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 Chuyên ngành: xây dựng dân dụng công nghiệp Mã số: 85.80.201 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Phản biện 1: TS NGUYỄN QUANG TÙNG Phản biện 2: TS LÊ QUANG TUẤN Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 12 tháng 10 năm 2019 Có thể tìm hiểu Luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách Khoa - Thư viện Khoa Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, dân số thành phố lớn tăng nhanh, nhu cầu chiếm lĩnh không gian sống cần thiết nay, nhiên quỹ đất có giới hạn Do để giải nhu cầu không gian sống, nâng cao hiệu sử dụng đất, cộng với phát triển khoa học cơng nghệ lĩnh vực xây dựng việc số lượng tòa nhà cao tầng tăng nhanh xu tất yếu Có nhiều sơ đồ kết cấu nhà cao tầng, kết cấu khung- vách cứng (hoặc khung-lõi) sơ đồ lựa chọn nhiều để thiết kế kết cấu nhà cao tầng Thực tế, người thiết kế sử dụng phần mềm thương mại (chẳng hạn ETABS, SAP2000…) để tính tốn nội lực chuyển vị kết cấu, sau nhiều thời gian xử lý số liệu xuất từ phần mềm để phục vụ cho việc tính tốn thiết kế kết cấu khungvách Việc xử lý số liệu thủ công dễ gây nhầm lần, sai sót, nhiều thời gian cho trình thử sai thiết kế Đồng thời, việc thiết kế kiểm tra tiết diện cấu kiện (biểu đồ tương tác, đặc trưng hình học tiết diện…) xây dựng module để việc tính tốn tiết diện nhanh chóng Do đó, chương trình thiết kế khung- vách tự động lọc xử lý nội lực xuất từ kết cấu khung – vách nhằm tăng hiệu công việc thiết kế cần thiết Chương trình lấy số liệu từ phần mềm, sau tự động lọc số liệu để tính tốn, thiết kế kết cấu khung vách Vì vậy, học viên chọn đề tài “Xây dựng chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung – vách bê tông cốt thép” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết thiết kế kết cấu khung-vách, xây dựng module thiết kế hỗ trợ ngôn ngữ VBA Kết nối module để tạo chương trình tính tốn hồn chỉnh Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Kết cấu khung-vách bê tông cốt thép 3.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế kết cấu khung vách theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 55742012 Hoa kỳ ACI 318-14 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết cấu khung vách kết hợp việc xây dựng module tính tốn hỗ trợ ngơn ngữ VBA Kết dự kiến - Xây dựng module thiết kế kết cấu cột, dầm, vách cứng nhà cao tầng - Xây dựng module kiểm tra tiết diện cột-vách biểu đồ tương tác P-M Bố cục đề tài Mở đầu: Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Chương 1: Tổng quan tình hình thiết kế kết cấu khung vách Chương 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 cấu tạo khung-vách 1.1.1 Kết cấu vách Hình 1.Vách cứng bê tơng Hình Vách cứng phẳng cốt thép 1.1.2 Kết cấu khung 1.1.3 Kết cấu khung – vách Hình Sự làm việc kết cấu khung - vách 1.2 Tổng quan chương trình hỗ trợ thiết kế kết cấu khung–vách CHƯƠNG XÂY DỰNG CÁC MODULE THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNGVÁCH 2.1 Module thiết kế kết cấu dầm 2.1.1 Lý thuyết tính tốn a Tiết diện chịu mômen âm [10] b Với tiết diện chịu mômen dương [10] 2.1.2 Xây dựng module tính tốn dầm a Các nút cơng cụ tính tốn dầm Bước 1: Nút cơng cụ “Beam Forces” Được viết ngôn ngữ VBA để lấy liệu nội lực cột từ phần mềm Etabs nút công cụ “beam Forces” copy liệu trực tiếp từ phần mềm Etabs Bước 2: Nút công cụ “Assign section” - Nút công cụ giúp người dùng thiết kế tiết diện cho phần tử dầm Lọc lựa chọn nội lực nguy hiểm cho tiết diện dầm Bước 3: Nút công cụ “Design beam” - Tự động nhập tổ hợp nội lực vào bảng tính dầm - Tự động gắn tiết diện bước cho phần tử dầm - Tiến hành lựa chọn tiết diện tính tốn cốt thép cho dầm Bước 4: Redesign (thiết kế lại) Bước 5: Delete Data (xóa tồn liệu) b Nhập tự động liệu từ Etabs c Cách lọc: - Bước 1: Tạo kết hợp BEAM_COMBINES = tên dầm+ tên tầng cơng trình+ tổ hợp tải trọng cho tồn file nội lực dầm - Bước 2: Dùng thao tác lọc đến đối tượng BEAM_COMBINES để tiến hành lọc lấy nội lực cho tiết diện đầu, tiết diện giữa, tiết diện cuối dầm - Bước 3: Từ tổ hợp nội lực bước 2, tiến hành lọc lấy nội lực nguy hiểm M max , M tiết diện d Thiết kế cốt thép dầm Hình Giao diện thiết kế 2.2 Module thiết kế kết cấu cột Lập bảng tính microsoft Excel tính tốn thiết kế cột theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 2.2.1 Lý thuyết tính tốn cốt thép dọc eax Âiãøm âàût ti Mx eay Cy My Cx Hình 2 Cột chịu lực theo phương [3] a Trường hợp 1: Nén lệch tâm bé b Trường hợp 2:trường hợp nén lệch tâm bé c Trường hợp 3:trường hợp nén lệch tâm lớn 2.2.2 Xây dựng module tính tốn a Các nút cơng cụ hỗ trợ tự động tính tốn Xây dựng nút cơng cụ lập trình VBA với nút cơng cụ: Nút công cụ “Column Forces”; Nút công cụ “Combonation column”; Nút cơng cụ “Design column”; Remove results (xóa kết quả); Delete Data (xóa tồn liệu) b Nhập tự động liệu từ Etabs Dùng nút công cụ “Column Forces” để nhập liệu cột tự động c Lọc tổ hợp nội lực nguy hiểm * Cách lọc: - Bước 1: Tạo kết hợp COMBINES = tên cột + tên tầng cơng trình+ tổ hợp tải trọng cho toàn file nội lực cột Sự kết hợp tổ hợp tải trọng, cột tầng Chẳng hạng: cột C1 tầng (story1) tổ hợp tải trọng COMB1 COMB1C1STORY1 - Bước 2: Dùng thao tác lọc đến đối tượng COMBINES để tiến hành lọc lấy nội lực cho tiết diện đầu tiết diện cuối cột, code VBA viết biểu mẫu tạo bảng sau: - Bước 3: Từ tổ hợp nội lực bước 2, tiến hành lọc lấy trường hợp nguy hiểm tiết diện cột x + M max ; M ; N tu y + M tux ; M max ; N tu + M tux ; M ; N max d Thiết kế cốt thép cột Hình Giao diện bảng tính thiết kế cột Sau lọc nội lực nguy hiểm cho cấu kiện cột tiết diện tầng Lúc bảng tính hồn chỉnh gồm tùy chọn vật liệu (bê tông cốt thép), kết hợp với xây dựng nút cơng cụ “Design column” có chức vận chuyển nội lực nguy hiểm cập nhật xác cho phần tử cột tầng Và tự động tính tốn kiểm tra cốt thép cho thép cột 2.3 Module thiết kế kết cấu vách Lập bảng tính microsoft Excel tính tốn thiết kế vách theo phương pháp vùng biên chịu mô men tiêu chuẩn ACI 318-14 2.3.1 Lý thuyết tính tốn cốt thép dọc a Lý thuyết tính tốn vách cứng Trong nội dung đề tài,em sử dụng phương pháp vùng biên chịu mô men xây dựng module tính tốn, thiết kế vách cứng cơng trình b Phương pháp vùng biên chịu mơmen b1 Cơ sở lí thuyết giả thuyết Thông thường, vách cứng chịu tổ hợp nội lực sau: N, Mx, My, Qx, Qy Do vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang tác động song song với mặt phẳng nên tính tốn ta khơng xét thành phần momen ngồi mặt phẳng Mx lực cắt theo phương vng góc với mặt phẳng vách Qy Do đó, xét đến tổ hợp nội lực gồm: N, My, Qx Phương pháp cho cốt thép đặt vùng biên hai đầu tường thiết kế để chịu tồn mơ men Lực dọc trục giả thiết phân bố toàn chiều dài tường b2 Các bước tính tốn thép dọc vách Bước 1: giả thiết chiều dài B vùng biên chịu mô men Xét vách chịu lực dọc trục N mômen uốn mặt phẳng Mx Mô men Mx tương đương với cặp ngẫu lực đặt hai vùng biên L tường 0.5 L Bt Mx Pp N vùng biên phải vùng biên trái Pt Bp Hình Các thành phần nội lực vách Bước 2: Xác định lực kéo nén vùng biên [15] pt , p  N * Ab MX  A ( L  0,5* Bt  0,5* Bp ) Bước 4: Kiểm tra hàm lượng cốt thép.Nếu khơng thoả mãn phải tăng kích thước B vùng biên lên tính lại từ bước Chiều 10 + Giả thiết đường kính cốt ngang, số nhanh cốt ngang, lúc xác định diện tích cốt ngang AV bố trí vách + Xác định khoảng cách cốt ngang tính tốn b4 Các bước tính tốn chịu cắt vách có xét đến động đất (shear design) Khi cơng trình có xét đến động đất, quy trình tính tốn cốt thép ngang xác định sau: * Bước 1: Xác đinh nội lực Nu , M u ,Vu gây nguy hiểm cho vách (xuất từ mơ hình tính tốn từ phần mềm phân tích kết cấu) * Bước 2: Xác đinh khả chịu cắt vách - Khả chịu cắt vách bao gồm khả chịu cắt bê tông Vc khả chịu cắt cốt thép Vs : VC  C fC' ACV ;Vs  t f y ACV - Lực cắt thiết kế vách Vn   (Vc  Vs )   (C fC'  t f y ) ACVVn  fC' ACV 2.3.2 Xây dựng module tính tốn vách a Các nút cơng cụ hỗ trợ tự động tính tốn Xây dựng nút cơng cụ lập trình VBA nhằm thực trình nhập liệu, lọc xử lý số liệu nội lực, thiết kế cốt thép Mỗi phần tử tính tốn hai mặt cắt đầu vách chân vách Do làm việc không gian cột nên ta cần xác định cặp nội lực sau để tính thép: x - M max ; M ; N tu y - M tux ; M max ; N tu 11 - M tux ; M ; N max Quy trình thiết kế vách: Bước 1: Nút công cụ “Wall Forces” Được viết ngôn ngữ VBA để lấy liệu nội lực vách từ phần mềm Etabs nút công cụ “Pier Forces” copy liệu trực tiếp từ phần mềm Etabs Bước 2: Nút công cụ “Combonation Pier” Nút công cụ giúp lọc lấy nội lực đầu (top) cuối (bottom) ứng với tổ hợp tải trọng (Comb1, comb2, comb3…); phần tử vách tầng cơng trình Bước 3: Nút cơng cụ “Design Wall” - Tự động nhập tổ hợp nội lực vào bảng tính vách (tính phần pier vách) - Sau tiến hành tổ hợp tải trọng lựa chọn tổ hợp tải trọng nguy hiểm cho phần từ tiết diện (đầu cuối) vách; tính tốn thiết kế vách Bước 4: Remove results (xóa kết quả) Q trình tính tốn thiết kế có, người thiết kế muốn xóa kết lặp lại bước 2,3 sử dụng nút cơng cụ Remove results Bước 5: Delete Data (xóa tồn liệu) Tự động xóa tồn liệu nhập từ Etasbs kết tính b Xuất – nhập liệu vách từ Etabs Lấy nội lực Pier Forces từ phần mềm Etabs theo trình tự : Display -> Show table -> Wall Output -> Wall Forces -> Pier Forces -> xuất cửa sổ “choose Tables for Display” Lưu liệu nội lực cột dạng file Excel có tên “Data_wall.xls” Sau 12 sử dụng nút công cụ “Wall Forces” để truy xuất tự động lấy liệu từ file “Data_wall.xls” nhập vào bảng tính c Lọc nội lực nguy hiểm * Cách lọc (tương tự lọc phần cột): - Bước 1: Tạo kết hợp Wall_COMBINES = tên vách + tên tầng cơng trình+ tổ hợp tải trọng cho toàn file nội lực vách Sự kết hợp tổ hợp tải trọng, vách tầng - Bước 2: Dùng thao tác lọc đến đối tượng Wall_COMBINES để tiến hành lọc lấy nội lực cho tiết diện đầu tiết diện cuối vách, code VBA viết biểu mẫu tạo bảng sau: - Bước 3: Từ tổ hợp nội lực bước 2, tiến hành lọc lấy trường hợp nguy hiểm tiết diện vách x + M max ; M ; N tu y + M tux ; M max ; N tu + M tux ; M ; N max d Thiết kế vách - Nhập nội lực vào bảng tính vách xây dựng theo tiêu chuẩn ACI 318-14 2.4 Ví dụ tính tốn kết cấu khung vách Xét cơng trình 14 tầng cao 44 m, mặt cơng trình (3 nhịp, bước) vùng gió IIB: D C B A 3A 13 Hình Mặt điển hình cơng trình Dựng mơ hình khơng gian phân tích kết cấu phần mềm Etabs 9.7.4: Hình 22 Mơ hình khơng gian cơng trình 2.4.1 Thiết kế dầm cơng trình Sử dụng module “Beam TCVN” để thiết kế dầm: Bước 1: Trong phần mềm Etabs, chọn phần tử dầm cần thiết kế, sau xuất nội lực phần tử dầm chọn theo đường dẫn: Displays -> show table -> Frame Forces -> Beams forces Bước 2: Mở module thiết kế dầm, nhấn vào nút công cụ “Beams forces” để bảng tính tìm đến file liệu dầm nhập liệu vào bảng tính Bước 3: Sử dụng nút công cụ “Assign section” để lựa chọn tiết diện dầm cho phù hợp Bước 4: Sử dụng nút công cụ “Design” để tiến hành thiết kế tự động cấu kiện dầm lựa chọn Kết số dầm: Kết quả: 14 - Dầm nhịp 1-2 có thép gối (7 Ø20 thép gối lớp trên, Ø20 lớp dưới); thép nhịp (có Ø20 lớp trên, Ø20 lớp thép dưới) - Dầm nhịp 2-3 có thép gối (6 Ø20 thép gối lớp trên, Ø20 lớp dưới); thép nhịp (có Ø20 lớp trên, Ø20 lớp thép dưới) - Dầm nhịp 3-4 có thép gối (6 Ø20 thép gối lớp trên, Ø20 lớp dưới); thép nhịp (có Ø20 lớp trên, Ø20 lớp thép dưới) Bước 5: Xem đánh giá kết quả, module cịn xây dựng thêm nút cơng cụ “Re-design” để thiết kế lại dầm “delete data” để xóa liệu, tiến hành thiết kế lại 2.4.2 Thiết kế cột cơng trình Sử dụng module “columns TCVN” để thiết kế cột theo bước: Bước 1: Trong phần mềm Etabs, chọn phần tử cột cần thiết kế, sau xuất nội lực phần tử cột chọn theo đường dẫn: Displays -> show table -> Frame Forces -> columns forces Bước 2: Mở module thiết kế cột “columns TCVN”, nhấn vào nút công cụ “columns forces” để bảng tính tìm đến file liệu cột nhập liệu vào bảng tính Bước 3: Sử dụng nút công cụ “Review combinations” để xem tổ hợp nội lực gây nguy hiểm cho tiết diện cột Bước 4: Sử dụng nút công cụ “Design columns” để tiến hành thiết kế tự động cấu kiện cột lựa chọn Kết quả: cột trục 2-B tầng cơng trình có tiết diện 90x90 cm, bố trí 28 Ø28 Bước 5: Xem đánh giá kết quả, module cịn xây dựng thêm nút cơng cụ “Re-input data” để nhập lại liệu cột “delete data” để xóa liệu, tiến hành thiết kế lại 15 2.4.3 Thiết kế vách cơng trình Sử dụng module “Wall ACI” để thiết kế vách theo trình tự sau: Bước 1: Trong phần mềm Etabs, chọn phần tử vách cần thiết kế, sau xuất nội lực phần tử vách chọn theo đường dẫn: Displays -> show table -> wall Forces -> pier forces Bước 2: Mở module thiết kế vách “Wall ACI”, nhấn vào nút cơng cụ “wall forces” để bảng tính tìm đến file liệu vách nhập liệu vào bảng tính Bước 3: Sử dụng nút cơng cụ “Load combinations” để xem tổ hợp nội lực gây nguy hiểm cho tiết diện vách Hình Bố trí thép vách lựa chọn thiết kế Bước 4: Sử dụng nút công cụ “Flexural Design” để tiến hành thiết kế tự động cấu kiện vách lựa chọn: Kết quả: Vách trục 3A tầng thiết kế với cấp độ bền bê tông B30, bề rộng b=30 cm, chiều dài L =3.6 m bố trí thép vùng biên trái, biên phải 16 Ø 14, thép vùng 16 Ø12 Bước 5: Xem đánh giá kết quả, module cịn xây dựng thêm nút cơng cụ “Re-input data” để