Thiết kế tối ưu dầm bê tông cốt thép thường,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Thiết Kế Tối Ưu Dầm Bê Tông Cốt Thép Thường Reinforced Concrete Beam Design Optimal Thực hiện: Nguyễn Minh Hiếu - Bùi Quang Bắc Trường Đại học Giao thơng Vận tải – Cơ sở II e-Mail: nguyenminhhieu.1211@gmail.com Tóm tắt Hiện ngành giao thông vận tải nước ta phát triển mạnh mẻ, số lượng công trình cầu bê tơng cốt thép ngày tăng lên đáng kể, có cơng việc chế tạo dầm bê tông cốt thép tăng theo Việc chế tạo phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật ,kinh tế tiến hành cách nhanh chóng.Nhằm mục đích trên,nhóm hướng đến giải pháp thiết kế dầm bê tông cốt thép thường tối ưu mặt giá thành mà đủ khả chịu lực.Nhóm sâu vào thiết kế dầm tối ưu chiều cao dầm Q trình tính tốn thực máy tính, góp phần đẩy nhanh trình thiết kế người kỹ sư Abstract Nowaydays, the transportation of Vietnam is growing rapidly, the number of reinforced concrete bridges is considerably increasing, resulting ih the number of reinforced concrete beams manufactured The construction of such a well must meet the technical requirements, economic and proceed quickly To this purposes, the group aims to design solutions reinforced concrete beam normal optimal the cost but still sufficient bearing capacity The team going into the optimal design of beam height of the beam, the calculation is done on the computer, helping to facilitate the design process of the engineer Ký hiệu Ký hiệu γc Đơn vị KN/m3 S1; S2 mm2  D;  R; 1 LLM;LLQ Ý nghĩa trọng lượng riêng bê tơng Diện tích phần vát cánh sườn hệ số liên quan đến tính dẻo, dư… Hoạt tải (tra bảng lấy Max(LLtruck, LLtamdem) Chữ viết tắt VBA Visual Basic TTGHCĐ Trạng thái giới hạn cường độ TTGHSD Trạng thái giới hạn sử dụng SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu Phần mở đầu Để thiết kế tối ưu dầm bê tông cốt thép thường có nhiều phương pháp Ví dụ tối ưu về: khả chịu lực, chiều rộng dầm, chiều cao dầm….Nhóm sâu vào nghiên cứu thiết kế dầm bê tông cốt thép tối ưu mặt chiều cao lập chương trình cho máy tính tự động tính tốn cho kết Từ chọn phương án phù hợp để thiết kế thi cơng Nội dung TỔNG QUAN VỀ DẦM 1.1 Khái niệm dầm chữ T Dầm chữ T loại dầm có hình dạng mặt cắt có dạng chữ T Hình dạng mặt cắt ngang Hình 1: Mặt cắt ngang dầm 1.2 Giải thích kích thước Chiều dài nhịp (L) Chiều cao dầm (h): chọn thay đổi tăng dần từ 0.07L đến 0.1L mổi lần tăng thêm 5mm Bề rộng sườn dầm (bw) Bề dày cánh (hf) Bề rộng chế tạo cánh (bf) Bề rộng bầu dầm (b1) Chiều cao bầu dầm (h1) Bề rộng phần vát dầm, phần vát cánh LỰA CHỌN VÀ TÍNH TỐN TỐI ƯU DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP 2.1 Lựa chọn kích thước mặt cắt tối ưu: Chiều cao dầm thay đổi từ 0.07L đến 0.1L mổi lần tăng lên 5mm tính tốn với trường hợp để tìm trường hợp cho giá thành rẻ Các kích thước cịn lại cố định bảng sau: BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Q trình tính tốn phải trình bày bảng tính 2.2.5 Tính tốn bố trí cốt thép mặt cắt dầm Giả sử chiều cao có hiệu ds Chiều cao có hiệu phụ thuộc vào lượng cốt thép dọc chủ cách bố trí chúng, ta sơ lấy sau: ds = (0.8 – 0.9)h; Giả sử TTH qua cánh, tính tiết diện chữ nhật có kích thước b x h; Kích thước Chiều dài (mm) bf 1800 bw 200 hf 180 b1 310 h1 240 Vát bầu 55 Vát cánh 100 Bảng 1: Các kích thước cố định 2.2 Nội dung tính tốn thiết kế 2.2.1 Lựa chọn mặt cắt dầm Như phần riêng h thử dần với trường hợp, sau kết hợp tính tốn giá thành với trường hợp chọn phương án rẻ tiền (chỉ tính cho bê tông cốt thép chủ) 2.2.2 Trọng lượng thân dầm WDC WDC = A*γc (KN/m) 2.2.3 Xác định mặt cắt ngang tính tốn Tính tốn quy đổi mặt quy đổi thực tính tốn Tính A = ∗ ∗ ∗ Nếu A≤Agh , tính tra bảng tìm α; ∗ Tính c = so sánh với hf Nếu c ≤ hf, giả sử TTH qua cánh Ngược lại, TTH qua sườn (trường hợp gặp, nên khơng nêu chi tiết); Tính As = Tính   AS ∗ bw * ds ∗ ∗ ∗ ; so sánh với   0.03* f c' fy Nếu  ≥  As hợp lý Ngược lại As Hình 2: Mặt cắt ngang trước sau quy đổi hfqd = hf + h1qd 2S1 b f  bw 2S2 b  bw = h1 + 2.2.4 Tính nội lực theo phương pháp đường ảnh hưởng Chia dầm thành 10 đoạn nhau, tính vẽ đường ảnh hưởng, sau dùng cơng thức tính nội lực trường hợp TTGHCĐ TTGHSD sau: Hình 3: Đường ảnh hưởng nội lực tương ứng     M i  Qi  M i 1.0 Qi 1.0  1.25 wdc 1.5 wdw   mg M 1.75 LLL 1.75k  LLM  1 IM   1.25 wdc 1.5 wdw   wQ  mgQ 1.75 LLL 1.75k  LLQ  1 IM wdc  wdw   mg M  LLL  LLM  k  1 IM   wdc  wdw   wQ  mgQ LLL  LLQ  k  1 IM          wM  wM q ít, ta chọn lại mặt cắt lấy As = Amin; Nếu A ≥ Agh, ta phải chọn lại mặt cắt cách tăng kích thước tính lại từ đầu; Sau tính As ta chọn thép loại có ∅16,19,22 ; xác định trượng hợp bố trí thanh, 10 thanh, 12 thanh, 14 thanh, 16 18 Xem trường hợp trường hợp phù hợp với yêu cầu đề tài ta chọn Chú ý q trình tính tốn có giá trị phải tra bảng trình bày phần nhụ lục 2.2.6 Tính tốn chống cắt Bước 1: Xác định chiều cao chịu cắt hữu hiệu dv: cự ly đo thẳng góc với trục trung hợp lực kéo hợp lực nén uốn (túc cánh tay địn nội ngẫu lực) ví dụ trường hợp tính theo tiết diện chữ nhật cốt thép đơn thì: dv = d - Ngồi dv phải thỏa mãn điều kiện sau: dv ≥ max(0.9ds;0.72h); Xác định Vu, Mu mặt cắt cách gối đoạn dv (nhằm thiên an tồn 22TCN272-05 cho phép sử dụng Vu, Mu biểu đồ bao đề tính tốn )  w1Q Bước 2: Xác định ứng suất cắt danh định  w1Q SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN v= ∅∗ ∗ ; Xác định tỉ số Nếu > 0.25 ta phải chọn  Kiểm tra xem mặt cắt có nứt hay khơng Mặt cắt bị nứt khi: lại mặt cắt, cách tăng chiều rộng sườn dầm Bước 3: Giả định ứng góc nghiêng ứng suất nén tính biến dạng dọc cốt thép chịu kéo uốn theo cơng thức  Tính tốn kiểm sốt nứt Cơng thức kiểm tra: ‘: Xác định giới hạn ứng suất cốt thép chịu kéo trạng thái giới hạn sử dụng fsa Dùng giá trị xác định theo hình (hoặc bảng tra) so sánh với giá trị giả định Nếu có sai số lớn ta phải tính lại theo trị số vừa tính Q trình lặp lại hội tụ dừng lại Xác định hệ số biểu thị khả truyền lực kéo bê tơng, Bước 4: Tính sức kháng cắt cần thiết cốt thép đai Vs = sường dầm: – Vc , với sức kháng cắt danh định bê tông, xác định sau: Vc = 0.083*β* ∗ ∗ Xác định vị trí TTH từ phương trình: Trong : n = tỷ số mơ đun đàn hồi cốt thép bê tơng, làm trịn đến số nguyên phải lấy n ≥ 6; xác định mơ men qn tính tiết diện nứt đối trục trung hịa: Bước 5: Tính khoảng cách cần thiết cốt thép đai sườn dầm: s≤ ∗ ∗ ∗ ; Bước 6: Kiểm tra lượng cốt thép đai tối thiểu sườn dầm: Kiểm tra khoảng cách tối đa cốt thép đai sườn dầm: Nếu Vu < 0.1 *fc’*bv*dv S ≤ 0.8*dv ≤ 600mm; Nếu Vu ≥ 0.1 *fc’*bv*dv S ≤ 0.4*dv ≤ 300mm; Bước 7: Kiểm tra điều kiện đảm bảo cho cốt thép dọc không bị chảy tác dụng tổ hợp mô men lực dọc lực cắt: Xác định ứng suất cốt thép chịu kéo trạng thái sử dụng: 2.2.8 Tính tốn kiểm sốt độ võng hoạt tải Công thức kiểm tra: nứt Mơ men qn tính hữu hiệu tính công thức sau: Độ võng dầm giản đơn tải trọng thiết kế mặt cắt nhịp tính sau: Nếu bất đẳng thức khơng thỏa mãn , ta phải tăng cốt thép dọc tăng cốt thép đai 2.2.7 Tính tốn kiểm soát nứt SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Độ võng lớn dầm giản đơn xe tải thiết kế mặt cắt nhịp lấy gần ứng với trường hợp xếp xe cho mô men uốn mặt cắt dầm lướn đó, ta sử dụng hoạt tải tương đương xe tải thiết kế để tính tốn sau: Wlane = mgD*m*(1+IM)*LLMmaxtruck = tải trọng rải tương đương xe tải thiết kế nhân hệ số mặt cắt dầm; Độ võng hoạt tải gây mặt cắt nhịp là: Chú ý: cho phép xác định độ võng phương pháp khác xác chứng minh 2.2.9 Tính tốn giá thành Thể tích bê tơng Vct (m3) = As(mm2)*10-6 *L(m) Vbt = A(m2)*L(m) - Vct (m3) Trong : As diện tích cốt thép thực tế chọn bố trí được.