Xây dựng chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung vách bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ NGỌC VĂN CHÍ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG-VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ NGỌC VĂN CHÍ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG-VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD & CN Mã ngành: 85.80.201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Hồ Ngọc Văn Chí LỜI CẢM ƠN Qua trình nghiên cứu học tập thân, với giúp đỡ tận tình thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, luận văn thạc sĩ ứng dụng “Xây dựng chương trình hỗ trợ thiết kế khung-vách bê tơng cốt thép” học viên hồn thành Để có kết này, học viên xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo TS Trần Anh Thiện tận tình hướng dẫn, hỗ trợ, bảo suốt trình làm luận văn Đồng thời xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo khoa Xây dựng dân dụng công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, gia đình, bạn bè động viên để học viên hoàn thành xong luận văn Dù cố gắng để hoàn thành luận văn hạn chế thời gian, kiến thức khoa học kinh nghiệm nghiên cứu thân hạn hẹp nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Học viên mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành để học viên hoàn thiện đề tài Xin trân trọng cảm ơn! Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Học viên thực Hồ Ngọc Văn Chí XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG-VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Hồ Ngọc Văn Chí, Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 85.80.201 Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN Tóm tắt- Kết cấu khung vách sử dụng phổ biến nhà cao tầng Việt Nam Hiện nay, việc thiết kế kết cấu khung vách đa phần dùng phần mềm thương mại (Etabs, Sap2000…) để phân tích, tính tốn mơ hình, xác định nội lực, chuyển vị kết cấu; việc lọc, xử lý số liệu xuất từ phần mềm để phục vụ cho việc tính tốn thiết kế kết cấu khung- vách làm thủ công thủ cơng dễ gây nhầm lần, sai xót, nhiều thời gian cho trình thử sai thiết kế Chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung-vách bê tông cốt thép phát triển tảng ngơn ngữ lập trình VBA để tạo module tính tốn giúp cơng tác xử lý liệu nhanh chóng Chương trình kết nối liệu xuất từ phần mềm thương mại để thực tiện tính toán thiết kế cấu kiện dầm, cột vách, sau kiểm tra khả chịu lực tiết diện cách xây dựng biểu đồ tương tác mô men-lực dọc theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 ACI 318-14 Từ khóa: bê tơng cốt thép, kết cấu khung-vách, nhà cao tầng DEVELOPMENT OF A COMPUTER PROGRAM TO SUPPORT THE DESIGNOF REINFORCED CONCRETE WALL-FRAME STRUCTURES Abstract- Wall-frame structure is very commonly used in high-rise buildings in Vietnam At present, commercial structural softwares (Etabs, Sap2000 ) are used to develop structural models and determine internal forces and displacements of the structures; while the filtering and processing of data exported from the software in order to design the structures are manually done, which cause confusion, mistakes, and take a lot of time for trial and error process in design A computer program based on VBA programing language was developed in order to create modules to support data processing The program uses data exported from commercial softwares to design