Tài liệu hướng dẫn thiết kế cấu kiện BTCT bằng phần mềm Robot Structural analysis

Hiện nay có khá nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế cấu kiện BTCT. Trong đó phần mềm robot structural analysis của hãng autodesk là một công cụ khá mạnh nằm trong bộ công cụ Revit để tính toán thiết kế cấu kiện BTCT. Tài liệu này hướng dẫn cho các bạn đầy đủ các bước thiết kế cấu kiện BTCT có kèm hình ảnh minh họa rõ ràng, đặc biệt có hướng dẫn kỹ càng cách thiết lập các thông số thiết kế theo một số tiêu chuẩn phổ biến.

Ph ần 4

Sau khi xây dựng xong mô hình và tính toán, có thể lấy các cấu kiện bê tông cốt thép tại công trình kết cấu đã tính toán nội lực để thiết kế cốt thép hoặc thiết kế cốt thép cho từng cấu

kiện độc lập, không liên quan đến kết quả tính toán nói trên

Như đã giới thiệu tại phần “ Giới thiệu tổng quát”, Robot Structural Analysis Professional có các mô đun tính toán thiết kế độc lập như vỏ, sàn, vách cứng, khung thép, khung BTCT, v.v Tuy nhiên một công trình kiến trúc, nhà xưởng hoặc cầu đường là kết hợp các mô đun

Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép gồm hai việc chính là tính toán và cấu tạo

Quy trình th ường theo bảy bước như sau:

1 Bước 1: Mô tả, giới thiệu kết cấu

• Trình bày về vị trí, nhiệm vụ, đặc điểm của kết cấu, lựa chọn phương án, thể hiện mặt bằng kết cấu, hình dáng và các kích thước cơ bản của kết cấu

2 Bước 2: Chọn sơ bộ kích thước các bộ phận

• Sơ bộ chọn các kích thước của các bộ phận chính như chiều dày bản sàn, chiều dày tường, kích thước dầm, cột…

• Chọn vật liệu như chọn loại bê tông, cấp độ bền của bê tông, nhóm cốt thép, loại cốt thép… căn cứ vào đặc điểm kết cấu, khả năng cung cấp vật liệu, khả năng thi công

3 Bước 3: Lập sơ đồ tính toán

• Trong bước này kết cấu thực được mô hình thành các sơ đồ tính Các liên kết thực

tế được chuyển thành các liên kết lý thuyết Các liên kết lý thuyết phải lựa chọn

hợp lý trên cơ sở phân tích khả năng ngăn cản chuyển vị của nó

4 Bước 4: Xác định tải trọng

• Xác định tất cả các tải trọng tác dụng lên từng cấu kiện cụ thể trong kết cấu

• Với mỗi loại tải trọng cần xác định điểm đặt, phương, chiều, độ lớn, các trường

hợp bất lợi của tải trọng Cần phân biệt tải trọng thường xuyên tác dụng hay tạm

thời tác dụng lên kết cấu

5 Bước 5: Tính toán nội lực, tổ hợp nội lực

• Tính toán và vẽ biểu đồ nội lực cho từng trường hợp tải trọng, sau đó sẽ lựa chọn các giá trị nội lực ở các biểu đồ nội lực và tổ hợp lại để tìm ra các giá trị gây bất lợi

nhất để tính toán tiếp theo

6 Bước 6: Tính toán về bê tông và cốt thép

• Tính toán cốt thép, nếu không đảm bảo cần phải quay lại từ bước 2 để chọn lại kích

thước, chọn lại bê tông, nhóm thép để đảm bảo kết cấu chịu lực an toàn Phần này

do RSAP đảm nhiệm

7 Bước 7: Thiết kế chi tiết và thể hiện

• Chọn và bố trí cốt thép theo các yêu cầu chịu lực và yêu cầu cấu tạo, thiết kế chi

tiết các bộ phận, các thanh thép và thể hiện chúng trên các bản vẽ Phần này do RSAP đảm nhiệm

Nội dung tài liệu được chia làm hai phần:

• Tính toán thiết kế bê tông cốt thép cho các cấu kiện đã đưa vào công trình và đã tính toán nội lực