(mm2) L chiều dài nhịp (m) Vct thể tích cốt thép (m3) A diện tích mặt cắt ngang dầm SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu Vbt thể tích bê tông Khối lượng cốt thép (Mct): Dựa vào khối lượng đơn vị ta có được: (trong tốn sử dụng loại thép 16,19, 22) Mct = khối lượng đơn vị (kg/m)*số lượng thanh*L (mét) Chú ý: khối lượng đơn vị phải chọn tương ứng với số hiệu thép (ví dụ thép 16 1.552kg/m, thép 19 2.235kg/m, thép 22 3.042kg/m) Giá thành dầm: Đặt m giá 1kg thép thị trường, n giá 1m3 bê tông thị trường, ta có giá thành dầm (chỉ bao gồm bê tông cốt thép chủ không xét đến cốt đai) sau: GT = Vbt*n + Mct*m (VNĐ) 2.3 Tính tốn tìm phương án tối ưu microsoft excell Ứng dụng phần mềm tính tốn thử dần với trường hợp h thay đổi tìm giá thành tối ưu tương ứng TÍNH TỐN CHI TIẾT Sau chọn số chiều cao dầm cho giá thành rẻ ta vào tính tốn với toán cụ thể theo bước nêu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Hiện dầm bê tông cốt thép thường dùng phổ biến xây dựng cơng trình cầu, đơi với việc sử dụng nhiều chất lượng dầm phải đảm bảo, cho dầm an toàn, bền vững, chịu lực tốt, bên cạnh khơng thể khơng nhắc đến giá thành dầm, yếu tố quan trọng định đến thành cơng cơng trình Cơng trình chất lượng rẻ tiền ưu tiên hàng đầu Với thời gian hạn chế đầu tư có hạn nhóm sâu vào thay đổi chiều cao dầm (h) cố định thành phần lại Lựa chọn chiều cao dầm thích hợp cho hai điều kiện là: đảm bảo mặt chịu lực có giá thành rẻ Trong tính tốn giữ ngun kích thước cịn lại mặt cắt dầm, chưa phải phương án tối ưu kinh tế Nhưng, tìm chiều cao dầm tối ưu làm tiền đề cho việc tìm phương án tối ưu thành phần khác dầm Ví dụ: với dầm có chiều dài nhịp 15m ta có chiều cao cho giá thành rẻ 1.405m Hướng phát triển đề tài, sở làm tiếp tục phát triển mở rộng tìm phương pháp tính tối ưu cho thành phần khác dầm bê tông cốt thép thường như: kích thước mặt cắt dầm (thay đổi tính tốn với trường hợp), cốt thép đai…….Hồn thiện bước tính tốn máy tính, để giúp người thiết kế tiến hành cơng việc thiết kế nhanh chóng hơn, thuận tiện chọn phương án rẻ tiền đảm bảo chất lượng cho dầm TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 Giáo trình tự động hóa thiết kế cầu đường, Lê Quỳnh Mai – NXB Giao Thông Vận Tải 2009 Internet, diễn đàn kỹ sư ngành cầu đường Và giáo trình sau tham khảo thông qua hướng dẫn thiết kế môn học bê tông cốt thép 3.1 Cầu bê tông cốt thép đường ơtơ (tập 1), Lê Đình Tâm, NXB XD – 2005 3.2 Cầu thép, Lê Đình Tâm, NXB GTVT – 2003 3.3 DESIGN OF HIGHWAY BRIDGES, Richard M.Barkr, Jay A.Puckell, NXB Jonh Wiley & Sons – 1997 3.4 Cầu bê tơng (tập1) Nguyễn Viết Trung, Hồng Hà, NXB GTVT – 2005 3.5 Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-2002, Trần Mạnh Tuân, NXB XD-2004 3.6 Thiết kế cầu bê tông cốt thép cầu thép đường ôtô, N.I.POLIVANOV, dịch Nguyễn Như Khải Nguyễn Trâm, NXB KHKT – 1979 3.7 Tiêu chuẩn ACI 318 – 2002 3.8 Thiết kế kết cấu BTCT đại theo tiêu chuẩn ACI, Nguyễn Viết Trung, NXB GTVT – 2000 SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn đến tất quan, quý cấp, tập thể tạo điều kiện thuận lợi để tận tình giúp đỡ Về phía quan, tập thể: nhóm xin chân thành cảm ơn ban đào đạo trường đại học giao thông vận tải sở 2, liên mơn cơng trình đại học GTVT sở tạo điều kiện giúp nhóm nhận phát triển đề tài nghiên cứu Về phía cá nhân: nhóm xin chân thành cảm ơn cô giáo Th.S Lê Thị xuân thư; thầy giáo Nguyễn Đăng Điềm giúp đỡ nhóm q trình thực đề tài LỜI NĨI ĐẦU Hiện ngành giao thông vận tải nước ta phát triển mạnh mẻ, số lượng cơng trình cầu bê tông cốt thép ngày tăng lên đáng kể, có cơng việc chế tạo dầm bê tông cốt thép tăng theo Việc chế tạo phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật ,kinh tế tiến hành cách nhanh chóng.Nhằm mục đích trên,nhóm hướng đến giải pháp thiết kế dầm bê tông cốt thép thường tối ưu mặt giá thành mà đủ khả chịu lực.Nhóm sâu vào thiết kế dầm tối ưu chiều cao dầm Q trình tính tốn thực máy tính, góp phần đẩy nhanh trình thiết kế người kỹ sư SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Bảng Biểu Trang Bảng 2.1: Kích thước lựa chọn tối ưu (đơn vị mm) Bảng 2.2: Bảng tra tải trọng tương đương HL-93 (KN/m) 12,13 Bảng 2.3: Bảng tính nội lực 13 Bảng 2.4 : Các phương án chọn số lượng thép bố trí bầu dầm mặt cắt dầm 14 Bảng 2.5: Các phương án lựa chọn As 15 Bảng 2.6: Khoảng cách tối thiểu cốt thép theo AASHTO (CIP: cact-in-place (BT đúc chổ)) 15 Bảng 2.7: Bảng tra giá trị di với trường hợp bố trí hình 2.4; 2.5; 2.6; 2.7; 2.8; 2.9 19 Bảng 2.8: Bảng tra giá trị mặt cắt có cốt thép ngang 21 Bảng 2.9: Bảng tra giá trị mặt cắt có cốt thép ngang 22 Bảng 2.10: đường kính khối lượng đơn vị cốt thép ASTM A615M 26 Bảng 3.1: bảng tính giá trị mô men 41 Bảng 3.2: Giá trị lực cắt 42 Hình Vẽ Hình : Hình dạng mặt cắt ngang dầm chữ T số kích thước Hình 2.1: kích thước mặt cắt chọn cố định, chiều cao dầm h thay đổi Hình 2.2: Mặt cắt ban đầu mặt cắt quy đổi 10 Hình 2.3: Đường ảnh hưởng biểu đồ nội lực tương ứng 11 Hình 2.4 : Bố trí 18 16 Hình 2.5: Bố trí 16 16 Hình 2.6: Bố trí 14 17 Hình 2.7: Bố trí 12 17 Hình 2.8 : Bố trí 10 18 Hình 2.9: Bố trí 18 Hình 2.10: Sơ đồ ứng suất mặt cắt tính đổi 24 Hình 2.11: Microsoft Excell 27 Hình 2.12: Sơ đồ khối chương trình tính tốn giá thành vật liêu cho dầm 28 Hình 2.13: Phần nhập liệu đầu vào 29 Hình 2.14: Kết nhận từ tìm giá thành rẻ (phần màu xanh cây) 29 Hình 2.15: Kiểm toán 30 Hình 2.16: kết kiểm toán 31 Hình 3.1: Mặt cắt ngang dầm với chiều cao cho giá thành tối ưu 32 SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Hình 3.2: Mặt cắt quy đổi với chiều cao dầm tối ưu 34 Hình 3.3: Bố trí diện tích cốt thép mặt cắt dầm 38 Hình 3.4: Dạng Biểu đồ bao M (kNm) 41 Hình 3.5: Đường ảnh hưởng lực cắt 42 Hình 3.6: Dạng Biểu đồ bao V: (kNm) 43 Hình 3.7: Mặt cắt ngang tính tốn 46 MỤC LỤC Trang Nhận xét giáo viên hướng dẫn Lời cảm ơn Lời nói đầu Danh mục bảng biểu hình vẽ Mục lục Nội dung Chương mở đầu: Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 5,6 Chương 1: Tổng quan dầm chữ T bê tông cốt thép thường không dự ứng lực 1.1 Khái niệm dầm chữ T 1.2 Hình dạng mặt cắt ngang hình 1.3 Giải thích kích thước 1.3.1 Chiều dài nhịp dầm (L) 1.3.2 Chiều cao dầm (h) 1.3.3 Bề rộng sườn dầm (bw) 1.3.4 Chiều dày cánh (hf) 1.3.5 Bề rộng cánh (bf) 1.3.6 Chiều rộng hữu hiệu cánh 1.3.7 Các kích thước khác Chương 2: Lựa chọn tính tốn tối ưu dầm bêtơng cốt thép thường 2.1 Lựa chọn kích thước tính tốn tối ưu 2.2 Nội dung tính tốn thiết kế 2.2.1 Chọn mặt cắt dầm 2.2.2 Tính trọng lượng thân dầm 2.2.3 Mặt cắt ngang tính toán dầm 2.2.4 Tính nội lực theo phương pháp đường ảnh hưởng 10 2.2.5 Tính bố trí cốt thép dọc chủ mặt cắt dầm 14 2.2.6 Tính tốn chống cắt 19 SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2.2.7 Tính tốn kiểm sốt nứt 22 2.2.8 Tính tốn kiểm sốt độ võng hoạt tải 24 2.2.9 Tính tốn giá thành dầm 26 2.3 Ứng dụng microsoft excell để tìm phương án chiều cao dầm tối ưu 27 2.3.1 Phần lập trình tính tốn chọn thép chọn giá thành rẻ Visual Basic 28 2.3.2 Sử dụng tính tốn phần mềm 30 Chương 3: Tính tốn chi tiết với kết chiều cao tối ưu 31 3.1 Chọn kích thước mặt cắt ngang dầm 31 3.2 Tính sơ trọng lượng thân dầm 1m chiều dài 32 3.3 Tính tốn diện tích bố trí cốt thép mặt cắt dầm 34 3.4 Xác định nội lực 39 3.5 Tính tốn chống cắt 43 3.6 Kiểm soát nứt 46 3.7 Tính độ võng 49 3.8 Tính giá thành 50 Kết luận hướng phát triển đề tài 52 Tài liệu tham khảo 53 NỘI DUNG ĐỀ TÀI CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Qua nghiên cứu thực tế q trình thiết kế dầm chữ T bê tơng cốt thép thường có chiều dài L=(9-16) theo 22TCN272-05, thường phát sinh vấn đề dư thừa vật liệu, không tiết kiệm dẫn đến giá thành dầm Bê tông cốt thép tăng lên, tăng chi phí vật liệu thép bê tơng Vì mục đích đề tài đặt vấn đề phải giải là: phải thiết kế loại dầm tối ưu có đủ khả chịu lực tốt sử dụng thiết kế dầm tối ưu giúp giảm chi phí vật liệu đến mức tối ưu có thể, đạt hiệu kinh tế Tại thời điểm khó khăn kinh tế Việt Nam việc thiết kế tối ưu cần thiết CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI: Dựa vào kiến thức môn học như: kết cấu, sức bền vật liệu, kết cấu bê tơng cốt thép, tự động hóa thiết kế cầu đường… đề tài khai thác sử dụng sở khoa học trình nghiên cứu dựa kiến thức học môn học SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Giả sử TTH qua cánh Tính tốn chiều cao nén quy đổi : AS * f y a ' c 0.85* f * b  3408* 420  31,18(mm)  1h f  0.84*186.25  156.45(mm) 0.85*30*1800 Vậy điều giả sử Mơ men kháng tính tốn : a  M r  M n  0.9  0.85  a  b  f c'  d   2  31,18 )  1647938677( Nmm) Như : Mr = 1647938677 (Nmm) > Mu = 1605602246 (Nmm) M r  0.9*0.85*31,18*1800*30*(1295   Dầm đủ khả chịu mô men Kiểm tra lượng cốt thép tối đa : c a 31,18    0, 03  0.42 d 1d 0.84*1295 Vậy cốt thép tối đa thỏa mãn Kiểm tra lượng cốt thép tối thiểu :  AS 3408   0.56 % Ag 608425 Tỷ lệ hàm lượng cốt thép : 0.56% > 0.03* f c' 30  0.03*  0.2 %  ( thỏa mãn) 420 fy 3.4 XÁC ĐỊNH NỘI LỰC : Tính tốn mơ men lực cắt vị trí Vẽ đường ảnh hưởng mô men lực cắt SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 39 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN + Chiều dài nhịp : L =15(m) + Chia dầm thành 10 đoạn ứng với mặt cắt từ dến 10, đoạn dài 1.5(m) Đường ảnh hưởng mô men tiết diện : Các công thức tính tốn giá trị mơ men Lực cắt mặt cắt thứ I theo trạng thái giới hạn cường độ: M i   1.25  wdc  1.5  wdw   mg M 1.75  LLL  1.75  k  LLM  1  IM  wM   Qi   1.25  wdc  1.5  wdw   wQ  mg Q 1.75  LLL  1.75  k  LLQ  1  IM   w1Q  Các cơng thức tính tốn giá trị mô men, lực cắt mặt cắt thứ i theo trạng thái giới hạn sử dụng: M i  1.0  wdc  wdw   mg M LLL  LLM  k  1  IM  wM   Qi  1.0  wdc  wdw   wQ  mg Q LLL  LLQ  k  1  IM   w1Q  Trong đó: wdw , wdc : Tĩnh tải rải trọng lượng thân dầm (N/mm) wM : Diện tích đường ảnh hưởng mơ men mặt cắt thứ i wQ : Tổng đại số diện tích đường ảnh hưởng lực cắt w1Q : Diện tích phần lớn đường ảnh hưởng lực cắt LL M : Hoạt tải tương ứng với đ.ả.h mô men mặt cắt thứ i (tra bảng 2.2) LLQ : Hoạt tải tương ứng với đ.ả.h lực cắt mặt cắt thứ i (tra bảng 2.2 tra) mg M , mg Q : Hệ số phân bố ngang tính cho mơ men, lực cắt  LLL  9.3 N mm  : Tải trọng rải 1  IM  = 1.25 : Hệ số xung kích  : Hệ số điều chỉnh tải trọng xác định công thức SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 40 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN    d  R  l  0.95 Với đường quốc lộ trạng thái giới hạn cường độ I:  d  0.95 ,  R  1.05 ,  l  0.95 => η ≈ 0.95 Với trạng thái giới hạn sử dụng :   Bảng giá trị mô men xi  ( mm) wMi LLtruck Mi ( mm ) ( N mm) ( N mm) ( N mm) ( N mm) dem LLtan Mi M icd M isd 1500 0.0 10125000 34.02 28.00 610881822.8 419663784.4 3000 0.2 18000000 32.93 27.85 1071700572.2 737460675.0 4500 0.3 23625000 31.82 27.61 1387479217.9 956411465.6 6000 0.4 27000000 30.69 27.30 1563435873.3 1079655412.5 7500 0.5 28125000 29.57 26.99 1605602245.6 1110820429.7 Bảng 3.1: bảng tính