CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO (SƠ ĐỒ HỆ THANH) TRONG TÍNH TOÁN CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG: - Phương pháp sơ đồ hệ (SĐHT) hay mô hình giàn ảo công cụ hữu hiệu, thừa nhận áp dụng phạm vi toàn giới để phân tích hư hỏng thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt khu vực chịu lực cục (khu vực không liên tục) kết cấu Phương pháp này, khởi đầu từ cuối kỷ 19, nghiên cứu phát triển mạnh mẽ châu Âu Bắc Mỹ thời gian gần Nhiều tiêu chuẩn thiết kế tiên tiến giới EuroCode 2, ACI, AASHTO, DIN 1045 v.v thức coi phương pháp mô hình giàn ảo phương pháp dùng để phân tích xử lý cấu tạo cho kết cấu với nhiều mạnh thay cho việc áp dụng túy qui định cấu tạo thường thể quy trình thiết kế trước - Ở Việt nam, năm gần đây, phương pháp mô hình giàn ảo số nhà khoa học quan nghiên cứu, đào tạo tư vấn thiết kế lớn bước đầu nghiên cứu tiếp cận triển khai áp dụng Các nghiên cứu áp dụng khẳng định tính ưu việt phương pháp cần thiết việc áp dụng thiết kế kết cấu bê tông cốt thép Phương pháp thừa nhận lần đầu tiên, vào năm 2001, thức đưa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-01 cập nhật vào năm 2005 Mặc dù vậy, thực tế, phương pháp mô hình giàn ảo chưa áp dụng thiết kế lý sau đây: - Phương pháp mô hình giàn ảo giới thiệu cách tổng quan qua số tài liệu tạp chí chuyên ngành sách tham khảo nên chưa phổ biến rộng rãi Chỉ có số chuyên gia đầu ngành nắm chất phương pháp Các kỹ sư thiết kế, có biết đến thừa nhận phương pháp chưa trang bị đủ sở lý luận nên chưa đủ khả áp dụng - Nội dung phương pháp mô hình giàn ảo trình bày tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05 (kể phần giải thích) tương đối ngắn gọn đơn giản Trong hoàn cảnh chưa đủ tài liệu phổ biến phương pháp này, thực tế, tiêu chuẩn khó áp dụng Theo kinh nghiệm, giới thiệu hay áp dụng phương pháp mới, tiêu chuẩn tiên tiến giới thường kèm theo tài liệu hướng dẫn áp dụng chi tiết - Hiện tại, hầu hết khu vực chịu lực cục kết cấu cầu bê tông cốt thép tính toán xử lý cấu tạo công cụ truyền thống phương pháp mặt cắt, công thức kinh nghiệm, qui định cấu tạo hay thiết kế mẫu, v.v Sự hiểu biết kỹ sư ứng xử phận kết cấu hạn chế Đây lý làm cho giải pháp thiết kế chưa hợp lý, dẫn đến nhiều cố kết cấu (nhất nứt Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT lớn) buộc phải xử lý tốn Khu vực neo cáp dự ứng lực, cáp treo khu vực đầu dầm, khu vực gối cầu phận kết cấu có nhiều hư hỏng loại Ngược lai, nhiều trường hợp, kết cấu khối lớn móng cọc chẳng hạn, việc bố trí vật liệu lại lãng phí Trong đó, phương pháp mô hình giàn ảo, vốn coi công cụ mạnh, đặc biệt thích hợp cho việc tính toán xử lý cấu tạo khu vực chịu lực cục kết cấu bê tông cốt thép lại chưa phổ biến rộng rãi MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẦU 272-05 (MÔ HÌNH GIẰNG VÀ CHỐNG): 2.1 Mô hình chống-và-giằng ( Mô hình giàn ảo) 2.1.1 Tổng quát Khi kiểm toán trạng thái giới hạn cường độ đặc biệt, dùng mô hình chống giằng để xác định nội lực gần gối điểm có đặt lực tập trung Mô hình chống-và-giằng cần xem xét thiết kế đế móng dày bệ cọc trường hợp khác mà khoảng cách điểm đặt lực phản lực gối nhỏ khoảng lần bề dày cấu kiện 2.2.2 Mô hình hóa kết cấu Một kết cấu cấu kiện hay vùng kết cấu mô hình hoá tổ hợp giằng thép chịu kéo chống bê tông chịu nén nối với nút để tạo thành kết cấu giàn ảo có khả chịu tất lực đặt vào truyền tới gối Chiều rộng yêu cầu chịu nén chịu kéo xem xét xác định yếu tố hình học giàn ảo Sức kháng tính toán, Pr , chịu kéo nén coi cấu kiện chịu lực dọc trục : Pr = ϕ Pn (5.6.3.2-1) : Pn = cường độ danh định chống nén giằng kéo (N) ϕ = hệ số sức kháng cho trường hợp chịu kéo nén quy định Điều 5.5.4.2 Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT lấy cách tương ứng 2.2.3 Định kích thước chống chịu nén 5.6.3.3.1 Cường độ chịu nén không cốt thép Sức kháng danh định chịu nén không cốt thép lấy sau : Pn = fcu A cs (5.6.3.3.1-1) : Pn = sức kháng danh định chịu nén (N) fcu = ứng suất chịu nén giới hạn quy định Điều 5.6.3.3.3 (MPa) Acs = diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu chịu nén quy định Điều 5.6.3.3.2 (mm2) 2.2.4 Diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu chịu nén Giá trị Acs phải xác định với xem xét khả diện tích bê tông điều kiện đầu chống, biểu thị Hình Khi đầu chống neo cốt thép phạm vi bê tông hữu hiệu mở rộng thêm khoảng lần đường kính cốt thép tính từ cốt thép neo, biểu thị Hình 1(a) a) Thanh chống neo cốt thép Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT b) Thanh chống neo gối cốt thép c) Thanh chống neo gối chống Hình 1: Ảnh hưởng điều kiện neo đến diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu chống 2.2.5 Ứng suất nén giới hạn chống Ứng suất chịu nén giới hạn fcu phải lấy sau : f cu = f c′ ≤ 0,85f c′ 0,8 + 170 ∈1 đó: ε1 = (εs + 0.002) cotg2αs : αs = góc nhỏ chịu nén chịu kéo liền kề (độ) εs = biến dạng kéo bê tông theo hướng giằng chịu kéo (mm/mm) f c′ = cường độ chịu nén quy định (MPa) 5.6.3.3.4 Thanh chống có cốt thép Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT Nếu nén có cốt thép bố trí song song với trục cấu tạo để chịu nén tới giới hạn chảy sức kháng danh định nén tính sau : Pn = fcuAcs+ fyAss : Ass = diện tích mặt cắt cốt thép chống (mm2) 2.2.6 Định kích thước giằng chịu kéo 2.2.6.1 Cường độ giằng Cốt thép kéo phải neo vào vùng nút với chiều dài neo quy định móc neo neo học Lực kéo phải phát triển mặt vùng nút Sức kháng danh định giằng chịu kéo phải lấy : Pn = fyAst + Aps [fpe + fy] (5.6.3.4.1-1) đây: Ast = tổng diện tích cốt thép dọc thường giằng (mm2) Aps = diện tích thép dự ứng lực(mm2) fy = cường độ chảy cốt thép dọc thường (MPa) fpe = ứng suất thép dự ứng lực tạo dự ứng lực, xét mát (MPa) 5.6.3.4.2 Neo giằng Cốt thép giằng chịu kéo phải neo để truyền lực kéo đến vùng nút giàn phù hợp với yêu cầu phát triển cốt thép quy định Điều 5.11 2.2.6.2 Định kích thước vùng nút Trừ có bố trí cốt thép đai tác dụng chúng minh qua tính toán hay thực nghiệm, ứng suất nén bê tông vùng nút không vượt trị số sau : • Đối với vùng nút bao chịu nén mặt gối : ′ 0,85 ϕ fc • Đối với vùng nút neo chịu kéo hướng : 0,75 ϕ fc′ Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT • Đối với vùng nút neo chịu kéo nhiều hướng : ′ 0,65 ϕ fc : ϕ = hệ số sức kháng chịu lực ép mặt bê tông quy định Điều 5.5.4.2 Cốt thép chịu kéo phải bố trí toàn diện tích hữu hiệu bê tông lực chịu kéo chia cho ứng suất giới hạn quy định Ngoài việc thoả mãn tiêu chuẩn cường độ chịu lực cho chịu kéo nén, vùng nút phải thiết kế theo ứng suất giới hạn vùng neo quy định Điều 5.6.3.4.1 5.6.3.4.2 Ứng suất ép mặt vùng nút phát sinh lực tập trung hay phản lực phải thoả mãn điều kiện quy định Điều 5.7.5 2.2.6.3 Cốt thép khống chế nứt Các kết cấu cấu kiện vùng cục nó, trừ phần đế móng, thiết kế theo quy định Điều 5.6.3, phải có mạng lưới cốt thép trực giao gần bề mặt Khoảng cách không vượt 300 mm Tỷ lệ diện tích cốt thép so với diện tích mặt cắt nguyên bê tông không nhỏ 0,003 theo chiều Cốt thép khống chế nứt bố trí vùng chịu kéo coi phần cốt thép chịu kéo MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÙNG CHUNG: 3.1 Tổng quát Dòng lực vùng neo làm cho gần mô hình chống-và-giằng quy định Điều 5.6.3 Tất lực tác động lên vùng neo phải xét đến lựa chọn mô hình chốngvà-giằng, chúng cần theo đường tải trọng từ neo đến cuối vùng neo 3.2 Các nút Các vùng cục thoả mãn yêu cầu Điều 5.10.9.7 coi cấu tạo đắn nút đầy đủ Các nút khác vùng neo coi đầy đủ Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT ứng suất bê tông hữu hiệu trọng chống thoả mãn yêu cầu Điều 5.10.9.4.3 giằng kéo cấu tạo để phát triển cường độ chảy đầy đủ cốt thép 3.3 Các chống Ứng suất nén tính toán không vượt giới hạn quy định Trong vùng neo, mặt cắt nguy hiểm chống chịu nén thường lấy chỗ giao cắt với nút vùng cục Nếu thiết bị neo đặc biệt dùng, mặt cắt nguy hiểm chống lấy mặt cắt mà kéo dài cắt trục bó thép độ sâu giá trị nhỏ chiều sâu cốt thép kiềm chế cục kích thước ngang thiết bị neo Với phận mỏng, kích thước chống theo chiều dày phận lấy gần giả thiết chiều dày chống chịu nén thay đổi tuyến tính từ kích thước ngang theo chiều ngang neo bề mặt bê tông đến tổng chiều dày mặt cắt độ sâu chiều dày mặt cắt Các ứng suất nén cần giả định tác động song song với trục chống phân bố mặt cắt ngang 3.4 Các giằng Các giằng gồm có thép không dự ứng lực thép dự ứng lực phải chịu toàn lực kéo Các giằng phải kéo qua nút để phát triển lực kéo đầy đủ nút Sơ đồ cốt thép phải theo sát đường lực thực tế giằng giả định mô hình chống-và-giằng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: - Phương pháp mô hình giàn ảo thừa nhận áp dựng toàn giới Tại Việt Nam áp dụng vào tiêu chuẩn thiết kế cầu theo 22TCN-272-01 cập nhật 22TCN-272-05 - Cần có nhiều nghiên cứu để áp dụng cách rộng rãi mô hình vào thực tế thiết kế Việt Nam Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÝ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN CẦU BTCT - Hiện tại, hầu hết khu vực chịu lực cục kết cấu cầu bê tông cốt thép tính toán xử lý cấu tạo công cụ truyền thống phương pháp mặt cắt, công thức kinh nghiệm, qui định cấu tạo hay thiết kế mẫu, v.v Sự hiểu biết kỹ sư ứng xử phận kết cấu hạn chế Đây lý làm cho giải pháp thiết kế chưa hợp lý, dẫn đến nhiều cố kết cấu (nhất nứt lớn) buộc phải xử lý tốn Khu vực neo cáp dự ứng lực, cáp treo khu vực đầu dầm, khu vực gối cầu phận kết cấu có nhiều hư hỏng loại Vũ Đức Đại Lớp cao học cầu hầm K21-2