• Tính toán thiết kế bê tông cốt thép cho từng cấu kiện riêng rẽ đặt tải độc lập

Các thiết lập tiêu chuẩn chung cho Dự án đã được giới thiệu tại các phần trước, tại đây tôi

giới thiệu những thiết lập cụ thể cho các thành viên bê tông cốt thép để phục vụ tính toán

IV.1.1 Ra l ệnh thiết lập

1 Ra lệnh: bằng một trong các cách sau:

• Trình đơn: Tools  Job Preferences hoặc Tools  Units and Formats

• Thanh công cụ:

2 Hộp thoại hiện ra để thực hiện công việc

3 Tại dòng đầu tiên, đặt tên tiêu chuẩn mới là BTCT-VN

4 Nhấn chuột vào mục Units and Formats, nội dung hộp thoại trở thành như hình dưới

5 Zero format: độ chính xác (số chữ số tập phân) Xóa số cũ và gõ số mới nếu cần

6 Default units: các đơn vị mặc định Ở Việt Nam, chúng ta chọn Metric

7 Hộp thoại tiếp theo hiện ra để khẳng định Nhấn Yes, toàn bộ các đơn vị chuyển về hệ mét

8 Nhấn vào dấu + tại Units and Formats, các thông số đ o lường hiện ra Nhấn vào tên mục thấy các loại thông số hiện ra với các đơn vị hệ mét Có thể để nguyên hoặc thay đổi Ví dụ đại lượng lực tác dụng có các đơn vị như hình dưới

IV.1.2 Thi ết lập cơ sở dữ liệu – Databases

Để chọn vật liệu phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam, chúng ta phải thiết lập cơ sở dữ liệu

phù hợp Hiện nay chúng ta đang dùng các tiêu chuẩn dựa theo tiêu chuẩn Nga nên chúng ta

đưa tệp cơ sở dữ liệu vào như trình bày dưới đây

1 Tại hộp thoại Job Preferences nhấn mục Databases, hộp thoại có các thông số mặc

định như hình dưới

2 Nhấn vào dấu + triển khai các thông số

3 Nhấn Reinforcing bars: thanh cốt thép Nội dung hộp thoại như hình dưới

• Nhấn nút thêm dữ liệu

• Hộp thoại hiện ra, nhấn chọn SNIP 2 (cốt thép theo tiêu chuẩn Nga phù hợp với TCVN), nhấn Add

• Trở lại hộp thoại trước, nhấn chọn SNIP 2, nhấn nút áp dụng tiêu chuẩn

IV.1.3 Thiết lập qui phạm thiết kế – Design codes

1 Tại hộp thoại Job Preferences nhấn mục Design codes, hộp thoại có các thông số

mặc định như hình dưới

2 Muốn có tiêu chuẩn thép Nga để có các thanh thêm các mã hiệu khác, nhấn nút More codes, hộp thoại hiện ra để chọn

3 Nhấn nút tại ô dưới chữ Codes để chọn loại vật liệu và loại tải trọng

4 Nhấn RC: bê tông cốt thép Nhấn chọn SNiP 2.03.01-84, nhấn mũi tên chuyển vào

dự án (chuyển sang ô bên phải)

5 Nhấn nút Set as Current để lấy làm tiêu chuẩn hiện hành

6 Nhấn OK trở lại hộp thoại trước Nhấn mũi tên tại các ô tương ứng để chọn mã tiêu chuẩn như hình dưới

• Steel/aluminum structures: kết cấu thép/nhôm, chọn SNiP II 23-81

• Steel connection: thép nối góc

• RC structures: kết cấu bê tông cốt thép, chọn SNiP 2.03.01-84

• Timer structures : kết cấu gỗ

• Geotecnical: địa kỹ thuật

IV.1.4 K ết thúc tạo tiêu chuẩn

1 Sau khi đã tạo xong các thiết lập cần thiết, nhấn OK, kết thúc lệnh

2 Các tiêu chuẩn này được tồn tại, có thể sử dụng cho các dự án khác

3 Khi tạo dự án mới, ra lệnh Job Preferences

4 Nhấn chọn tiêu chuẩn cần dùng

5 Nhấn OK, kết thúc lệnh

Việc xây dựng công trình và đặt tải và tính toán đã được giới thiệu tại các phần trước Tại đây chúng ta lấy mô hình đã dựng và tính toán kết cấu để tính toán bê tông cốt thép

