Giao Trinh BÊ TÔNG CỐT THÉP NÂNG CAO - chương 8
Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: Prof. Andrew Whittaker Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ Chương 1: GIỚI THIỆU CHUG VÀ CÁC PHƯƠG PHÁP THIẾT KẾ 1.1 ỘI DUG MÔ HỌC 1.1.1 Mục tiêu Mục đích của môn học này là phát triển một kiến thức chuyên sâu về công trình BTCT chủ yếu dựa trên các phương pháp phát triển mới và áp dụng gần đây ở các nước tiên tiến Âu Mỹ (tiêu chuNn M ACI 318, tiêu chuNn châu Âu Eurocode 8). Mc tiêu chính s là các hiu bit v ch làm vic, phân tích và thit k các thành phn, kt cu, và h thng thưng dùng trong công trình xây dng. N goài ra, phân tích ng t và phương pháp thit k chng ng t cũng ưc gii thiu mc khái quát trong môn hc này. 1.1.2 Các chủ đề thuyết trình Cơ s giáo trình này là các bài ging cho hc viên cao hc - CIE 525 Reinforced Concrete Structures - ca Prof. Andrew Whittaker (Buffalo University, N Y, USA, 2001). N i dung chương 12 gii thiu chương trình CAST tính giàn o - Computer Aided Strut and Tie - ca Prof. Daniel A. Kuchma (University of Illinois at Urbana Champaign, IL, USA). N i dung chương 13-15 tham kho bài ging - CE 243A Behavior and Design of RC Elements- ca Prof. John Wallace (California University, CA, USA). Các ch trình bày bao gm: Các phương pháp thit k Vt liu bê tông ct thép Phân tích mômen- cong Phân tích ưng chy do (yieldline analysis) ca tm sàn Phương pháp di (strip-method) trong phân tích tm sàn Mô hình “giàn o” (strut and tie) trong thit k BTCT Ch làm vic ca BTCT chu ti gây un, ti dc trc, và ti gây ct Phân tích và thit k công trình chng ng t 1.1.3 Tài liệu tham khảo Hc viên cao hc cn tìm tiêu chuNn M ACI 318 Building Code, 2005 hay 2008 Mt s tài liu tham kho hu ích khác bao gm: [1] MacGregor, J. G., 1997, Reinforced Concrete Mechanics and Design, 3 rd Ed., Prentice Hall. [2] Schaeffer, T. C., 1999, Design of Two-Way Slabs, SP 183, American Concrete Institute, Michigan. [3] Tjhin, T. N . and Kuchma, D. A., 2004, Computer Aided Strut-and-Tie, version 0.9.11, University of Illinois at Urbana Champaign, Illinois. [4] Priestley, M. J. N . and Paulay, T., 1992, Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley. Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K [5] Booth, E. and Key, D., 2006, Earthquake Design Practice for Buildings, 2 nd Ed., Thomas Telford Ltd. [6] ICBO, 2000, International Building Code, International Conference of Building Officials, Whittier, CA. [7] FEMA, 2000, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 356, Washington, DC. [8] B Xây Dng, 2006, Thiết Kế Công Trình Chịu Động Đất, TCXDVN 375-2006, N XB Xây Dng, Hà N i. 1.1.4 Thời gian giảng dạy (45 tit) Bài giảng (số tiết) Tiêu đề Chương 1 (3 tiết - tun 1) Gii thiu chung và các phương pháp thit k Chương 2 (1 tiết - tun 2) Vt liu bê tông ct thép Chương 3 (2 tiết - tun 2) Bê tông ct thép b ép ngang (confined) Chương 4 (3 tiết - tun 3) Phân tích mômen- cong Chương 5 (3 tiết - tun 4) Phân tích và thit k h thng tm sàn Chương 6 (3 tiết - tun 5) Phân tích ưng chy do ca tm sàn Chương 7 (4 tiết- tun 6-7) Phương pháp di trong phân tích tm sàn Chương 8 (4 tiết- tun 7-8) Mô hình “giàn o”: khái nim và mô hình Chương 9 (4 tiết - tun 8-9) Mô hình “giàn o”: nút - thanh chng - thanh ging Chươ ng 10 (3 tiết - tun 10) Ch làm vic ca kt cu BTCT chu lc un và lc dc trc Chương 11 (1 tiết - tun 11) Ch làm vic ca kt cu BTCT chu lc gây ct Chương 12 (3 tiết - tun 12) Tính toán giàn o bng chương trình CAST (Computer Aided Strut-and-Tie) Chương 13 (4 tiết - tun 13) Khái quát v phân tích và thit k công trình chng ng t Chương 14 (4 tiết - tun 14) Phân tích và thit k khung BTCT chng ng t Chương 15 (4 tiết - tun 15) Phân tích và thit k vách cng BTCT chng ng t Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K 1.2 THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐG KHUG KẾT CẤU CHNU LỰC 1.2.1 Các vấn đề cần nghiên cứu và hạn chế trong thiết kế Quá trình thit k kt cu bao gm các vn cn nghiên cu sau: 1) Công năng và hình dáng công trình Truy tìm thông qua các phương án thit k kin trúc và thit k kt cu o nhu cu bao hàm c không gian tng th và ni dung bên trong o cung cp an toàn cao cho ngưi th hưng o S làm vic thun tin trong không gian kèm theo ca phuơng án S mong mun ca ch u tư o công trình có th phát trin m rng hơn na, N hu cu uyn chuyn trong thit k qui hoch và d sa sang ci to khi cho thuê mưn o có th gây áp lc trong vic la chn phương án h kt cu chu lc: khung chu mô men (moment frame), vách cng, hay khung h ging (braced frame) 2) Hiu qu kinh t, và giá thành xây dng Các kỳ vng ca ch u tư: ví d ơn gía sut u tư so vi các d án khác, kh năng hoàn vn Dùng bê tông nh nhm làm gim ti a ti trng lên móng trong công trình nhà cao tng 3) bn vng S làm vic dài hn, bo qun công trình o Dùng bê tông nng cho công trình bo v o Dùng bê tông thưng (không dùng bê tông nh) cho các kt cu chu lc bên ngoài Áp dng các lp ph có kh năng thích nghi vi vt nt do bê tông b co ngót hay dùng các lp ph thêm tăng thêm bn vng ca công trình Làm vic trong môi trưng ăn mòn o Sơn ph epoxy lên các thanh thép o Dùng các h thng chng ăn mòn kiu ca tt (cathodic protection systems) 4) Tng th kt cu Bo m an toàn công cng Tho mn các qui phm. tiêu chuNn xây dng quc gia ti thiu, gm ASCE-7, ACI 318, International Building Code Thit k bo m chu ti bình thưng (expected loads) và ng x do (ductile response) trong các trưng hp vưt ti (do ti trng lc, ng t, n, ) Thit k chu mi (fatigue) trong mt s trưng hp (như trong thit k cu) cng tng th ln kim soát võng ngn hn và dài hn trong gii hn cho phép và cc tiu dao ng công trình Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K N hng giới hạn điển hình gì gây áp lc lên k sư thit k kt cu ? 1) N gân qu xây dng hn ch t ch u tư Chi phí xây dng h khung kt cu thưng thp hơn 25 % tng chi phí ca d án 2) Phí dch v k thut kt cu Có th thp bng 1 % tng chi phí ca d án Ít ưc khuyn khích cách tân nu li nhun ca ngưi thit k b mp m 3) Ch u tư và/hoc kin trúc sư thiu kin thc s gây tr ngi trong các tho lun v các vn mà qui phm ã qui nh v ng x ca kt cu và phương pháp thit k ci thin ch làm vic ca kt cu 4) K sư thit k kt cu thiu kin thc N hiu k sư thc hành ưc ào to trưc khi ra i các phương pháp thit k da trên chuyn v (displacement-based design) và thit k da trên hiu sut (performance-based design) và phn ln tin cy