beams, columns and shear walls, and then check the strength capacity of these structural elements according to TCVN 5574-2012 and ACI 318-14 Key word: reinforced concrete, wall-frame structure, high-rise building MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƯƠNG 3TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG VÁCH 1.1 Tổng quan cấu tạo khung-vách 1.1.1 Kết cấu vách 1.1.2 Kết cấu khung 1.1.3 Kết cấu khung - vách 1.2 Tổng quan chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung–vách 1.2.1 Quy trình thiết kế kết cấu khung - vách 1.2.1 Chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung - vách CHƯƠNG 9XÂY DỰNG CÁC MODULE THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG-VÁCH9 2.1 Module thiết kế kết cấu dầm 2.1.1 Lý thuyết tính tốn 2.1.2 Xây dựng module tính tốn dầm 10 2.2 Module thiết kế kết cấu cột 15 2.2.1 Lý thuyết tính tốn cốt thép dọc 15 2.2.2 Xây dựng module tính tốn 18 2.3 Module thiết kế kết cấu vách 25 2.3.1 Lý thuyết tính tốn cốt thép dọc 25 2.3.2 Xây dựng module tính tốn vách 30 2.4 Ví dụ tính tốn kết cấu khung vách 35 2.4.1 Thiết kế dầm cơng trình 36 2.4.2 Thiết kế cột cơng trình 38 2.4.3 Thiết kế vách cơng trình 46 2.5 Kết luận chương 49 CHƯƠNG 50XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC CỘT, VÁCH 50 3.1 Xây dựng biểu đồ tương tác cột lệch tâm phẳng theo tiêu chuẩn việt nam 50 3.1.1 Lý thuyết tính tốn 50 3.1.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột theo tiêu chuẩn Việt Nam 50 3.2 Xây dựng biểu đồ tương tác cột lệch tâm xiên theo phương pháp gần theo tiêu chuẩn việt nam 5574-2012, kết hợp với kiểm tra phương pháp nghịch đảo tải trọng 51 3.2.1 Lý thuyết tính tốn 51 3.2.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột 55 3.3 Module xây dựng biểu đồ tương tác P-M cột theo tiêu chuẩn ACI 56 3.3.1 Lý thuyết tính tốn 56 3.3.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột 61 3.4 Xây dựng biểu đồ tương tác vách theo tiêu chuẩn ACI 62 3.4.1 Lý thuyết tính tốn 62 3.4.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác vách 67 3.5 Ví dụ kiểm tra biểu đồ tương tác cột, vách 70 3.5.1 Xây dựng biểu đồ tương tác cột 70 3.5.2 Xây dựng biểu đồ tương tác vách 71 3.6 Đóng gói, hồn chỉnh chương trình hỗ trợ thiết kế khung-vách bê tông cốt thép 73 3.7 Kết luận chương 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VBA TCVN Visual Basic Application Tiêu chuẩn Việt Nam f'c Cường độ chịu nén bêtông fy Giới hạn chảy cốt thép Ec Môđun đàn hồi bêtông Es Môđun đàn hồi cốt thép Bw Chiều rộng vách Lw Chiều dài vách DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng biểu Trang biểu 2.1 Bảng xét uốn dọc theo phương 17 2.2 Bảng hàm lượng cốt thép nhỏ ứng với độ mảnh cột 19 2.3 Bảng hỗ trợ lấy tổ hợp nội lực nguy hiểm tiết diện đầu- cuối cột 23 2.4 Bảng hỗ trợ lấy nội lực nguy hiểm tiết diện - đầu cuối vách 34 2.5 Kết thiết kế cột trục 2-B cơng trình 41 2.6 Kết thép vách trục 3A (vách V4STORY1) cơng trình 45 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ hình vẽ Trang 1.1 Vách cứng bê tông cốt thép 1.2 Vách cứng phẳng 1.3 Lõi cứng 1.4 Kết cấu khung - vách 1.5 Sự làm việc kết cấu khung - vách 2.1 Chọn nội lực dầm xuất từ phần mềm Etabs 12 2.2 Nội lực dầm xuất từ Etabs 13 2.3 Một phần đoạn Code VBA áp dụng xây dựng bảng tính dầm 13 2.4 Lọc lấy tổ hợp nội lực tiết diện gối nhịp dầm 14 2.5 Giao diện lựa chọn tiết diện thiết kế dầm 14 2.6 Giao diện thiết kế cốt thép dầm 15 2.7 Một phần đoạn Code VBA áp dụng xây dựng bảng tính cột 16 2.8 Cột chịu lực theo phương [3] 16 2.9 Cửa sổ xuất nội lực cột từ Etabs 21 2.1 Đoạn code VBA hỗ trợ tự dộng nhập nội lực cột vào bảng tính 21 2.11 Lấy tổ hợp nội lực nguy hiểm tiết diện đầu- cuối cột 22 2.12 Code VBA hỗ trợ lọc tổ hợp nội lực tiết diện đầu- cuối cột 24 2.13 Giao diện bảng tính thiết kế cột 25 2.14 Một phần Code VBA hỗ trợ thiết kế cốt thép cột 25 2.15 Các thành phần nội lực vách 26 2.16 Các thành phần nội lực vách 27 2.17 Xuất thành phần nội lực vách 32 2.18 Code VBA hỗ trợ tự động nhập liệu vách 33 2.19 Các tổ hợp nội lực tiết diện đầu –cuối vách 33 2.20 Giao diện thiết kế vách 35 2.21 Mặt điển hình cơng trình 36 2.22 Mơ hình khơng gian cơng trình 36 72 Hình 20 Biểu đồ tương tác vách không xét bê tông confined Số lượng vách kiểm tra biểu đồ tương tác phụ thuộc vào số lượng vách chọn xuất từ phần mềm Etabs Bước 3: Sau thiết kế cốt thép dọc, tiến hành kiểm tra khả chịu cắt vách (shear design) Bước 4: Các nút công cụ “Re-design” “Re-Input data” giúp cho việc nhập lại liệu thiết kế lại biểu đồ tương tác cho vách b Biểu đồ tương tác xét đến confined bê tông Thực tế vùng bê tông vùng biên vách bao bọc xung quanh nhiều cốt ngang, làm cho cường độ bê tơng lớn cường độ tính tốn vùng Xây dựng biểu đồ tương tác vách xét đên confined bê tông tiến hành theo bước sau: Bước 1: Thiết kế cốt thép dọc tiến hành module thiết kế vách chương theo trình tự thực nút cơng cụ bảng tính (wall forces -> Load combination-> flexural design) Bước 2: Vẽ biểu đồ tương tác không xét đến confined bê tơng 73 Hình 21 Biểu đồ tương tác vách chưa xét đến confined bê tông Bước 3: Xét đến confined bê tơng có phương pháp: SBE (stress based design element) DBE (displacement based design element) trình bày mục 3.4.1 Hình 22 Kết so sánh biểu đồ tương tác khơng xét confined xét confined 3.6 Đóng gói, hồn chỉnh chương trình hỗ trợ thiết kế khung-vách bê tơng cốt thép Các module thiết kế dầm, cột, vách; module vẽ biểu đồ tương tác cột, vách liên kết với tạo thành chương trình tổng quát có giao diện: 74 Hình 23 Giao diện chương trình hỗ trợ thiết kế khung-vách bê tơng cốt thép Chương trình bao gồm module: - “BEAMS TCVN”: module thiết kế dầm theo TCVN 5574-2012 - “COLUMNS TCVN”: module thiết kế cột theo TCVN 5574-2012 - “P-M DIAGRAM TCVN”: module vẽ biểu đồ tương tác cột theo TCVN 5574-2012 - “P-M DIAGRAM ACI”: module vẽ biểu đồ tương tác cột theo ACI 318-14 - “WALL ACI”: module thiết kế vách theo ACI 318-14 - “P-M DIAGRAM UNCONFINED”: vẽ biểu đồ tương tác vách theo ACI 318-14 - “P-M DIAGRAM CONFINED”: vẽ biểu đồ tương tác vách theo ACI 318-14 có xét đến bê tơng confined vùng biên vách Chương trình đóng gói cài đặt máy tính ứng dụng 3.7 Kết luận chương Chương xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột theo TCVN 5574-2012 ACI 318-14, biểu dồ tương tác vách theo ACI 318-14 Các phần chương trình đóng gói cài đặt để sử dụng ứng dụng máy tính 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung-vách bê tông cốt thép phát triển tảng ngơn ngữ lập trình VBA để tạo module tính tốn giúp cơng tác xử lý liệu nhanh chóng Chương trình kết nối liệu xuất từ phần mềm thương mại để thực tiện tính toán thiết kế cấu kiện dầm, cột vách, sau kiểm tra khả chịu lực tiết diện cách xây dựng biểu đồ tương tác mô men-lực