Một số điều chỉnh trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép bằng phần mềm SAP2000

MỘT SỐ ðIỀU CHỈNH TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 ðỂ PHÙ HỢP VỚI TIÊU CHUẨN VIỆT NAM APPLICATIONS OF THE DESIGN STANDARD OF VIETNAM FOR DESIGNING THE REINFORCED CONCRETE STRUCTURE BY THE SAP2000 SOFTWARE NGUYỄN THẠC VŨ Trường ðại học Bách khoa, ðại học ðà Nẵng TÓM TẮT Nhiều năm qua, phần mềm phân tích - thiết kế kết cấu SAP của công ty CSI (Computers and Structures Inc, Mỹ) từ version ñầu tiên năm 1970 ñến version SAP2000 hiện nay, ñã khẳng ñịnh ñược tính chính xác và tính ưu việt. Ở Việt Nam, phần mềm SAP2000 ñược sử dụng rộng rãi nhờ những tính năng cao cấp và giao diện ñồ hoạ rõ ràng. Tuy nhiên, vì là phần mềm do nước ngoài lập trình dựa trên tiêu chuẩn thiết kế của một số nước phương Tây, nên trước nay ta không sử dụng ñến tính năng thiết kế của SAP2000 mà chỉ sử dụng tính năng phân tích, sau ñó xuất kết quả nội lực ñể ñưa vào các chương trình thiết kế riêng biệt, ñiều này mất nhiều thời gian và dễ có những sai sót. Bài báo trình bày một phép chuyển ñổi tính năng thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của SAP2000 ñược áp dụng tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam. ABSTRACT In recent years, designing and analyzing structures using SAP2000 software of CSI (Computers and Structures, Inc) have recorded in noticeable achievements. However, this software is commonly used in Vietnam with force-displacement diagrams only, because of the next design steps applied by the formatting programs of foreign. In this paper, the real functions of reinforced concrete with the design standard of Vietnam are introduced for facilities in designs. 1. Cơ sở lý thuyết So sánh tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của Việt Nam và các tiêu chuẩn của nước ngoài ñược sử dụng trong phần mềm SAP2000, dễ dàng nhận thấy tiêu chuẩn CSA-A23.3-94 (CSA 1994) có nhiều ñiểm tương ñồng với tiêu chuẩn Việt Nam, bài báo này sẽ tóm tắt tiêu chuẩn CSA 1994, từ ñó tìm ra sự thống nhất của hai tiêu chuẩn bằng việc thay ñổi các tham số tính toán. 1.1. Thiết kế dầm Dầm ñược tính toán theo cấu kiện chịu uốn, chịu tác dụng của moment M: - Chiều cao vùng nén: 2 1 2. . '. . c c M a d d f b α ϕ = − − (1.1) với: 0,6 c ϕ = ; 1 0,85 0,0015. ' c f α = − (hệ ñơn vị N-mm-s) d: chiều cao làm việc của tiết diện. b: bề rộng của tiết diện. ' c f : cường ñộ chịu nén của bê tông. - Chiều cao cân bằng của vùng nén 1 . b b a c β = với: 700 700 b y c f = + ; y f : cường ñộ chịu kéo của cốt thép. - Trường hợp b a a≤ : tính cốt ñơn . .( ) 2 s s y M A a f d ϕ = − (1.2) v ớ i: 0,85 s ϕ = - Tr ườ ng h ợ p b a a> : tính c ố t kép 1 1 . . '. . .( ) 2 ' ( . ' . . ').( ') b c c b s s s c c a M f b a d A f f d d ϕ α ϕ ϕ α − − = − − (1.3) 1 1 . . '. . .( ) . . '. . 2 . . .( ') b c c b c c b s s y s y a M f b a d f b a A f f d d ϕ α ϕ α ϕ ϕ − − = + − (1.4) 1.2. Thiết kế cột Cột ñược tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm (nén - uốn hai phương): - Hệ số tăng moment do uốn dọc: 1,0 1 . m b m c C P P δ ϕ = ≥ − (1.5) với: 0,75 m ϕ = ; 2 2 . ( ) c EI P kL π = ; (1.6) 0,25. c g EI E I= ; 0,6 0,4. 