Đối với các cấu kiện trong công trình có hai phần tính toán:

1 Required (Theoretical) Reinforcement: thiết kế cốt thép yêu cầu (lý thuyết) cho

tất cả các cấu kiện dạng thanh và dạng tấm trong kết cấu cùng lúc theo tải trọng và nội

lực đã tính toán được Kết quả là một bảng tổng hợp tỷ lệ (diện tích) cốt thép, số lượng

và đường kính thanh cho từng cấu kiện trong công trình

2 Provided (Real) Reinforcement: thiết kế cốt thép dự định (thực tế) cho riêng một

cấu kiện dạng thanh hoặc dạng tấm được chọn trước trong kết theo tải trọng và nội lực

đã tính toán mà kết cấu này phải chịu Kết quả là một bản vẽ cốt thép, bảng tổng hợp tỷ

lệ (diện tích) cốt thép, số lượng và đường kính thanh cấu kiện được tính

Đây là phần Required (Theoretical) Reinforcement cho dầm và cột

IV.2.1.1 Ch ọn thông số qui phạm – Code parameters

Các qui ph ạm này đã được chọn từ khi xây dựng mô hình và chất tải, nếu thấy không

c ần thiết phải thay đổi thì không cần làm bước này

1 Ra lệnh trên trình đơn: Design  Required Reinforcement of Beams/Columns

- Options  Code parameters

2 Hộp thoại hiện ra Tại đây có hai qui phạm mặc định cho cột và dầm

3 Nhấn đúp vào một trong các qui phạm, hộp thoại hiện ra Trong hộp thoại chứa nội dung qui phạm được chọn

IV.2.1.1.1 Định nghĩa kiểu thành viên theo Qui phạm tính toán cột

1 Nhấn đúp vào RC column trong hộp thoại, hộp thoại tiếp theo hiện ra như hình dưới Tại đây có các phương án và các giá trị hệ số mặc định theo qui phạm đã chọn tại phần trước Ví dụ qui phạm đã chọn là SNiP 2.03.01-84 Có thể chọn phương

án và cho các giá trị khác

2 Buckling with respect to Y axis: biến dạng cong dọc theo trục Y gồm có:

• Member length ly: độ dài của cấu kiện ly Chọn một trong các phương án cho độ dài:

o  in axis: trên trục

o  real: giá trị thực Cho giá trị tại ô bên cạnh

o  coeff.: cho hệ số so với độ dài L0 Gõ số tại ô bên cạnh

• Bukling length coefficient: hệ số độ dài bị uốn Có hai cách cho giá trị:

o Gõ giá trị khác tại Ky

o Nhấn nút , bảng các giá trị theo hình ảnh hiện ra

3 Buckling with respect to Z axis: biến dạng cong dọc theo trục Z, tương tự như trục Y

4 Maximum node displacement: chuyển vị tối đa của nút Các giá trị mặc định

5 Additional setting: các thiết lập thêm

• Đối với qui phạm SNiP 2.03.01-84, nút này không kích hoạt

• Đối với các qui phạm khác ví dụ ACI 318-08, nút này kích hoạt

• Nhấn nút này, hộp thoại hiện ra để đặt thiết lập thêm

• Moment Magnification: khuy ếch đại mô men Chọn một trong các phương án

và cho giá trị

o  Magnifers: hệ số khuyếch đại

o  Design forces to critical forces ratio: tỷ số lực thiết kế và lực giới hạn Gõ

số

o  Stability index of a story: chỉ số ổn định của tầng

• Analysis of moments: phân tích mô men Chọn một trong các phương án và cho giá trị

o  Constant ratio : tỷ số mô men Đây là tỷ số giữa mô men không dao động trên mô men tổng đã tính được Tỷ số này là cơ sở để tính M1ns, M1s và M2ns, M2s

o  Ms due to loads: cho phép tính mô men dao động Phương án này không kích hoạt tại đây