dọc theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 ACI 318-14 Chương trình đóng gói cài đặt máy tính, cơng cụ tính tốn kiểm tra kết cấu khungvách bê tông cốt thép, hỗ trợ hiệu công tác thiết kế thực tế Kiến nghị Chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung-vách bê tơng cốt thép tiếp tục phát triển để giải tốn tổng qt hơn, với nhiều hình dạng tiết diện khác cho cột vách DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO *Tiếng Việt [1] TCVN 5574:2012, Kết cấu bêtông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế; [2] Phan Quang Minh - Ngô Thế Phong, Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu, Nhà xuất xây dựng Hà Nội, 2005; [3] Nguyễn Đình Cống, tính tốn tiết diện bê tông cốt thép, Nhà xuất Xây dựng Hà Nội 2006; [4] Trần Mạnh Tn, Tính tốn kết cấu bê tông bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-2012, Nhà xuất Xây dựng Hà Nội, 2003 [5] Kết cấu nhà cao tầng bêtông cốt thép – Trường ĐH Kiến Trúc Hà Nội – PGS.TS Lê Thanh Huấn – NXB xây dựng Hà Nội, 2006 [6] Phan Tự Hướng, Lập trình VBA Excel, NXB Thống kê Hà Nội, 2009 [7] Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam 229-1999 Chỉ dẫn tính tốn thành phần động tải trọng theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 76 [8] Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất Phần I- Quy định chung , tác động động đất quy định kết cấu nhà [9] Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 2737 – 1996 Tải trọng tác động [10] Phan Quang Minh - Ngơ Thế Phong - Nguyễn Đình Cống, Kết cấu bêtông cốt thép Phần cấu kiện - NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006; [11] Nguyễn Thị Ngọc Loan, Tính tốn cột chịu nén lệch tâm xiên phương pháp gần kết hợp với biểu đồ tương tác theo TCVN 5574-2012, tạp chí xây dựng số 3/2016; [12] Nguyễn Tấn Trung – Võ Mạnh Tùng, Một số phương pháp tính vách phẳng cho bê tơng cốt thép, Bộ mơn cơng trình bê tông cốt thép, đại học xây dựng Hà Nội; * Tiếng anh [13] Thien A Tran and John W Wallace, Cyclic Testing of Moderate-Aspect-Ratio Reinforced Concrete Strutural Walls, ACI Structural Journal, 112 (53), 2015 pp 653665 [14] T A Tran, C.J Motter, C Segura, J.W Wallace, Strength and Deformation Capacity of Shear Walls, 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE 2017, Santiago Chile, January 9th to 13th 2017 pp 2969 [15] ACI 318-14 Building code requirements for Structural Concrete and Commentary American Concrete Institute [16] B Alfarah, F López-Almansa and S Oller, New methodology for calculating damage variables evolution in Plastic Damage Model for RC structures, Engineering Structures, February 2017 [17] Murat Saatcioglu, and Salim R.Razvi, Strenght and ductility of confined concrete, Journal of structural Engineering, January 1992 ... 2: Xây dựng module thiết kế kết cấu khung- vách Chương 3: Xây dựng biểu đồ tương tác cột, vách Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG VÁCH 1.1 Tổng quan kết cấu khung- vách. .. cấu khung 1.1.3 Kết cấu khung - vách 1.2 Tổng quan chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung? ? ?vách 1.2.1 Quy trình thiết kế kết cấu khung - vách 1.2.1 Chương trình. .. đó, kết hợp kết cấu khung – vách giúp cho kết cấu cơng trình làm việc hài hòa khả chịu lực tốt Hình Sự làm việc kết cấu khung - vách 1.2 Tổng quan chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung? ??vách