vào các phương pháp tuyn tính ca phân tích kt cu ưc trình bày trong các tiêu chuNn thc hành (ví d, 2000 IBC và UBC) Ít k sư kt cu là chuyên gia dùng các phương pháp mi phân tích và ánh giá kt cu, ví d trình bày trong FEMA 273 (Hưng dn-Guidelines) và FEMA 274 (Bình lun- Commentary) và FEMA 356 (Tiêu chuNn sơ b-Pre-Standard) 1.2.2 Qui trình thiết kế (5 bước) Thit k kt cu (bao gm phân tích, thit k, thit k chi tit, và ánh gía kt cu) là mt quá trình nhiu bưc tương tác ln nhau, mà thit k phi tuân theo tt c các qui tc bt buc (bao gm tư vn v kin trúc, tư vn v qun lý xây dng, tư vn v cơ-in-nưc_ M/E/P). Các bưóc ch yu ca qui trình thit k thông thưng cho công trình nhà như sau: 1) Xác nh các gii hn ca d án, bao gm vn, hình dng nhà và kiu kin trúc, các gii hn chc năng (gm bưc ct, vt liu xây dng, gii hn v dch v [ độ võng], gii hn dao ng, an toàn, nhu cu vn chuyn ng, các nhu cu M/E/P) 2) Xác nh các mc tiêu v s làm vic ca kt cu, mà quan trng nht thưng là tho các yêu cu qui nh trong các qui phm xây dng tương ng. Các mc tiêu làm vic phc tp có th ưc nh rõ trưc. 3) Tính toán ti trng ng và ngang sơ b. xut các kích thưc và ct thép tính th (trial sizes) cho các thành phn kt cu chu ti trng ng và ngang sơ b. Lp thit k sơ b (Schematic Design) và khái toán công trình (cost estimate). 4) Phân tích, ánh giá, và thit k li mt cách chi tit hơn các kích thưc và ct thép ã dùng th trưc trong Bưc 3. Chính xác hoá các ti trng ng và ngang. Tip tc phân tích kt cu chu ti trng ng và ngang, ánh giá kh năng chu lc các thành phn kt cu và tính toán li tit din BTCT (re-proportioning). Lp thit k khai trin (Design-Development, DD) và lp li d toán công trình. 5) Thit k cui cùng bao gm phân tích kt cu chi tit (theo kiu k lưng hơn giai on DD), tính toán tit din BTCT ln cui và thit k chi tit các thành phn kt cu. Lp tài liu thi công (Construction Documents, CD). Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K f all - S cho phép Qui trình thit k 5-bưc ca Construction Administration (CA, USA) bo m rng nhà thu tuân theo các bn v kt cu và cung cp mt chng c kim soát cht lưng công trình ca nhà thu xây dng. Ba giai on trong thit k kt cu công trình nhà ưc gi tên là: Thit K Sơ B (SD): gm buc 1 n bưc 3 ; chim 15% ni dung thit k tng Thit K Khai Trin (DD): gm buc 4 ; chim 25 - 35% ni dung thit k tng Tài Liu Thi Công (CD): gm buc 5; chim phn còn li ni dung thit k tng Trong mt thit k thông thưng, phân tích kt cu là mt Mô Hình àn Hi Tuyn Tính (Linearly Elastic Model) ca khung nhà. Vic kim tra thành phn kt cu là theo Phương Pháp ng Sut Cho Phép (Allowable Stress Method), và Phương Pháp Bn (Strength Method) mà cũng ưc bit vi tên gi khác là Phương Pháp LRFD (Load and Resistance Factor Design). Hai phương pháp này và các phương pháp khác ưc mô t dưi ây. 1.2.3 Các thủ tục đánh giá thành phần kết cấu 1.2.3.1 Giới thiệu Dưi ây là mt gii thiu khái quát v các th tc (procedure) ưc dùng tính toán các tit din BTCT cho ti trng ng và ngang. Cn các thông tin thêm, tham kho Chương 2 ca MacGregor [1]. 