nhập lại liệu vách, tiến hành thiết kế lại 2.5 Kết luận chương Chương xây dựng module thiết kế kết cấu dầm, cột, vách hỗ trợ ngôn ngữ lập trình VBA giúp cho 16 trình nhập, xử lý nội lực, lọc nội lực nguy hiểm cho tiết diện; trình thiết kế nhanh xác, giảm thời gian trình thử sai thiết kế CHƯƠNG XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC CỘT, VÁCH 3.1 Xây dựng biểu đồ tương tác cột lệch tâm phẳng theo tiêu chuẩn việt nam 3.1.1 Lý thuyết tính tốn Xét tiết diện hình chữ nhật (b xh) có As  A 's thỏa mãn điều kiện Rs  Rsc Đặt họ lực dọc, mô men không thứ nguyên: n N .e0 M* N ;m   Rb b.h0 Rb b.h02 Rb b.h02 Biến đổi: m   (1  0,5 )  (1   ).(  0,5n) Để lập biểu đồ tương tác, giá trị  R ,  ,  có giá trị chọn sẵn, cho  thay đổi (  từ ->  R từ  R ->1) tính giá trị n m Mỗi cặp (n,m) cho điểm biểu đồ tương tác Với cặp giá trị (n,m) ta xác định lực dọc mô men tương ứng: N  n.Rb b.h0 M *  m.Rb b.h02 17 3.1.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột theo tiêu chuẩn Việt Nam Module vẽ biểu đồ tương tác cột tiêu chuẩn Việt Nam xây dựng dựa phần thiết kế cột theo Tiêu chuẩn 5574-2012 phần thiết kế cột; nghĩa thiết kế tiết diện thép chịu lực, có tiết diện hình học, loại bê tơng, loại cốt thép Dựa vào lý thuyết tính tốn trên, module xây dựng biểu đồ tương tác cột tạo hỗ trợ ngôn ngữ lập trình VBA Module xây dựng thêm nút cơng cụ: nút Diagram P_M (có tác dụng tự động lọc nhập nội lực cột, đặc trưng diện hình học cột, số lượng cốt thép chịu lực, vật liệu để thực vẽ tự động biểu đồ tương tác cấu kiện cột); nút Redesign Diagram P_M (giúp việc vẽ lại biểu đồ tương tác cột cần; nút Delete Data (xóa liệu gốc nhập từ Etabs) 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 3.2.1 Lý thuyết tính tốn a Xây dựng biểu đồ tương tác Theo phương pháp gần đúng, dùng phương pháp vẽ biểu đồ lệch tâm phẳng có kể đến hệ số quy đổi để tính tốn cho cột chịu nén lệch tâm xiên - Phương trình cân lực lên phương trục cột, phương trình cân mơ men với trục cột, được: 18 h x Nu  Rb b.x   si Asi ; M u  Nu .e0  Rb b.x(  )   si Asi zsi 2 Nu a 1  Rb (1  )  t ( Rsc   s )  ( s1   s ) bh h Mu a  a a 1 a  Rb (1  )(  (1  ))  ( Rsc   s ) t (1  )  ( s1   s ) t (  ) bh2 h 2 h h 18 h x  h0 1 a / h 500  1    3 ; s1  (  1)  1 a / h h01 h01 1 a / h 1 3 1,1 1 a / h 2  x  h0 3  a / h 500    ; s  (  1)  3  a / h h02 h02  a / 2h 1 1,1  a / 2h Hình Tiết diện có 12 thép dọc đặt theo chu vi [11] Cho t  As  [0,5%;6%] cho  biến thiên giá trị  [0;1] , lúc bh tiến hành vẽ biểu đồ trương tác không thứ ngun, khơng phụ thuộc vào kích thước tiết diện ngang (biểu đồ tương tác ( Nu , M u ) áp bh bh 19 dụng cho trường hợp tiết diện có 12 thanh, 16 thanh, 20 thanh, 24 thép b Kiểm tra phương pháp nghịch đảo tải trọng [11] 1 1    Nu N xo N yo Nou Nếu Nu  N cột đảm bảo khả chịu lực Nếu Nu  N cột khơng đảm bảo khả chịu lực 3.2.2 Xây dựng module vẽ biểu đồ tương tác cột Chọn trước giá trị Rb , Rs , Rsc , a / h , cho t [0,5%;6%] cho  biến thiên giá trị  [0;1] để xác định điểm biểu đồ tương tác Hình Họ biểu đồ tương tác a/h=0.1 [3] 20 3.3 Module xây dựng biểu đồ tương tác P-M cột theo tiêu chuẩn ACI 3.3.1 Lý thuyết tính tốn a Đối với cột bố trí lớp thép b Biểu đồ tương tác cột bố trí nhiều lớp thép Bước 1: Bố trí xác số lượng thép lớp đầu tiên, lớp thứ i (với 1