiên cứu nên ta chỉ mô hình và tính toán trên 3 cao

ốc 25 tầng

Hình 3.2:Mô hình tòa nhà bằng phần mềm Etabs

Hình 3.3: Hệ dầm chuyển đỡ vách cứng không liên tục 3.2.2 Nội lực tính toán:

 Moment dầm chuyển trục B cao độ +13.900m

Hình 3.4: Nội lực của dầm chuyển-Moment

 Lực cắt dầm chuyển trục B cao độ +13.900m

Hình 3.5: Nội lực của dầm chuyển-Lực cắt

3.3 Tính toán dầm chuyển dựa trên tiêu chuẩn ACI-318-02 :

 Số liệu ban đầu:

Dầm chuyển tiết diện 1.2m x 2.8m Nội lực lấy từ Etabs: Lực cắt 1531.87(T), moment dương 1608.70 (T.m), moment âm 1917.62 (T.m) Bê tông f’c = 4000psi (f’c = 28MPa )và cốt thép fy = 60000psi (fy = 420Mpa) Ta có mô hình dầm tính toán như sau: