Tính toán vách phẳng bê tông cốt thép có lỗ cửa theo mô hình thanh chống giằng (STM)

Nội dung chính của bài viết là giới thiệu phương pháp tính toán vách BTCT có lỗ cửa theo mô hình thanh chống-giằng trong ACI 318-19, mô hình này được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới nhưng lại ít được áp dụng trong thiết kế tại Việt Nam. Kết quả tính toán cốt thép được so sánh với số liệu tính theo phương pháp phần tử biên.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 13 (4V): 35–46 TÍNH TỐN VÁCH PHẲNG BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ LỖ CỬA THEO MƠ HÌNH THANH CHỐNG GIẰNG (STM) Nguyễn Minh Thua,∗, Phạm Thanh Tùng1 a Khoa Xây dựng dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 20/08/2019, Sửa xong 16/09/2019, Chấp nhận đăng 16/09/2019 Tóm tắt Vách lõi cứng bê tông cốt thép (BTCT) kết cấu chịu lực thiếu nhà cao tầng, tiêu chuẩn xây dựng hành Việt Nam chưa đề cập nhiều đến việc tính tốn loại kết cấu Hiện tại, việc tính tốn cốt thép cho vách có nhiều phương pháp phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi, phương pháp giả thiết vùng biên chịu mô men, phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác, phương pháp chống giằng (Strut-and-Tie Model) Nội dung báo giới thiệu phương pháp tính tốn vách BTCT có lỗ cửa theo mơ hình chống-giằng ACI 318-19, mơ hình sử dụng nhiều nước giới lại áp dụng thiết kế Việt Nam Kết tính tốn cốt thép so sánh với số liệu tính theo phương pháp phần tử biên Từ khoá: vách phẳng; BTCT; lỗ cửa; chống - giằng; ACI 318 CALCULATION OF REINFORCED CONCRETE SHEAR WALLS WITH OPENINGS BY STRUT-ANDTIE MODEL (STM) Abstract Reinforced concrete (RC) Shear walls and Cores are indispensable bearing structures in high-rise buildings, but up to now Vietnam’s applicable construction standards not clearly mention the calculation of those structures Currently, the calculation of reinforcement for shear walls can be implemented based on many methods such as the elastic stress distribution, the method of assuming the marginal bearing area, the interactive chart method, the Strut-and-Tie Model, etc The main content of the paper is to introduce the calculation method of reinforced concrete walls with openings according to the Strut-and-Tie Model in ACI 318-19, a new one has not been popularly applied in Vietnamese design work The obtained results are compared with the data calculated based on the method of assuming the marginal bearing area Keywords: shear wall; RC; openings; strut and tie; ACI 318 https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(4V)-04 c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu nhiều nước giới có dẫn tính tốn vách cứng bê tông cốt thép (BTCT) tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2018 [1] chưa đề cập cụ thể cách tính tốn, gây khó khăn cho việc áp dụng thực tế Việc tính tốn tác động đồng thời mômen lực cắt phức tạp khó thực hiện, tiêu chuẩn thiết kế tách riêng việc tính cốt dọc cốt đai tính tốn vách BTCT Theo Tùng cs [2], việc tính cốt thép dọc cho vách cứng tính theo ba phương pháp phổ biến sau: ∗ Tác giả Địa e-mail: nmthu511@gmail.com (Thu, N M.) 35 Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi; - Phương pháp vùng biên chịu mô men; - Phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác Tuy nhiên, tính tốn cốt thép theo phương pháp chưa phản ánh làm việc vách BTCT (coi vật liệu đàn hồi) quy trình tính tốn phức tạp (phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác) Ở phương pháp này, tính tốn thiết kế cấu kiện BTCT dựa giả thiết tiết diện phẳng q trình chịu lực, điều thích hợp cho khu vực kết cấu có trường ứng suất thay đổi cách đặn Trong thực tế, có nhiều khu vực kết cấu vách BTCT (vách có lỗ cửa ) mà trường ứng suất biến dạng có nhiễu loạn lớn làm cho việc áp dụng giả thiết biến dạng phẳng không Với phát triển mạnh mẽ máy tính, hệ thống phần mềm tính tốn kết cấu BTCT dựa phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến xây dựng nhiều thời gian gần ANSYS, ABAQUS, ATENA, midas FEA v.v Những công cụ cho phép nghiên cứu cách xác ứng xử vùng khơng liên tục kết cấu BTCT suốt trình chịu lực, trước sau nứt Khi khai thác chương trình này, sử dụng quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông nứt lý thuyết vùng nén cải tiến Cho đến nay, để nghiên cứu tỉ mỉ làm việc vùng không liên tục kết cấu BTCT sau nứt, phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến với phần mềm máy tính cơng cụ mạnh Tuy nhiên, thiết kế thực tế, phương pháp đòi hỏi nhiều thời gian cơng sức kỹ sư, chúng thích hợp cho nghiên cứu đặc biệt sử dụng để điều chỉnh phương pháp thiết kế thông thường Bởi vậy, phương pháp áp dụng phổ biến đưa vào nhiều tiêu chuẩn nước giới để thiết kế khu vực không liên tục kết cấu BTCT phương pháp sơ đồ hệ chống – giằng (STM) Phương pháp chưa ứng dụng nhiều Việt Nam Vì nội dung báo giới thiệu phương pháp tính tốn dễ vận dụng cho vách phẳng BTCT có lỗ cửa, nơi tồn trường ứng suất biến dạng nhiễu loạn, so sánh phương pháp với phương pháp thiết kế thường gặp thơng qua ví dụ tính tốn, từ rút kiến nghị ứng dụng, làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư thiết kế Tổng quan mơ hình chống – giằng 2.1 Giới thiệu phương pháp sơ đồ hệ chống-giằng Để tính tốn thiết kế kết cấu BTCT, người ta mơ hình hố dòng lực chạy chúng sơ đồ dạng giàn đơn giản [3–6] Trường ứng suất nén bê tơng có xu hướng trở thành đường thẳng bê tông nằm vết nứt chịu ứng suất nén mơ hình hố thành nén Trường ứng suất kéo cốt thép chịu mơ hình hố thành kéo Các khu vực có chuyển hướng ứng suất thể thành nút (Hình 1) Phương pháp gọi phương pháp sơ đồ hệ (SĐHT) hay “thanh chống giằng” (Strut-and-Tie model) Việc thay kết cấu cấu kiện BTCT SĐHT thực chất tìm trạng thái nội lực kết cấu để SĐHT thoả mãn điều kiện cân điều kiện cường độ Đây công cụ hữu hiệu, thừa nhận áp dụng giới để phân tích hư hỏng thiết kế kết cấu BTCT, đặc biệt khu vực chịu lực cục (khu vực không liên tục) kết cấu Nhiều tiêu chuẩn thiết kế tiên tiến giới ACI 318-19 [7], EuroCode [8], AASHTO [9], DIN 1045 [10] thức coi phương pháp SĐHT 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 qui trình thiết kế trước 36 anh nén Trường ứng suất kéo cốt thép chịu mơ hình hố thành anh kéo Các khu vực có chuyển hướng ứng suất thể thành nút Hình 1) Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Kết cấu thật sơ sơđồ đồ hệ tương tương ứng Hình 1: KếtHình cấu thật hệthanh ứng Phương pháp tắc phương sơ[7]đồ hệ (SĐHT) hay “thanh 2.2 Nguyên xâyđược dựng sơgọi đồ hệlà (theo ACIpháp 318-19) a Một lực ln(Strut-and-Tie ln tìm đường ngắnmodel) để đến gối, đường nàymột kết gọi làcấu dònghoặc lực Các ống giằng” Việc thay đithế cấu kiện dòng lực không phép giao nhau, bắt đầu kết thúc trọng tâm diện tích đặt tải diện TCT tích gối tựa.SĐHT thực chất tìm trạng thái nội lực kết cấu để b Dòng lực phải ngắn có dạng đường dòng khơng có điểm gãy Chiều dòng ĐHT thoả mãn điều kiện cân điều kiện cường độ Đây công cụ hữu lực chiều tải trọng tác dụng c Lực tập trung hướng phân bố vào bê nên dòng lựchư có độ cong lớn gần ệu, thừa nhận có ápxudụng thếđềugiới đểtơng phân tích hỏng thiết nơi đặt lực kết cấu lực cácxuấtkhu chịuhướng lựctạocục (khu d TạiBTCT, chỗđặc cong biệt dòng vực lực chuyển nên cân bằng.vực khơng liên c) 2.3 kết Trình cấu.tựNhiều tiêu chung xây dựngchuẩn sơ đồ hệ thiết kế tiên tiến giới ACI 318-19 [7] uroCode a.[8], AASHTO DIN 1045 [10] Xác định phản lực[9], gối mơ hình kết cấu tồn thể thức coi phương pháp b Phân chia kết cấu thành vùng B (vùng liên tục, trường ứng suất biến đổi đặn ĐHT phương phápgiảdùng đểcắtphân xử lýcác cấu tạoD (vùng cho không kết cấu với nhiều áp dụng lý thuyết thiết mặt phẳng tích Bernoulli) vùng liên tục, trường ứng biếnviệc đổi hỗn giảthuần thiết tiết túy diện phẳng khơngđịnh thích - Hình 2) ế mạnh thay thếsuất cho áploạn dụng qui cấuhợptạo thường thể c Xác định nội lực thiết kế sơ vùng B theo phương pháp thông thường phương ện pháp cácSĐHT qui trình thiết kế trước d Xác định rõ tất lực tác dụng lên vùng D Cần phải xét đến ứng suất biên nội tắc lực biên mặt cắt vùng(theo B vùng D 318-19)[7] Nguyên xâyở dựng sơtiếp đồgiáp hệ ACI e Kiểm tra điều kiện cân cho vùng D f Xâyln dựng SĐHT tính tốn nội lực kiểm theogối, điều kiện cườngđi độ.này ln tìm đường ngắn để tra đến đường Một lực gọi dòng 2.4 Các phương pháp xây dựngphép sơ đồ hệ thanhnhau, bắt đầu kết thúc trọng tâm c Các dòng lực khơng giao SĐHT cần bao quát dòng nội lực gần với thực tế để kết cấu thực tính tốn đủ ện tích đặt tải diện tích gối tựa Dòng xác Mơ hình STM lý tưởng mơ hình có số lượng tối thiểu Đối với số kết cấu phức tạp nên sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để xác định quỹ đạo ứng suất cho trường lực phải ngắn có dạng đường dòng khơng có điểm hợp tải trọng [11] Có ba phương pháp chính: a Xây dựng SĐHT phương pháp dòng lực Mơ hình xây dựng dựa phản ánh 3dòng lực minh hoạ ứng xử chịu lực kết cấu Các chịu kéo chịu nén đại diện cho trường ứng suất kéo nén kết cấu Các nút nơi mà nội lực ứng suất chuyển hướng neo (Hình 3) 37 gãy biên nội lực biên mặt cắt tiếp giáp vùng B vùng D e Kiểm tra điều kiện cân cho vùng D Thu, N M., Tùng,nội P T.lực / Tạpvà chí kiểm Khoa học nghệđiều Xây dựng f Xây dựng SĐHT tính tốn traCơng theo kiện cường độ TạpKhoa chí Khoa Khoa học Cơng Cơng nghệ Xây dựng dựng NUCE 2019 chí học NUCE Tạp Tạp chí học Cơng nghệnghệ Xây Xây dựng NUCE 20192019 hạn để xác xác định quỹ đạo ứng suất cho trường hợp tải trọng trọng [11] Cóphương ba phương phương để trường tải Có ba hạnhạn để xác địnhđịnh quỹquỹ đạo đạo ứngứng suấtsuất cho cho từngtừng trường hợp hợp tải trọng [11].[11] Có ba pháp chính: pháp chính: pháp chính: a Xây Xây dựng SĐHT phương pháp dòng lực: a dựng SĐHT phương a Xây dựng SĐHT bằngbằng phương pháppháp dòngdòng lực:lực: Mơ hình xây dựng dựa phản ánh dòng lực chính minh minh hoạ ứng ứng xử xử dựng lực Mơ Mơ hìnhhình xây xây dựng dựa dựa trêntrên phảnphản ánh ánh dòngdòng lực minh hoạ hoạ ứng xử chịu lực kết cấu cấu Các chịu kéo chịu chịu nénđại diện đại diện diện cho trường trường ứng suất suất đại chịuchịu lực lực của kết kết cấu CácCác chịuchịu kéo kéo chịu nén nén cho cho trường ứng ứng suất kéo nén kết cấu cấu Các nút của các thanh mà nơicác mà nội cáclực nộihoặc lực hoặc ứng suất suất Các nơi mà nội lực kéokéo hoặchoặc nénnén kết kết cấu Các nút nút nơi ứng ứng suất Hình 2.Hình Các khơng tụcvề hình học tĩnh học vùng Các vùng khơngliên liên tục hình học tĩnhvàhọc (vùng D) (vùng D) chuyển hướng neo (Hình 3) chuyển hướng (Hình chuyển hướng hoặchoặc neo neo (Hình 3) 3) 2.4 Các phương pháp xây dựng sơ đồ hệ SĐHT cần bao quát dòng nội lực gần với thực tế để kết cấu thực tính tốn đủ xác Mơ hình STM lý tưởng mơ hình có số lượng tối thiểu Đối với số kết cấu phức tạp nên sử dụng phân tích phần tử hữu (a) Sơ đồ kết cấu (b) Các dòng lực tải trọng (c) Sơ đồ hệ a) Sơ b) Các dòngdòng lực tải c) Sơc) a) Sơ đồ kết b) lực tải Sơ đồ hệ a)đồ Sơkết đồ cấu kết cấu cấu b) Các Các dòng lực củatrọng tải trọng trọng c)đồ Sơhệ đồthanh hệ thanh Hình Sử dụng phương pháp dòng lực để mơ hình hố Hình 3: Sử phương pháppháp dòngdòng lực để hố hố Hình 3: Sử phương lực để mơ Hình 3:dụng Sử dụng dụng phương pháp dòng lựcmơ đểhình mơ hình hình hố b dựng SĐHT dựadựa trên phân bố phân ứng hồi b Xây Xây dựng SĐHT phân bốsuất ứng suất đàn đàn hồi b dựng SĐHT dựa bố ứng suất b Xây Xây dựng SĐHT dựa phân bốđàn ứng suất đàn hồi hồi Quỹ đạo ứng suất kết cấu bê tơng mơ tả xác phân tích đàn hồi Mặc QuỹQuỹ đạoứng ứng suất kết cấu bêtrạng tơng cókết thể mơ xácnhưng, phânvào đạo ứng kết cấu bê tơng mô tả xác phân Quỹ đạo ứng suất kết cấu bêthái tơng cócấu thể mơ tả chính xác bằng phân dù phân bố suất nàysuất phù hợp cho trước khitả bêchính tơng nứt dựa tíchngười đànđàn hồi Mặc dùdựng bố ứng suấtsuất nàythanh hợp chocác trạng tháiứng kết cấu trước tích dù phân bố phù hợp cho trạng thái kết cấu tích đàn hồi Mặc dùphân phân bố ứng ứng suất nàyphù phù hợp cho trạng tháisuất kếtchính cấu trước trước đó, ta cóhồi thể Mặc xây SĐHT gồm hướng theo phương Vị trí chuyển hướng xácvào địnhđó, từ phân ứng suấtxây trongdựng cắt.SĐHT Cách định khicủa bêhợp tông nứt nhưng, dựa vào đó, người ta cóbố dựng đượcmặt SĐHT gồmxác bê tơng nứt nhưng, dựa người ta gồm bêlực tông nứt nhưng, dựa vào đó, người tathể có xây thể xây dựng SĐHT gồm vị trí lực chuyển hướng định hướng SĐHH dựa lý thuyết đàn hồi thể Hình hướng theotheo các phương ứngứng suấtsuất Vị trí hợp lực chuyển hướng đượcđược hướng phương Vị trí lực hướng hướng theo phương ứng suất Vịcủa trí của hợp hợp lực chuyển chuyển hướng Hình mơ tả cách vận dụng xây dựng SĐHT từ phân tích ứng suất đàn hồi Các chống xácxác địnhđịnh từ phân bố ứng suất mặtcác cắt Cách xác định vịtương trívị từ bố ứng mặt cắt Cách xác định trí lực xác định từ phân bố ứng suất mặt cắt.giằng Cách xác định vịlực trí chuyển lực chuyển (nét đứt) tương ứng vớiphân luồng ứng suấtsuất nén (màu tím), (nét liền) ứng với chuyển luồng hướng hướng SĐHH lýđặt thuyết đàntrung hồi thể trên2trên Hình chống ứng suất kéođịnh (màu xanh) CầnSĐHH chúdựa ý vị trí tập điểm giao hệ hướng định hướng dựa lý thuyết đàn hồi thể Hình hướng định hướng SĐHH dựa lýlực thuyết đànsẽ hồi thể hiện Hình giằng 38 hướng theo phương ứng suất Vị trí hợp lực chuyển hướng xác định từ phân bố ứng suất mặt cắt Cách xác định vị trí lực chuyển hướng định hướng SĐHH dựa lý thuyết đàn hồi thể Hình Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Tạp Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 Tạpchí chíKhoa Khoahọc họcCơng Cơngnghệ nghệXây Xâydựng dựngNUCE NUCE2019 2019 Tạp chí Khoa học Hình 4: Hình vận dụng xây dựng SĐHT từtừcác phân tích ứng suất Hình555dưới dướiđây đâymơ mơtả cáchvận vậndụng dụngxây xâydựng dựngSĐHT SĐHTtừ cácphân phântích tíchứng ứngsuất suất Hình mơ tảtảcách cách đàn tương ứng với luồng ứng suất nén (màu tím), đànhồi hồi.Các Cácthanh thanhchống chống(nét (nétđứt) đứt)tương tươngứng ứngvới vớiluồng luồngứng ứngsuất suấtnén nén(màu (màutím), tím),các đàn hồi Các chống (nét đứt) Hình Quỹ đạo ứng suất, phân bố ứng suất đàn hồi mặt cắt SĐHT thay giằng (nét liền) tương ứng với luồng ứng suất kéo (màu xanh) Cần ý giằng (nét liền) tương ứng với luồng ứng suất kéo (màu xanh) Cần ý ứng giằng suất, (nét liền) tươngbố ứngứng với luồng suấthồi kéoở(màu chúvà ý vịvịvị Quỹ đạo phân suấtứng đàn mặtxanh) cắt Cần SĐHT trí hệ chống giằng tríđặt đặtlực lựctập tậptrung trungsẽ sẽlà điểmgiao giaocủa của222hệ hệthanh thanhchống chốngvà vàgiằng giằng trí đặt lực tập trung làlàđiểm điểm giao thay (a) Sơ đồ hình học (a)(a) Sơđồ đồhình hình học (a) Sơ học Sơ đồ hình học (b) phân (b)Quỹ Quỹ đạo phân bốứng ứngsuất suất đạo phân bố ứng suất (b)đạo Quỹ đạobố phân bố ứng suất SĐHT thay SĐHT thay b)b) SĐHT thay (c)b) SĐHT thay Hình 5: Sơ đồ hình học, quỹ Hình5: 5:Sơ Sơđồ đồhình hìnhhọc, học,quỹ quỹđạo đạophân phânbố bốứng ứngsuất suấtđàn đànhồi hồivà vàSĐHT SĐHTthay thaythế Hình đạo phân bố ứng suất đàn hồi SĐHT thay Xây dựng SĐHT dựa SĐHT mẫu: Hình 5.SĐHT Sơ đồ hình học, quỹ đạo phân bố ứng suất đàn hồi SĐHT thay c.Xây Xây dựng SĐHT dựatrên trêncác cácSĐHT SĐHT mẫu: c.c dựng dựa mẫu: Trong thực tếtếtính tính tốn, Trongthực thựctế tínhtốn, tốn,một mộtsố sốSĐHT SĐHTtiêu tiêubiểu biểuxuất xuấthiện hiệnlặp lặpđiđiđilặp lặplại lạitrong Trong số SĐHT tiêu biểu xuất lặp lặp lại nhiều trường hợp tổ hợp khác nhau, nhiều trường hợp vàcác tổhợp hợpkhác khác nhau,thậm thậmchí chítrong trongnhững nhữngkết kếtcấu cấurất rấtkhác khácbiệt biệt.Lý Lý nhiều trường hợp tổ nhau, chí kết cấu khác biệt Lý c Xây dựng SĐHT dựa SĐHT mẫu có số lượng hạn chế vùng không liên tục có dòng ứng suất thực dolàlàtế cómột mộtsố số lượng rấthạn hạntiêu chếcác cácvùng vùng khônglặp liên tục có dòng ứng suấttrường thực hợp có lượng chế liên suất thực Trong thực tính tốn, số SĐHT biểu xuấtkhơng đitục lặpcó lạidòng trongứng nhiều khác Khi nắm rõ đặc điểm làm việc thực tế kết cấu, người kỹ sư khác Khi nắm rõ đặc điểm làm việc thực tế kết cấu, người kỹ sư hạn khác Khi nắm rõ đặc điểm làm việc thực tế kết cấu, người kỹ sư tổ hợp khác nhau, chí kết cấu khác biệt Lý có số lượng vận dụng mơ hình chuẩn thiết kế vậnkhơng dụngcác mơ hình chuẩnứng thiết kếcủa củakhác vận dụng hình thiết kế chế vùng liênmơ tục có chuẩn dòng suất thực Khi nắm rõ đặc điểm làm việc thực 2.5 Tính tốn nội lực đồ tế kết 2.5 cấu, người kỹ nội sư vận mơsơ hình chuẩn thiết kế 2.5.Tính Tínhtốn tốn nộicó lựcthể cácdụng sơ đồhệ hệthanh lực sơ đồ hệ Nội lực SĐHT Nộilực lựccác cácthanh thanhcủa củaSĐHT SĐHTđược đượcxác xácđịnh địnhtheo theocách cáchthức thứcgiải giảibài bàitoán toángiàn giàn Nội xác định theo cách thức giải tốn giàn thơng thường Người thiết kế thêm nhiều nén xiên cần thiết vào sơ đồ thơngthường thường.Người Ngườithiết thiếtkế kếcó cóthể thểthêm thêmnhiều nhiềuthanh thanhnén nénxiên xiêncần cầnthiết thiếtvào vàosơ sơđồ đồđể để thơng để khơng biến dạng hình học Việc sử dụng SĐHT siêu tĩnh đơi thích hợp khơng biến dạng hình học Việc sử dụng SĐHT siêu tĩnh đơi thích hợp khơng biến dạng hình học Việc sử dụng SĐHT siêu tĩnh đơi thích hợp cho nghiên cứu dòng ứng suất thực tế 39 cần giả định tương quan độ cứng phân chonghiên nghiêncứu cứudòng dòngứng ứngsuất suấtthực thựctếtếvà vàcần cầngiả giảđịnh địnhtương tươngquan quanđộ độcứng cứngvà vàsự sựphân phân cho phối lực phốilực lựcgiữa giữacác cácthanh phối 2.6 Các yêu cầu chính: 2.6.Các Cácyêu yêucầu cầuchính: chính: 2.6 a Hệ phải ổn định, đảm bảo đáp ứng tải trọng tải trọng thân Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 2.5 Tính tốn nội lực sơ đồ hệ Nội lực SĐHT xác định theo cách thức giải tốn giàn thơng thường Người thiết kế thêm nhiều nén xiên cần thiết vào sơ đồ để không biến dạng hình học Việc sử dụng SĐHT siêu tĩnh đơi thích hợp cho nghiên cứu dòng ứng suất thực tế cần giả định tương quan độ cứng phân phối lực 2.6 Các yêu cầu a Hệ phải ổn định, đảm bảo đáp ứng tải trọng tải trọng thân tổ hợp tải trọng yêu cầu (bao gồm hệ số tải trọng) b Sức kháng chống, giằng vùng nút phải lớn nội lực thành phần tương ứng c Các chống khơng bố trí cắt ngang qua vết nứt, không phép giao trùm lên chống khác Bề rộng chống lựa chọn để đáp ứng nội lực d Góc nhỏ chống giằng xác định theo tiêu chuẩn Tính tốn kiểm tra kết cấu phương pháp STM theo ACI 318-19 [6] 3.1 Khả chịu lực chống thể qua biểu thức Kích thước nén SĐHT xác định sở phù hợp cấu tạo hình học với vùng nút, có đủ khả chịu lực thay đổi thông qua giải pháp cấu tạo vùng nút thay đổi cách bố trí cốt thép Khả chịu lực chống thể qua biểu thức: Fns = fce Acs (1) Fns khả chịu lực chống, Acs diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu đầu mút chống, fce cường độ chịu nén hữu hiệu bê tông vùng chống nút tính tốn theo biểu thức sau: fce = 0, 85βc β s fc (2) β s lấy 1,0 với chống có tiết diện nhau, β s lấy 0,75 với chống có cốt thép chịu kéo ngang, β s lấy 0,4 với chống cấu kiện chịu kéo cánh chịu kéo, β s lấy giá trị 0,6 trường hợp khác 3.2 Khả chịu lực giằng (thanh kéo) Kích thước kéo xác định sở diện tích cần thiết để đủ bố trí cốt thép chịu kéo phù hợp với quy định khoảng cách thoả mãn điều kiện giới hạn ứng suất vùng nút Chỉ có thép neo đầy đủ vào vùng nút xem xét tham gia chịu lực kéo Khả chịu lực giằng xác định thông qua biểu thức: Fnt = Ats fy + Atp ∆ f p (3) Fnt cường độ giằng, Ats diện tích cốt thép giằng chịu kéo, Atp diện tích thép ứng suất trước giằng, ∆ f p số gia ứng suất căng thép tính theo tải trọng tiêu chuẩn, ∆ f p không vượt ( f py − f se ) với f py cường độ thép căng ứng suất trước, f se ứng suất hữu hiệu thép căng ứng suất trước (sau tổn hao căng thép) 40 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019 Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Fnt (4) = t , maxcác Chiều cao hữu hiệu vùng bê tôngwneo chịu kéo: F f b nt (4) ce s wt ,max = Fsnt f b wt,max = cechống (4) bs chiều rộng tính tốn fce b s chịu nén mơ hình giàn ảo bs chiều rộng tính tốn chống chịu nén mơ hình giàn ảo Nếu cácb thép chịu kéo nằm lớp chiều cao wt, max lấy s chiều rộng tính tốn chống chịu nén mơ hình giàn ảo Nếu Nếu thép chịu kéo nằm chiều cao wt, max lấy đường théplớp cộng với hai lớplớp bảo thép thép chịukính kéo nằm chiều caolần wt,max có thểvệ lấycốt đường kính thép cộng đường kính thép cộng với hai lần lớp bảo vệ cốt thép với hai lần lớp bảo vệ cốt thép 3.3 Khả chịu lực vùng nút: 3.3 Khả chịu lực vùng nút: 3.3 Khả chịu lực vùng nút (5) Fnn = f ce Anz (5) Fnn = f ce Anz fce Anzở vùng nút, Anz diện tích mặt (5) khả chịu lực củaFmột nn = mặt đó: Fnn đó: Fnn khả chịu lực mặt vùng nút, Anz diện tích mặt hoặcđó tiếtFdiện vùngnăng nút,chịu fce độmặt chịuở nén củadiện bê tích tơngmột mặt nút: tiết diện lựccường vùnghữu nút,hiệu Anz nn khả tiết diện vùng nút, f cường độ chịu nén hữu hiệu bê tông nút: vùng nút, fce cường độ chịucenén hữu hiệu bê tông nút: (6) f ce = 0,85 c  n f c'' (6) (6) ffcece = ccβnnf f c = 00,,85 85β c βn= 1,0 với vùng nút giới hạn chống ứng suất bề mặt khác, đó βn =βn1,0 với với vùng nút nút giới giới hạn chốngchống ứngvàsuất mặtbề khác, = 0,8 với = 1,0 vùng hạncác bởithanh ứngbềsuất mặtβnkhác, βn= 0,8 vớineo vùng nút cógiằng, neo giằng, β 0,6 với vùng nút có neo hai n= vùng nút có β = 0,6 với vùng nút có neo hai giằng trở lên (Hình 6) n βn= 0,8 với vùng nút có neo giằng, βn= 0,6 với vùng nút có neo hai giằng giằngtrởtrởlên lên(Hình (Hình6)6) Chiều dài dàineo neothép thép Chiều Chiều Chiềudài dàineo neothép thép (a) Bốlớp trí lớp cốt thép Bốtrítrí lớp cốt thép (a)(a)Bố cốt thép (b) trí trí nhiều lớp cốt thép lớp cốt (b)BốBố trí nhiều nhiều lớp cốtthép thép HìnhHình Kiểm tratra điều tạivùng vùngnútnút Hình 6:6:Kiểm tra nút Kiểm cácđiều điều kiện kiện 3.4.Điều Điềukiện kiệnchịu chịulực lựctại tạinút nút 3.4 3.4 Điều kiện chịu lực nút Fnn  F Fus F nn us (7) (7) trongđó: đó:Fnn Fnnlàlàkhả khảnăng năngchịu chịulực lực củaφF thanh≥ chống chống thanh giằng giằng hoặcvùng vùngnút, nút, (7) Fus nn F lực dọc tác dụng chống giằng nút,  hệ số giảm độ us Fus làđólực tácnăng dụngchịu lực hoặc thanhthanh giằng nút,  lànút, hệFsố giảm độ tác Fnndọc khả chống chống giằng vùng lực dọc us bền có giá trị 0,75 dụng bền có giá trịchống 0,75.thanh giằng nút, φ hệ số giảm độ bền có giá trị 0,75 Vậndụng dụngtính tínhtốn tốn 4.4.Vận Vận dụng tính tốn Trong phạm vi báo xét đến tính tốn vách phẳng BTCT có lỗ cửa để Trong phạm bàichỉbáo tính xét tốn đến vách tính phẳng tốn vách BTCT có lỗcứu cửa đểhiệu Trong phạm vi bàivibáo xét đến BTCTphẳng lỗ cửa nghiên nghiên cứu tính hiệu phương pháp chống –có giằng tạiđểnhững vùngtính có nghiên cứu tính hiệu quảchống phương pháp giằng tạiloạn có hóa phương pháp – giằng vùngchống có ứng–suất nhiễu Để vùng đơn giản ứng suất nhiễu loạn Để đơn giản hóa tính tốn ta coi vách liên kết khớp pháp với móng Ví tính tốn ta coi vách liên kết khớp với móng Ví dụ tính tốn theo phương chống ứng suất nhiễu loạn Để đơn giản hóa tính tốn ta coi vách liên kết khớp với móng Ví – dụ đượcACI tính318-19, tốn theo phương pháptính chống – giằng sau giằng sauphương thựcpháp tốnchống có so sánh kết tínhACI theo318-19, phương pháp dụ tính tốn theo – giằng ACI 318-19, sau đàn hồi 41 8 b Lựa chọn sơ đồ hệ dựa phân bố ứng suất đàn hồi c Tính lực giàn (lực nén chống xiên, lực kéo giằng) kích thước giàn, vẽ mơ hình chống - giằng theo tỷ lệ Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng d Từ lực tính tốn giằng, tính tốn, chọn bố trí cốt thép cho vách 4.1 Quy trình tính tốn e Kiểm tra điều kiện vùng nút vùng a nút Xácmở định kích hìnhcốthọc vách, rộng, tínhthước tốn neo thép kiểm tra điều kiện ép mặt tải trọng gối đỡ.4.2 Vận dụng b Lựa chọn hệ phân Thiếtsơkếđồvách phẳngdựa BTCT kích thước bố ứng9x3,8m, suất đànbề hồi rộng 0,2m, có hai lỗ cửa, chịu tải c Tính lực giàn trọng đứng vàtrong ngang Tấm ép (lực mặt nén dướitrong tải trọng chống xiên, lực kéo giằng) có kích thước 0,4 x 0,4m, ép mặt gối đỡ kích thước giàn, vẽ mơ hình chống có kích thước 0,4 x 0,6m Bê tơng có cường độ - giằng theo tỷ lệ f’c lực = 25MPa, cường độ tính fy = tốn, 365MPa d Từ tính tốnthép trongcóthanh giằng, (Hình 7) chọn bố trí cốt thép cho vách e Kiểm tra điều kiện vùng nút vùng nút mở rộng, tính tốn neo cốt thép 4.2 Vận dụng Thiết kế vách phẳng BTCT kích thước 9×3,8 m, bề rộng 0,2 m, có hai lỗ cửa, chịu tải trọng đứng ngang Tấm ép mặt tải trọng có kích thước 0,4×0,4 m, ép mặt gối đỡ có Hình Sơ đồ hình học mơ hình kết cấu cho kích thước 0,4×0,6 m Bê tơng có cường độ fc = váchmơ phẳng haicấu lỗ cửa Hình 7: Sơ đồ hình học hìnhcókết cho 25 MPa, thép có cường độ fy = 365 MPa (Hình 7) vách phẳng có hai lỗ cửa a Tính tốn theo phương pháp chống – giằng a Tính tốn theo phương pháp chống –giằng Xây dựng sơ đồ hệ dựa phân tích ứng suất đàn hồi: sau mơ hình hóa kết cấu Xây dựng sơtađồthấy hệ dựanén trênxuất phânhiện tíchphần ứng lớn suấttại đànvịhồi: saulực khi(vị mơtríhình phần mềm PTHH Etab, ứng suất trí đặt đặt tải trọng cấu phần PTHH ta thấy ứngđược suất xây nén dựng xuất phần bố vị ứng suất đứng),hóa ứngkết suất kéo xuất hiệnmềm mép củaEtab, lỗ cửa SĐHT từ biểu đồlớn phân trí đặt 8(a)) lực (vịCác trí đặt tải chống trọng đứng), ứngtương suất kéo mép lỗ cửa SĐHTgiằng (nét (Hình (nét đứt) ứngxuất với luồng ứng suất nén, liền) tương luồng ứngđồ suất kéobố (Hình Kết tính8a) toán nộithanh lực ứng xây với dựng từ biểu phân ứng 8(b)) suất (Hình Các chốngcác (nétthanh giàn thể Hình đứt) tương ứng với luồng ứng suất nén, giằng (nét liền) tương ứng với luồng Bềứng rộngsuất ta tính cách cân lực nén chống theo công thức (1), kéo chống (Hình 8b) diện tích tiết diện giằng tính theo (3), kết tổng hợp Bảng có kể đến (7) Bề rộng hiệu chống thể Hình 9(a) Kết tính thép cho giằng thể Bảng Diện tích cốt thép cấu tạo là: A s ≥ 0,003×20×30 = 1,8 cm2 Vậy ta chọn thép cấu tạo ∅12a300 theo phương Kiểm tra ứng suất vùng nút neo cốt thép thể Hình 10 Khả chịu lực tác dụng nút theo công thức (6): fce A = 0,85βc βn fc A = 6324 KN Kiểm tra điều kiện chịu lực nút theo công thức (7): Fus = 1275 ≤ 0,75 fcu An = 4743 KN Vậy điều kiện chịu lực nút đảm bảo 42 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 chí Khoa Xây học dựngCơng NUCE 2019 Thu,Tạp N M., Tùng, học P T.Công / Tạp nghệ chí Khoa nghệ Xây dựng Tạp chíTạp Khoa Cơng 2019 2019 chíhọc Khoa họcnghệ CơngXây nghệdựng XâyNUCE dựng NUCE a) Ứng suất phân bố vách (b) Sơ đồ hệ a) Ứng suất phân bố vách Sơ đồ hệ Hình 8: Ứng suất phân bố vách (b) sơ đồ hệ 8: Ứng suất đồ hệ (a) ỨngHình suất phân bố phân bố (b)vách Sơ đồvà hệ sơ Kết tính tốna)nội trong váchcác Ứnglực suất phân bố giàn vách thể Sơ (b)đồSơHình đồthanh hệ Ứng suất phân bố vách hệ Kếta)quả tính tốnchính nội lực giàn thể(b) Hình Hình Ứng suất phân bố vách sơ đồ hệ Ứngchính suất phân bố hệ Hình 8:Hình Ứng8:suất phân bố vách vách sơvà đồsơhệđồthanh tínhnội toán lực giàn thể trong Kết quảKết tính tốn lựcnội giàn thể HìnhHình đây Nộilực lựctrong a)(a) Nội cácthanh thanhgiàn giàn rộng yêucầu cầu của chống (b) (b) Bề Bề rộng yêu cácthanh chống Hình Nội cácthanh giàn bề bề yêu rộng cầu chống a) Nội lực giàn (b)giàn Bề rộng chống Hình 9: Nội lựclực rộng chống Chiều dàiHình neo thép củalực giằng xácgiàn địnhvà theo 9: Nội cácđược bề công rộngthức: chống 10 a) Nội lực giàn (b) Bề rộng yêu cầu chống R s db a) Nội lực giàn Ldh = (b) Bề yêu cầu chống = 373 √ rộng Hình 9: Nội lực bề mm rộng chống 10 giàn 40 R b 43 Hình 9: Nội lực giàn bề rộng chống 10 10 Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Bảng Nội lực bề rộng yêu cầu chống Ký hiệu Nội lực chống (KN) Bề rông yêu cầu (m) Ký hiệu Nội lực chống (KN) Bề rông yêu cầu (m) AB BC BE CE CF CH EG HF HI FI EM 150 757 966 694 288 281 673 82 243 302 673 0,06 0,30 0,38 0,27 0,11 0,11 0,26 0,03 0,10 0,12 0,26 IM HK KN KL LM ND LD LP DP PM 559 133 27 250 300 271 105 58 250 1144 0,22 0,05 0,01 0,10 0,12 0,11 0,04 0,02 0,10 0,45 Bảng Kết tính tốn giằng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 Ký hiệu Nội lực giằng (KN) Diện tích thép yêu cầu (mm2 ) Bố trí cốt thép (∅, mm2 ) CD, DE 694 2535 HF 82 Fus = 1275 £ 0,75 f cu A300 n = 4743KN IL 77 281 KL 250 913 LM Vậy điều kiện chịu 300lực nút đảm bảo 1096 LD 105 384 Hình 10 Kiểm tra ứng suất nút P Hình 10: Kiểm tra ứng suất nút P Chiều dài neo thép giằng xác định theo công thức: Cốt thép vách bố trí theo Hình 11 Rs d b Ldh = = 373mm 40 Rb 44 11 Cốt thép vách bố trí theo Hình 6∅25 (2994) 2∅16 (402) 2∅16 (402) 4∅18 (1017) 6∅18 (1526) 2∅16 (402) HìnhHình 10: Kiểm tra ứng suấtsuất nút 10: Kiểm tra ứng Pnút P Chiều dài dài neo neo thépthép của giằng đượcđược xác xác địnhđịnh theotheo côngcông thức:thức: Chiều giằng R3d R d b Ldh = Ldh = s b s= 373 = mm 373mm 40 40 Rb Rb Thu, N M., Tùng, P / theo Tạp chí Khoa họcdưới Công nghệ Xây dựng CốtCốt thép váchvách đượcđược bốT.trí Hình 11 thép bố trí theo Hình 11 12 12 (a) Bố trí thép theo mơ hình STM (b) Bố trí thép theo mơ hình đàn hồi Hình 11 Bố trí cốt thép cho vách theo mơ hình chống giằng mơ hình đàn hồi (giả thiết vùng biên chịu mơ men) b Tính tốn theo phương pháp giả thiết vùng biên chịu mơ men ACI-318 Phương pháp giả thiết cốt thép đặt vùng biên hai đầu vách thiết kế để chịu tồn mơ men, lực dọc trục phân bố toàn chiều dài vách, ứng suất kéo cốt thép chịu, ứng suất nén cốt thép bê tơng chịu Nội lực tính tốn vách N = 1200 KN; M x = 1920 KNm Chọn Bl = Br = 0,7m −→ Ab = 0,7×0,2 = 0,14 m2 A = 3,8×0,2 = 0,76 m2 Lực nén vùng biên: N Mx Pl,r = Ab ± −→ Pr = 840 KN, Pl < A (L − 0,5Bl − 0,5Br ) Bỏ qua uốn dọc, ta có diện tích cốt thép chịu kéo cốt thép ngang: A s = Pr − f c Ab < 0, R sc N − Ab f c < −→ Cốt thép ngang tính tốn đặt theo cấu tạo Bố trí cốt thép cho vách R sc thể Hình 11(b) A st = c Nhận xét - Tính tốn cốt thép dọc theo hai phương pháp kết tương đối giống nhau, dễ áp dụng thiết kế, quy trình tính tốn khơng q phức tạp Tuy nhiên việc tính tốn theo phương pháp giả thiết vùng biên chịu mô men phương pháp tính tốn đàn hồi khơng xét đến ảnh hưởng vị trí lỗ cửa mà cấu tạo thép tăng cường vị trí mép lỗ cửa (vùng D) theo sơ đồ chống – giằng có tính tốn cụ thể vùng không liên tục - Trong phạm vi báo, tác giả đưa trường hợp tải trọng để minh họa cách tính sơ đồ hệ thanh, thực tế thiết kế, người thiết kế nên chọn trường hợp cho nguy hiểm để tính tốn cốt thép sau thực tốn kiểm tra cho trường hợp lại Nếu khơng đảm bảo bổ sung cốt thép tính lại cho trường hợp bị cho nguy hiểm 45 Thu, N M., Tùng, P T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Tính tốn theo mơ hình chống - giằng ứng suất kéo khơng thay đổi suốt chiều dài giằng, cốt thép cần neo đầy đủ vào gối theo quy định Kết luận - Việc sử dụng mô hình chống - giằng (giàn ảo) để thiết kế vùng D cấu kiện BTCT nước tiên tiến giới áp dụng, dần đưa hệ thống tiêu chuẩn cách hoàn thiện - Phương pháp chống-giằng đưa hình ảnh trực quan, tổng thể bố trí cốt thép, phù hợp với phân bố ứng suất kết cấu phản ánh làm việc thực tế kết cấu Người kỹ sư tính tốn thép vị trí kết cấu, vị trí mà thiết kế theo phương pháp thơng thường đặt thép theo kinh nghiệm riêng người kỹ sư - Bài báo trình bày ví dụ tính tốn đơn giản với mục đích vận dụng phương pháp chống – giằng vào thiết kế vách phẳng, lựa chọn sơ đồ hệ dựa phân tích ứng suất đàn hồi Trong thực tế thiết kế, toán cần xét đến trường hợp tải trọng khác cần tối ưu hóa nhằm tìm mơ hình giàn tốt cho tốn thiết kế vách có lỗ cửa để đưa SĐHT mẫu Tài liệu tham khảo [1] TCVN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Bộ Xây dựng [2] Tùng, V M., Trung, N T (2008) Một số phương pháp tính cốt thép cho vách phẳng bê tông cốt thép Đại học Xây dựng [3] Fu, C C (2001) The Strut-and-Tie models of concrete structures Presented to The Maryland State Highway Administration [4] Tuân, T M (2003) Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-2002 Nhà xuất Xây dựng [5] Trung, N V (2000) Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép đại theo tiêu chuẩn ACI Nhà xuất Giao thông vận tải [6] Ngọc, T C T (2012) Mơ hình giàn ảo cho nút khung bê tông cốt thép tác động tải trọng động đất Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 6(4):52–58 [7] ACI 318-19 (2019) Building code requirements for structural concrete (318-19) and commentary (318R19) American Concrete Institute, Farmington- Hills, Michigan [8] EN1992-1-1:2004 Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings European Committee for Standardization (CEN) [9] AASHTO (2002) Standard specifications for highway bridges American Asociation of State Highway and Transportation officials 2002 [10] DIN 1045-1:2008 Concrete, reinforced and prestressed concrete structures - Part 1: Design and construction German Institute for Standardisation [11] Reineck, K H., ACI International SP-208 (2002) Examples for the design of structural concrete with Strut-and-Tie mode 46 ... váchmơ phẳng haicấu lỗ cửa Hình 7: Sơ đồ hình học hìnhcókết cho 25 MPa, thép có cường độ fy = 365 MPa (Hình 7) vách phẳng có hai lỗ cửa a Tính tốn theo phương pháp chống – giằng a Tính tốn theo. .. đượcđược bốT.trí Hình 11 thép bố trí theo Hình 11 12 12 (a) Bố trí thép theo mơ hình STM (b) Bố trí thép theo mơ hình đàn hồi Hình 11 Bố trí cốt thép cho vách theo mơ hình chống giằng mơ hình đàn hồi... báo xét đến tính tốn vách phẳng BTCT có lỗ cửa để Trong phạm bàichỉbáo tính xét tốn đến vách tính phẳng tốn vách BTCT có lỗcứu cửa đểhiệu Trong phạm vi bàivibáo xét đến BTCTphẳng lỗ cửa nghiên