0,4 a m b M C M = + ≥ - V ẽ bi ể u ñồ t ươ ng tác P-M d ự a vào s ơ ñồ ứ ng su ấ t c ủ a ti ế t di ệ n Hình 1. S ơ ñồ ứ ng su ấ t trong ti ế t di ệ n c ộ t Bi ể u ñồ t ươ ng tác ñượ c v ẽ v ớ i các giá tr ị hàm l ượ ng c ố t thép gi ả thi ế t t ừ 1% ñế n 6% và d ự a vào cách b ố trí c ố t thép trong ti ế t di ệ n c ộ t. - Tính toán l ượ ng c ố t thép c ầ n thi ế t, t ươ ng ứ ng v ớ i m ặ t t ươ ng tác có ch ứ a ñ i ể m thi ế t k ế . 1.3. So sánh với tiêu chuẩn Việt Nam - Công th ứ c (1.1) t ươ ng t ự công th ứ c xác ñị nh h 0 n ế u thay 1 . '. c c f α ϕ b ằ ng R n . - Công th ứ c (1.2), (1.3), (1.4) t ươ ng t ự các công th ứ c xác ñị nh di ệ n tích c ố t thép F a và F' a n ế u thay . s y f ϕ b ằ ng R a . T ừ ñ ó ta rút ra ñượ c các giá tr ị c ườ ng ñộ bê tông và c ố t thép ' c f , y f t ươ ng ứ ng v ớ i giá tr ị c ườ ng ñộ bê tông và c ố t thép theo tiêu chu ẩ n Vi ệ t Nam nh ư sau: B ả ng 1. Giá tr ị ' c f t ươ ng ứ ng v ớ i mác bê tông theo TCVN Mác Bê tông 150 200 250 300 350 400 500 600 R n (kg/cm 2 ) 65 90 110 130 155 170 215 250 f' c (kg/cm 2 ) 130.39 182.22 224.40 267.26 321.85 355.16 457.85 540.81 Hình 2. Bi ể u ñồ t ươ ng tác P-M B ả ng 2. Giá tr ị y f t ươ ng ứ ng v ớ i lo ạ i c ố t thép theo TCVN Lo ạ i thép AI AII AIII CI CII CIII R a (kg/cm 2 ) 2100 2700 3600 2000 2600 3400 f y (kg/cm 2 ) 2470.59 3176.47 4235.29 2352.94 3058.82 4000.00 - Công th ứ c (1.5) t ươ ng t ự công th ứ c xác ñị nh η n ế u thay . m c P ϕ b ằ ng th N và cho 1 m C = . T ừ ñ ó ta tìm ñượ c h ệ s ố k trong công th ứ c (1.6) tu ỳ thu ộ c vào mác bê tông và hàm l ượ ng c ố t thép gi ả thi ế t trong ti ế t di ệ n c ộ t nh ư sau: B ả ng 3: Giá tr ị k t ươ ng ứ ng v ớ i mác bê tông và hàm l ượ ng c ố t thép Mác bê tông Hàm l ượ ng µ gt 150 200 250 300 350 400 500 600 1.0% 0.73 0.75 0.77 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 1.5% 0.64 0.67 0.69 0.71 0.72 0.73 0.75 0.76 2.0% 0.58 0.61 0.63 0.65 0.66 0.68 0.69 0.71 2.5% 0.54 0.56 0.59 0.60 0.62 0.63 0.65 0.66 3.0% 0.50 0.53 0.55 0.57 0.58 0.59 0.61 0.62 3.5% 0.47 0.50 0.52 0.53 0.55 0.56 0.58 0.59 4.0% 0.45 0.47 0.49 0.51 0.52 0.53 0.55 0.56 4.5% 0.43 0.45 0.47 0.49 0.50 0.51 0.53 0.54 5.0% 0.41 0.43 0.46 0.47 0.48 0.49 0.51 0.52 5.5% 0.39 0.41 0.43 0.45 0.46 0.47 0.49 0.50 6.0% 0.38 0.40 0.42 0.43 0.44 0.46 0.47 0.48 2. Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép bằng SAP2000 theo TCVN Nh ậ p s ố li ệ u cho SAP2000 ñể phân tích và thi ế t k ế k ế t c ấ u bê tông c ố t thép theo TCVN ta c ầ n l ư u ý m ộ t s ố ñ i ể m sau: - Khai báo v ậ t li ệ u (Define  Material): nh ậ p giá tr ị f' c và f y theo b ả ng 1 và b ả ng 2 tu ỳ theo mác bê tông và lo ạ i c ố t thép ñượ c s ử d ụ ng trong h ệ . - Khai báo ti ế t di ệ n (Define  Frame Section) chia làm hai lo ạ i: + Ti ế t di ệ n d ầ m (Element Class: Beam): khai báo chi ề u dày a. + Ti ế t di ệ n c ộ t (Element Class: Column): khai báo a, cách b ố trí c ố t thép. - Khai báo t ổ h ợ p t ả i tr ọ ng (Define  Load Combination): theo TCVN, ch ọ n các t ổ h ợ p thích h ợ p ñể thi ế t k ế k ế t c ấ u bê tông c ố t thép (ch ọ n Use for concrete design). - Ch ọ n tiêu chu ẩ n thi ế t k ế (Option  Preference  Concrete) là CSA-A23.3-94. - Sau khi phân tích (Analyze  Run) và thi ế t k ế (Design  Start design) c ầ n ch ọ n các thanh ñứ ng trong h ệ ñể khai báo l ạ i h ệ s ố k (Design  Redefine), giá tr ị h ệ s ố k ñượ c l ấ y theo b ả ng 3 (nên ch ọ n µ gt = 1,5%), khai báo h ệ s ố C m = 1. Ch ạ y l ạ i ch ươ ng trình thi ế t k ế (Design  Start design) l ầ n n ữ a. 3. Ví dụ tính toán, kiểm tra Hình 3. S ơ ñồ tính và t ả i tr ọ ng tác d ụ ng c ủ a h ệ khung H ệ khung b ằ ng bê tông M.250#, c ố t thép lo ạ i AII, có kích th ướ c ti ế t di ệ n và ch ị u t ả i tr ọ ng tác d ụ ng nh ư hình 3. V ớ i s ố li ệ u c ủ a h ệ , ta khai báo v ậ t li ệ u có f c ' = 224,4 kg/cm 2 ; f y = 3176,47kg/cm 2 . Gi ả thi ế t hàm l ượ ng c ố t thép µ gt = 1,5%, ta có giá tr ị h ệ s ố k = 0,69. K ế t qu ả tính c ố t thép c ủ a SAP2000 nh ư sau: (so sánh v ớ i k ế t qu ả tính b ằ ng FBTW) 1 T 4 T 6 T 7 T 3 T 1 T T/m 0,8 T/m 0,8 T/m 2,4 2,4 T/m T/m 1,6 T 5 2,4 T/m TT T/m 4 2,4 7 T 2 1,6 T/m 5 T T/m 2,4 T/m 2,4 4 T 7 T T 2 T/m 1,6 1m 3,6m 3,6m 2,4m 1m 0 , 9 m 3 , 9 m 3 , 6 m 3 , 6 m 3 , 9 m 2,4m3,6m 1m 3,6m 0 , 9 m 1m 0,8 T/m 1,1 3,2 TT T/m 1,1 3 T 4 3 , 6 m 0,7 T/m 3 , 6 m 2,4 0,7 T/m T 2,4 T 1,6 T 4 T T T T/m 3 T/m 1,1 1,1 T 2,4 T/m 3 T/m 1,1 T 1,1 T 0,8 1,6 T 4 T/m 0,7 T T ĩ nh t ả i Ho ạ t t ả i ñứ ng 3,6m 1m 3,6m 2,4m 1m 3 , 9 m 0 , 9 m 3 , 6 m 3 , 6 m 0,28 T/mT/m 0,21 0,32 T/m 0,64 0,36 T/m T T/m 0,24 0,27 T/m T 0,48 3 , 9 m 1m 3,6m 1m 3,6m 2,4m 0 , 9 m 3 , 6 m 3 , 6 m 0,64 T 0,48 T T/m 0,28 T/m 0,32 T/m 0,36 T/m 0,21 0,24 T/m 0,27 T/m Gió bên trái Gió bên ph ả i Hình 4. K ế t qu ả b ố trí c ố t thép khung tính b ằ ng SAP2000(4a) và FBTW(4b) 4. Kết luận Qua ví d ụ ñ i ể n hình trên (và r ấ t nhi ề u ví d ụ khác, k ể c ả h ệ khung không gian, mà không th ể trình bày h ế t do khuôn kh ổ bài vi ế t có h ạ n), tác gi ả nh ậ n th ấ y r ằ ng vi ệ c tính toán thi ế t k ế k ế t c ấ u bê tông c ố t thép b ằ ng cách khai thác ph ầ n m ề m SAP2000 nh ư trình bày ở trên cho k ế t qu ả trong d ầ m r ấ t chính xác (100%), còn trong c ộ t thì sai s ố ở m ứ c d ướ i 5% - m ộ t m ứ c sai s ố có th ể ch ấ p nh ậ n ñượ c trong th ự c t ế tính toán các công trình xây d ự ng ph ổ bi ế n. Vi ệ c áp d ụ ng các h ệ s ố tính toán c ũ ng t ươ ng ñố i ñơ n gi ả n d ễ th ự c hi ệ n, và nh ư v ậ y ta có th ể khai thác ñầ y ñủ tính n ă ng c ủ a m ộ t trong nh ữ ng ph ầ n m ề m tính k ế t c ấ u ư u vi ệ t nh ấ t trên th ế gi ớ i hi ệ n nay. Bài vi ế t này là k ế t qu ả c ủ a b ướ c ñầ u nghiên c ứ u v ề v ấ n ñề này, tác gi ả mong nh ậ n ñượ c nhi ề u s ự ñ óng góp t ừ các nhà chuyên môn ñể k ế t qu ả có ñộ chính xác cao h ơ n. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Th ế Phong, K ế t c ấ u Bê tông c ố t thép, Nhà xu ấ t b ả n Khoa h ọ c và K ỹ thu ậ t, 1995. [2] Arthur H.Nilson, Design of Concrete Structures, The McGraw-Hill Companies Inc, 1997. [3] Nguy ễ n Vi ế t Trung, Thi ế t k ế k ế t c ấ u Bê tông c ố t thép hi ệ n ñạ i, Nhà xu ấ t b ả n Giao thông V ậ n t ả i, 2000. [4] Computers and Structures Inc, SAP2000 Concrete Design manual, 2000. Hình 4a Hình 4b . MỘT SỐ ðIỀU CHỈNH TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 ðỂ PHÙ HỢP VỚI TIÊU CHUẨN VIỆT NAM. 0.48 2. Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép bằng SAP2000 theo TCVN Nh ậ p s ố li ệ u cho SAP2000 ñể phân tích và thi ế t k ế k ế t c ấ u bê tông c ố t thép