1.2.3.2 Thiết Kế Ứng Suất Cho Phép (Allowable Stress Design - ASD) Thit K ASD, mà cũng ưc bit là Working Stress Design, ã ưc dùng trong phân tích k thut kt cu cách ây hơn 150 năm. Các phương pháp tính toán v ti trng max u áp dng LTHTT (linearly elastic model) hay SBVL tính ng sut ca các kt cu thép hay ng sut trong bê tông và ct thép ca kt cu BTCT. ng sut trong cu kin yêu cu phi nh hơn ng sut cho phép: f ≤ ≤≤ ≤ f all mà ưc thit lp sn cho tng loi vt liu tùy thuc vào kiu tác dng lc khác nhau (dc trc, un, ct, xon). Ví d, f all = 0.6f y cho các kt cu thép. Xem hình v sơ ha phuơng pháp Thit K ASD bên phi (cung cp bi J. P. Moehle) Phương pháp ASD có mt s khim khuyt áng k. Trưc ht, tin cy ca thit k (hay h s an toàn) là không bit. Th hai, không xét n s hay thay i, không c nh ca ti trng, mà c th là, làm th nào tính chính xác tĩnh ti và hot ti. Th ba, ng sut trong các thành phn kt cu cung cp thông tin rt ít v kh năng chu ti ca cu kin hay toàn b kt cu. Trong thit k BTCT hin nay, S cho phép him khi ưc dùng: ngoi tr tính võng dưi tác dng ca ti tiêu chuNn (service loads). Chúng ta s không dùng phương pháp ASD tính toán tit din BTCT trong giáo trình này ( CIE 525). Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K M u - momen tính toán M n - momen danh nghĩa φ φφ φ - HS gim sc bn 1.2.3.3 Thiết Kế Sức Bền (Strength Design - SD hay Load and Resistance Factor Design - LRFD) Phương pháp Thit K Sc Bn (SD hay LRFD) thưng dùng trong thit k kt cu BTCT và cũng ưc dùng trong thit k kt cu thép (mc du ASD tn ti trong nhiu phn thit k thép M). VN , tương ương vi tính tóan BTCT theo TTGH 1. Ti tiêu chuNn ưc nhân vi h s ti trng chuyn thành ti tính toán (ultimate load), ây các h s ti trng xác nh da trên phương pháp thng kê ca các iu kin o lưng và như vy phn ánh các thay i tăng/gim hp lý ca ti trng tác dng (ví d, các gía tr max) t giá tr ti trng trung bình tính toán. Sau ó, áp dng LTHTT cho ti tính toán tính ni lc các thành phn kt cu, ví d tính V u , M u . Sc chu ti ca các thành phn (ví d, chu nén, un, ct), ví d V n , M n , ưc tính toán vi gi thuyt rng tit din kt cu làm vic không àn hi (inelastic behavior). Xem hình v sơ ha phuơng pháp SD bên trên (cung cp bi J.P. Moehle). Chú ý vic s dng khi ng sut không àn hi , (non-linear stress block ), trong hình v mc du hình dng khi S s ưc ơn gin hoá thun tin tính sc chu ti ca tit din BTCT. Phương pháp SD là hp lý hơn phương pháp ASD. tin cy ca ti trng ưc xét n trong phương pháp SD bng vic s dng các h s ti trng và các t hp ti, xem trích dn t tiêu chuNn ACI 318-02 hình bên phi. Các h qu phá hoi cũng ưc xét n trc tip hơn thông qua s dng các h s gim sc bn (capacity reduction factor, φ φφ φ < 1 < 1 < 1 < 1), qui cho các kiu phá hoi không mong mun (ví d, φ = 0,9 φ = 0,9 φ = 0,9 φ = 0,9 cho un, φ = 0,7 φ = 0,7φ = 0,7 φ = 0,75 5 5 5 cho ct). Tuy nhiên chú ý rng khi phân tích h kt cu gi thit ng x àn hi tuyn tính nhưng kh năng chu lc cu kin li tính theo cưng (cross section analysis) , mà hàm ý mt lưng ng x không àn hi trong tit din cu kin. <S phân phi li mômen trong dm là mt ví d.> Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K 1.2.3.4 Thiết Kế Khả ăng (Capacity Design) Thit K Kh N ăng ưc dùng ngăn cn các cơ cu phá hy không mong mun, ví d dm b phá hy do ct ( kiu phá hy dòn) xy ra trưc khi phá hy do un (kiu phá hy do ), hay ct khung b phá hy do un xy ra trưc khi dm khung phá hy do un. Thit K Kh N ăng ưc phát trin bi nhiu chuyên gia k thut N ew Zealand t thp niên 1970 nhưng phương pháp này ưc xut u tiên bi Blume, N ewmark, Corning, và Sozen vào cui thp niên 1950 (tham khào Design of Multistory Reinforced Concrete Buildings for Earthquake Motions, xut bn năm 1961). Hình v sơ ha bên trên (cung cp bi J.P. Moehle) mô t thông tin tóm lưc v phương pháp này. Ví d là thit k công xôn BTCT không b phá hy do ct. Các bưc thit k theo phương pháp CD như sau: 1) Chn cơ cu phá hy mong mun, mà thưng là phá hy do un trong công trình BTCT. < Ti sao?> 2) Cân i kích thưc dm theo cơ cu phá hy ngh theo phương pháp SD hay LRFD và b trí thép dm cho ng x do. 3) Xác nh sc bn max ca tit din dm bi phân tích xét n kích thưc thc và chi tit ct thép ã chn, mà có th ln hơn bn cn thit chu ưc ti trng tính toán- factored loads. (Điều này sẽ được cụ thể hoá ở Chương 3). hình trên, sc bn max là M p căn bn ln hơn sc bn thit k theo phương pháp SD là M u = φ φφ φM n 4) Xác nh ti trng áp dng V p - applied load gây ra sc bn max M p và thit k các phn còn li ca kt cu (i.e., thit k chng ct công xôn BTCT) sc bn chng ct danh nghĩa V n vưt quá các ni lc tương thích vi ti trng áp dng tính li này. Sc bn max Sc bn TK Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K 1.2.3.5 Thiết kế dẻo (Plastic Design) Thit K Do ơn thun là Thit K Sc Bn s dng phân tích chy do ch không dùng phân tích HTT. Trong Chương 6 ca giáo trình này, Thit K Do s ưc xem xét chi tit vi phương pháp ưng chy do (yield-line analysis) ca h sàn BTCT. N guyên tc ca phân tích chy do là mt cơ cu phá hy s ưc xut và các khp do ưc thit k chi tit cho áp ng không àn hi. Xem hình v sơ ha bên phi (cung cp bi J.P. Moehle), sc bn kt cu φM n ưc tính bng phương pháp SD, sau ó dùng phương pháp CD ngăn nga các kiu phá hoi không mong mun. 1.2.3.6 Các phát triển gần đây trong kiểm định kết cấu xây dựng Thp niên 1990 xut hin s i mi áng k trong k thut thc hành chng ng t. Các phương pháp thit k lc -Force based procedure- mà hu như chim v trí c tôn gn 70 năm nay bt u nhưng ch cho các phương pháp thit k chuyn v -Displacement based procedure- ca công trình n khi chy do xp (collapseyielding) ưc phát trin da trên nguyên lý xut bi Sozen, Moehle, và các tác gi khác trong hai thp niên 1970-1980. Các tiêu chuNn thit k chng ng t ã tha nhn t lâu rng công trình nhà và cu s tri qua bin dng không àn hi áng k. N h kin thc hiu bit này rng s hư hng công trình liên quan trc tip n bin dng ch không phi lc (xem hình v sơ ha bên trên ca J. P. Moehle), các k sư chuyên ngành kt cu ngày nay có khuynh hưng phân tích, thit k, và ánh giá s làm vic ca BTCT da trên các tính toán chuyn v. Thc ra thit k da trên chuyn v (Displacement-based design - DBD) không th s dng như là mt công c thit k c lp. úng hơn là phi cung cp trưc mt bn ti thiu ng vi các iu kin ti trng bình thưng (service load). Tuy nhiên, DBD ã ưc chp nhn rng rãi t 5 năm trưc ây và phương pháp này bây gi là cơ s ca các tài liu hưng dn k thut FEMA 273 và 274 nhm ci to các kt cu công trình chng ng t - seismic rehabilitation. - chảy dẻo - có mả nh vụn - sụp đổ M o =w u l 2 /8