• Sau khi thay đổi, nhấn Apply và nhấn Close, kết thúc, trở lại hộp thoại trước

6 Nhấn Save, lưu trữ thiết lập

IV.2.1.1.2 Định nghĩa kiểu thành viên theo Qui phạm tính toán dầm

1 Nếu chưa mở hộp thoại Member Type Definition, tại hộp thoại R/C Member Type nhấn đúp vào RC beam

2 Nếu đã mở hộp thoại Member Type Definition, nhấn mục Beam trên đỉnh hộp thoại

3 Span length: độ dài khẩu độ Nhấn chọn một trong các phương án cho độ dài

•  at support face: lấy từ mặt gối đỡ

•  in axis: trên trục

•  coeff.: cho hệ số so với độ dài L0 Gõ số tại ô bên cạnh

4 Support width: bề rộng gối đỡ Cho các giá trị:

• Begining: tại đầu dầm

• End: tại cuối dầm Mặc định là 30cm Có thể gõ số khác

•  according to structure geometry: theo kích thước của mô hình kết cấu Nếu

chọn phương án này, các giá trị trên không kích hoạt

5 Admissible deflection: độ lệch cho phép Xác định độ lệch lớn nhất được tính theo qui phạm đã chọn

• Có đánh dấu, chọn một trong các phương án:

o  Absolute: cho giá trị tuyệt đối tại ô f =

o  Relattive: cho giá trị bằng số phần của độ dài dầm Cho giá trị tại f = L/ giá

trị trong ô

• Trong qui phạm SNiP 2.03.01-84 không kích hoạt thông số này

6  T beam (slab considered): có đánh dấu, dầm có tiết diện chữ T gồm các thông số:

• Maximum slab widths: bề rộng lớn nhất của các cánh dầm Có 2 phương án cho

bề rộng cánh:

o  b1=: cho giá trị b1 và b2 tính bằng m Hai giá trị này có thể bằng nhau hoặc khác nhau (hình dưới bên trái)

o  b1,2=: cho giá trị b1và b2 bằng nhau và bằng một số nhân với bề dầy cánh Cho hệ số tại ô nhập liệu (hình dưới bên trái)

•  Simple bending, N=0: có đánh dấu, uốn đơn

• Hình dưới minh họa các lực và mô men giảm tải tại trọng tâm của tiết diện dầm

chữ T có tấm sàn bên trên

IV.2.1.2 Kh ởi động chương trình tính toán cốt thép yêu cầu

cho c ột và dầm trong kết cấu

1 Ra lệnh bằng một trong các cách sau:

• Trình đơn: Design  Required Reinforcement of RC Beams/Columns

(hình dưới bên trái)

• Tại Layout: RC Design  RC member - rquired Reinf (hình dưới bên phải)

2 Màn hình hiện ra để chọn tiêu chuẩn và tính toán

3 Trong này gồm hộp thoại chọn loại tải để tính toán, bảng thống kê các thanh, bảng thống kê thép (chưa có kết quả)

4 Có thể tiến hành tính toán ngay bằng cách chọn tham biến tại hộp thoại tính toán như hình dưới

5 Nếu muốn thay đổi thông số tính toán, nghiên cứu các thông số tính toán tại các mục dưới đây

IV.2.1.3 Ch ọn thông số tính toán bê tông cốt thép cho thành

viên k ết cấu

Nếu không muốn thay đổi thông số tính toán, giữ nguyên theo qui phạm đã chọn thì không phải làm các bước này

1 Nhấn nút tại thanh Structure Model (thường nằm tận cùng bên phải màn hình)

2 Hộp thoại hiện ra

3 Tại đây có một thiết lập thông số mặc định là standard Nếu dùng thiết lập này, nhấn đánh dấu như hình dưới bên trái

IV.2.1.4 Thay đổi thông số cho thiết lập

1 Muốn biết thiết lập này gồm những tham số nào, nháy đúp chuột vào tên thiết lập, hộp thoại tiếp theo hiện ra (hình dưới bên phải)