giá trị mơ men Biểu đồ mô men cho dầm trạng thái giới hạn cường độ: Hình 3.4: Dạng Biểu đồ bao M (kNm) Đường ảnh hưởng lực cắt tiết diện : SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 41 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 10 Ñ ah Q 0 Ñ ah Q 1 Ñ ah Q 2 Ñ ah Q 3 Ñ ah Q 4 Đ ah Q 5 Hình 3.5: Đường ảnh hưởng lực cắt Bảng 3.2: Giá trị lực cắt : xi li wQi wQ LLtruck Qi dem LLtan Qi Qicd Qisd ( mm) ( mm) ( mm ) ( mm ) ( N m m) ( N mm) (N ) (N ) 15000 7500 7500 35.12 28.16 449087.68 308806.50 1500 13500 6075 6000 38.03 31.18 374140.59 255989.83 3000 12000 4800 4500 41.33 34.83 300202.44 203780.04 4500 10500 3675 3000 45.16 39.73 227629.90 152391.67 6000 9000 2700 1500 49.40 45.63 156149.54 101660.25 7500 7500 1875 0.00 55.22 54.18 87800.11 52812.09 SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 42 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Biểu đồ bao lực cắt trạng thái giới hạn cường độ: Hình 3.6: Dạng Biểu đồ bao V: (kNm) 3.5 TÍNH TỐN CHỐNG CẮT : Các giá trị tra bảng 2.8 2.9 trang 20 19 Biểu thức kiểm toán : Vn  Vu Vn : Sức kháng danh định, lấy giá trị nhỏ của: Vn  Vc  Vs (N) Hoặc : Vn  0.25 f c' bv d v (N) Trong :  d v : Chiều cao chịu cắt hữu hiệu, xác định khoảng cách cánh tay đòn nội ngẫu lực Trường hợp tính theo tiết diện chữ nhật cốt thép đơn dv  d  a Đồng thời d v  max0.9d ;0.72h SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 43 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Vậy d v  max0.9d ;0.72h; d  a / 2 0.9d = 0.9*1295 = 1165.5 (mm) 0.72h = 0.72*1405 = 1011.6 (mm) d a 31.18  1295   1279.41(mm) 2 Chon dv  1279.41(mm) + bv : Bề rộng bụng hữu hiệu, lấy bề rộng bụng nhỏ chiều cao d v , bv  bw  200(mm) Từ ta thấy dv  1279.41(mm) + s (mm) : bước cốt thép đai +  : Góc nghiêng cốt thép ngang với trục dọc, bố trí cốt thép đai vng góc với trục dầm nên   90 +  : Hệ số sức kháng cắt, với bê tông thường   0.9 + Av : Diện tích cốt thép đai (mm2) + Vs : Khả chịu lực cắt cốt thép (N) + Vc : Khả chịu lực cắt bê tông (N) + Vu : Lực cắt tính tốn (N) + Kiểm tra điều kiện chịu lực cắt theo khả chịu lực bê tông vùng nén: - Xét mặt cắt cách gối khoảng dv  1279.41(mm) Xác định nội lực biểu đồ bao lực cắt biểu đồ bao mômen phương pháp nội suy ta Vu  449087.68  449087.68  374140.59 *1279.41  385162.31( N ) 1500 M U  521045541.9( Nmm) SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 44 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Vn   (0.25 f c'bv dv )  0.9  0.25  30  200 1279.41  1727203.5( N ) Vu  385162.31( N )  Vn  1727203.5( N )  Đạt Chọn cốt thép đai số 10, đường kính danh định d  9.5(mm) , diện tích mặt cắt ngang cốt thép đai là: Av   d  2 3.14  9.5  142(mm ) Ta chọn khoảng cách bố trí cốt đai: s  200( mm) + Kiểm tra lượng cốt thép đai tối thiểu: Lượng cốt thép đai tối thiểu : Av  0.083 f c' bv  s 200  200  0.083 30  43.3(mm ) fy 420 Mà Av  142(mm2 )  Avmin  43.3(mm2 )  Thoả mãn + Kiểm tra khoảng cách tối đa cốt thép đai Ta có: 0.1 f c'  dv  bv  0.1 30 1279.41 200  767646( N )  Vu  385162.31( N ) Nên ta kiểm tra theo điều kiện sau: s  0.8dv s  200(mm)  0.8dv  0.8 1279.41  1023.528(mm)  Thoả mãn + kiểm tra điều kiện đảm bảo cho cốt thép dọc không bị chảy tác dụng tổ hợp mô men, lực dọc trục lực cắt: Khả chịu cắt cốt thép đai: Vs  Vs  Av  f y  d v  cot g s 142  420  970.89  cot g 39.0760  356.555 103 ( N ) 200 SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 45 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN As f y  2321.4  420  974.988( N )  974.988(kN ) M u  V    u  5V s  c o t g   ( k N ) d v    Ta thấy : As f y  974.988(kN )  M u  Vu     0.5Vs  cot g  824.056(kN )  Đạt d v    3.6 KIỂM SOÁT NỨT : Tại mặt cắt tùy vào giá trị nội lực bê tơng bị nứt hay khơng Vì để tính tốn kiểm sốt nứt ta phải kiểm tra xem mặt cắt có bị nứt hay khơng Để tính tốn xem mặt cắt có bị nứt hay khơng người ta coi phân bố ứng suất mặt cắt ngang tuyến tính tính ứng suất kéo fc bê tơng Mặt cắt ngang tính tốn : 186.25 1800 1405 TTH 200 267.5 Yt 310 Hình 3.7: Mặt cắt ngang tính tốn Diện tích mặt cắt ngang SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 46 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Ag  186.25 1800  1405  18625  267.5   200  267.5  310  608425(mm ) Xác định vị trí trục trung hịa thơng qua phương trình cân sau : h1'   bw   ' ' 2    h  h f    h1    b1     186.25  200  267.52  2 1800  186.25  1405  1405  186.25  267.5   310       yt  608425  974(mm)  h 'f ' yt  Ag  b f  h f   h    Mơ men qn tính tiết diện nguyên trục trung hòa : 1800186.253 2001405186.25 267.5 1405186.25 267.5   Ig    2001405186.25 267.5  267.5 974  12 12   2 186.25 267.5    310267.5  1800186.251405 974  310267.5974   122769132584(mm ) 12     Tính ứng suất kéo bê tơng : fc  Ma 1110820429.7 yt   974  8.81( MPa) Trong Ig 122769132584 M a : giá trị mơmen lớn trạng thái giá trị sử dụng Cường độ chịu kéo uốn bê tông : f r  0.63 fc'  0.63  30  3.45( Mpa)  fc  8.81( MPa)  0.8 f r  2.76( Mpa) Vậy mặt cắt bị nứt Xác định khả chịu kéo lớn cốt thép trạng thái giới hạn sử dụng   Z f sa   ; f y  d c  A1  SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 47 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN + dc : Chiều cao phần bê tơng tính từ thớ chịu kéo tâm gần nhất, theo bố trí cốt thép dọc ta có dc = 50 (mm) + A : Diện tích phần bê tơng chịu kéo có trọng tâm với cốt thép chủ chịu kéo bao mặt mặt cắt ngang đường thẳng song song với trục trung hòa, chia số lượng cốt thép chịu kéo Để tìm A ta tính gần mặt cắt qui đổi sau: Từ hình vẽ ta có : A = 310*(110+110)/12 = 5683.33 (mm2) Vậy:     Z 30000 ;0.6 ;0.6* 420 f sa   f      456.31; 252   252( Mpa ) y 13 1/3 50*5683.33 d A       c    ,6 Y A 2cm = A 5 t d 3 Z :Thông số bề rộng vết nứt, xét điều kiện bình thường Z  30000 ( N mm) Tính tốn ứng suất sử dụng cốt thép : - Tính diện tích tương đương tiết diện bị nứt : E s   10  200000( MPa) Ec  0.043   c1.5  fc'  0.043  24001,5  30  27691.47( Mpa) n 200000  7.22 27691.47 Chọn n = - Xác định vị trí trục trung hịa dựa vào phương trình mơ men tĩnh với trục trung hịa khơng : hf   h  y  n  A  y  d  S  h f  b f  bw   h  y    bw s  i   1405  y    3408  y  110  186.25   S  186.25  1800  200    1405  y      200     10 y  5865.16 y  460995.42  SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 48 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Giải : y1  4794.15(mm) y2  1231.41(mm)  chon y  1231.41(mm) - Tính mơ men qn tính tiết diện nứt : I cr b  f  bw  h3f hf  b  h  y    h f  b f  bw   h  y    w  nAs  y  d i    12 1800  200 186.253  186.25  200 1405  1231.41   186.25 1800  200  1405  1231.41  I cr    12  7  3408 1231.41  110    I cr  3.314*1010  mm  - Tính ứng suất cốt thép : f s  n Ma  y  d1  I cr (Với Ma : mơ men tính tốn lớn trạng thái giới hạn sử dụng ) fs   1110820429.7  1231.41  110   26.31( N mm )  26.31( MPa) 10 3.314 10 - Ta thấy : f s  26.31( Mpa)  f sa  252( Mpa)  Đạt 3.7 TÍNH ĐỘ VÕNG : -Cơng thức kiểm tra: Δ ≤ Δcp = L 800 -Xác định mơ men q tính tính tốn: Ta có: Ig = 122769132584 (mm4) Icr = 3.314 * 1010 (mm4) Mcr = I g * fr yt  122769132584*3.45  434859863.6 (N.mm) 974 Ma = 1110820429.7 (N.mm) SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 49 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 3   M 3    434859863.6 3  M   434859863.6  10 *122769132584 I e   cr  I g  1   cr   I cr    1      * 3.314 *10 1110820429.7 1110820429.7 M M        a      a   =4.05*1010 (mm4) Suy : I = min(Ig,Ie) = 4.05*1010 (mm4) -Xác định mô đun đàn hồi bê tông : Ec  0.043*  1.5 * fc '  0.043*24001.5 * 30  2.77*104 ( MPa) -Xác định độ võng tải trọng làn: Wlàn = mgD*LLL = 0.45*9.3 =4.185 (N/mm)  5wlàn L4 5* 4.185*150004    2.46(mm) 384 Ec I 384* 2.77 *104 * 4.05*1010 -Xác định độ võng xe tải thiết kế: Wtruck = mgD*k*(1+IM)*LLMmaxtruck = 0.45*0.65*1.25*34.02 = 12.44 (N/mm)  truck  5wtruck L4 5*12.44*150004   7.31(mm) 384 Ec I 384* 2.77 *104 * 4.05*1010 -Độ võng hoạt tải gây mặt cắt nhịp là: Δ = max(Δtruck;0.25Δtruck + Δlàn) = max(7.31;0.25*7.31 + 2.46) = max(7.31;2.46) = 7.31 (mm) -Độ võng cho phép :  cp  L 15000   18.75(mm)    7.31(mm) => Đạt 800 800 Vậy điều kiện hạn chế độ võng dầm thỏa mãn 3.8 TÍNH GIÁ THÀNH CỦA DẦM: Diện tích bê tông mặt cắt ngang: Abt = Ag – As = 608425 – 3408 = 605017 (mm2) SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 50 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN  Thể tích bê tơng : Vbt = Abt*(L+500) = 605017*(15000+500) = 9377763500 (mm3) = 9.3777635 (m3) Giả sử giá thành 1m3 bê tông 1230000 (VNĐ) Giá bê tông = Vbt*1230000 = 9.3777635 *1230000 = 11534649 (VNĐ) Khối lượng thép ɸ19 : M1 = (15+0.5) * 2.235 = 34.6425 (Kg) Giả sử giá thành 1Kg thép 17500 (VNĐ) => Giá thép = M1 * 17500 = 34.6425 * 17500 = 606244 (VNĐ) => Giá thép = 606244* 12 = 7274982 (VNĐ) Vậy sơ dầm = 11534649+ 7274982 = 18809631 (VNĐ) Giá trị khối lượng đơn vị lấy từ bảng tra 2.10 trang 23 SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 51 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Hiện dầm bê tông cốt thép thường dùng phổ biến xây dựng cơng trình cầu, đơi với việc sử dụng nhiều chất lượng dầm phải đảm bảo, cho dầm an toàn, bền vững, chịu lực tốt, bên cạnh khơng thể khơng nhắc đến giá thành dầm, yếu tố quan trọng định đến thành công cơng trình Cơng trình chất lượng rẻ tiền ưu tiên hàng đầu Với thời gian hạn chế đầu tư có hạn nhóm sâu vào thay đổi chiều cao dầm (h) cố định thành phần lại Lựa chọn chiều cao dầm thích hợp cho hai điều kiện là: đảm bảo mặt chịu lực có giá thành rẻ Trong tính tốn giữ ngun kích thước lại mặt cắt dầm, chưa phải phương án tối ưu kinh tế Nhưng, tìm chiều cao dầm tối ưu làm tiền đề cho việc tìm phương án tối ưu thành phần khác dầm Ví dụ: với dầm có chiều dài nhịp 15m ta có chiều cao cho giá thành rẻ 1.405m Hướng phát triển đề tài, sở làm tiếp tục phát triển mở rộng tìm phương pháp tính tối ưu cho thành phần khác dầm bê tông cốt thép thường như: kích thước mặt cắt dầm (thay đổi tính tốn với trường hợp), cốt thép đai…….Hồn thiện bước tính tốn máy tính, để giúp người thiết kế tiến hành cơng việc thiết kế nhanh chóng hơn, thuận tiện chọn phương án rẻ tiền đảm bảo chất lượng cho dầm SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 52 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 Giáo trình tự động hóa thiết kế cầu đường, Lê Quỳnh Mai – NXB Giao Thông Vận Tải 2009 Internet, diễn đàn kỹ sư ngành cầu đường Và giáo trình sau tham khảo thơng qua hướng dẫn thiết kế môn học bê tông cốt thép 3.1 Cầu bê tông cốt thép đường ôtô (tập 1), Lê Đình Tâm, NXB XD – 2005 3.2 Cầu thép, Lê Đình Tâm, NXB GTVT – 2003 3.3 DESIGN OF HIGHWAY BRIDGES, Richard M.Barkr, Jay A.Puckell, NXB Jonh Wiley & Sons – 1997 3.4 Cầu bê tông (tập1) Nguyễn Viết Trung, Hồng Hà, NXB GTVT – 2005 3.5 Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-2002, Trần Mạnh Tuân, NXB XD-2004 3.6 Thiết kế cầu bê tông cốt thép cầu thép đường ôtô, N.I.POLIVANOV, dịch Nguyễn Như Khải Nguyễn Trâm, NXB KHKT – 1979 3.7 Tiêu chuẩn ACI 318 – 2002 3.8 Thiết kế kết cấu BTCT đại theo tiêu chuẩn ACI, Nguyễn Viết Trung, NXB GTVT – 2000 HẾT SVTH: Bùi Quang Bắc – Nguyễn Minh Hiếu 53