2 Có thể thay đổi các giá trị tại đây Các thông số được trình bày tại phần “Tạo thiết lập

tính toán BTCT” bên dưới

3 Có thể tạo thiết lập mới như trình bầy dưới đây

IV.2.1.5 T ạo thiết lập tính toán BTCT mới

1 Tại hộp thoại Calculation Parameters, nhấn nút

2 Hộp thoại như trên hiện ra Mỗi qui phạm có các thông số khác nhau Tôi trình bày theo qui phạm SNiP 2.03.01-84 và ACI 318-08 thành hai mục nhỏ dưới đây Tất nhiên, chúng ta chỉ được chọn một trong các qui phạm để thiết kế

IV.2.1.5.1 Thiết lập theo qui phạm SNiP 2.03.01-84

1 Parameter set: tên thiết lập, mặc định là set1, có thể gõ tê n khác ví dụ TCVN-95

như hình dưới

2 General: thông s ố chung gồm:

• Concete: bê tông, có các thông số:

o As in a structure model : có đánh dấu, các thông số này như đã thiết lập trong mô hình kết cấu Ví dụ lúc tạo tiết diện dầm đã thiết lập thông số này

rồi Nếu không đánh dấu, có thể chọn lại các thông số dưới đây

o Material: vật liệu Tại đây hiện ra qui phạm vật liệu đã chọn khi tạo tiêu chuẩn thiết kế

o Name: tên vật liệu Vật liệu này nếu tại khi tạo tiêu chuẩn và chọn qui phạm

đã đã chọn vật liệu thì tên đó hiện tại đây

 Có thể nhấn chọn tên vật liệu tại bảng bật liệu của qui phạm đã chọn (trong ví dụ này là Rusian- Nga) Khi đó giá trị Unit weight cập nhật theo tên vật liệu đã chọn

o Unit weight: trọng lượng riêng

o Concete type: kiểu bê tông (hình trên bên phải) Nhấn nút, chọn:

 heavyweight: bê tông nặng

 fine-graned A: bê tông hạt mịn nhóm A

 fine-graned B: bê tông hạt mịn nhóm B

 fine-graned V: bê tông hạt mịn nhóm V

 lightweight-natural filler: bê tông nhẹ có độn

 lightweight-synthetic: bê tông nhẹ tổng hợp

 porous: bê tông rỗng

 cellular: bê tông có hốc

o Curing method: phương pháp làm khô Nhấn chọn:

 normal: bình thường

 thermal treatment: xử lý bằng nhiệt

 autoclaves: tự đông cứng

o High humidity/hydration : có đánh dấu, độ ẩm cao/ngập nước

o Concreting in layers h>1.5(m) : có đánh dấu, đổ bê tông tại lớp có chiều cao h>1.5 mét

• Reinforcement check (cracking) : có đánh dấu, có kiểm tra vết nứt

• Exposure: sự lộ sáng Nhấn chọn:

o Internal: trong nhà

o External: ngoài trời

o Ground-variable water level: dưới đất ngập nước

3 Logitudinal reinforcement: c ốt thép dọc gồm:

• Steel: thép gồm:

o Database: cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu này đã chọn khi thiết lập tiêu chuẩn thiết kế

o Grade: nhóm thép Nhấn mũi tên chọn như hình dưới Nhóm A-II có đường kính từ 10mm trở lên

o Deformed: thép hình

o Characteristic Strength: ứng suất đặc trưng Giá trị này tự động hiện ra phụ thuộc vào loại thép được chọn

• Diameters of reinforcing bars: đường kính thanh cốt thép, gồm:

o top/along b: thép lớp trên hoặc dọc theo cạnh cạnh b của tiết diện

o bottom/along h: thép lớp dưới hoặc dọc theo cạnh cạnh h của tiết diện Nhấn

nút , chọn

o  The sam diameter in both directions: có đánh dấu, đường kính thép hai

cạnh giống nhau

• Cover: lớp bê tông áo (bảo vệ) Cho các giá trị tại:

o Clear Cover: lớp bảo vệ tính từ mép thanh thép

o To axis: tính đến tim thanh thép (xem hình minh họa bên phải)

4 Transversal reinforcement: c ốt thép ngang (cốt đai) gồm: