Đề tài xây dựng ứng dụng tính toán, thiết kế khung bê tông cốt thép

- 1 - PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay với sự ứng dụng của công nghệ thông tin trong hệ thống sản xuất các sản phẩm và dịch vụ đã và đang càng ngày càng phát triển. Với công nghệ thông tin, các tính toán đƣợc thực hiện nhanh, tin cậy, chính xác và một phần thay thế sức lao động. Đến nay công nghệ thông tin đã xâm nhập hầu hết các lĩnh vực từ kinh tế, chính trị, kỹ thuật, đến việc tự động hóa trong sản xuất. Trong lĩnh vực kỹ thuật công trình cũng không ngoại lệ, việc ứng dụng công nghệ thông tin đã góp phần giảm tải thời gian công việc cho các kỹ sƣ trong việc thiết kế xây dựng các công trình, từ đó làm tăng tốc độ và hiệu quả của công việc. Mặt khác việc ứng dụng công nghệ thông tin còn giúp các kỹ sƣ có thể ƣớc lƣợng đƣợc chi phí ban đầu cho công trình. Với mục đích tạo ra một chƣơng trình tính toán cốt thép cho khung bê tông cốt thép áp dụng các tiêu chuẩn Việt Nam vào trong tính toán, mặt khác cung cấp cho sinh viên một công cụ phục vụ trong việc học tập cũng nhƣ nghiên cứu nên tác giả đã quyết định chọn đề tài “ Xây dựng ứng dụng tính toán, thiết kế khung bê tông cốt thép”. 2. Lịch sử nghiên cứu: 2.1 Phần mềm trong nƣớc: Rdsuite: [8] Là phần mềm thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam do Công Ty Cổ Phần Công Nghệ Và Tƣ Vấn Thiết Kế Xây D ựng RD phát triển. Đƣợc thiết kế kết cấu theo các tiêu chuẩn Việt Nam và một số tiêu chuẩn nƣớc ngoài nhƣ BS8110, UBC1994, UBC1997, SNHIP… đƣợc Bộ Xây Dựng cho phép ở Việt Nam, trên cơ sở lấy kết quả phân tích nội lực và phân tích động lực từ các phần mềm Sap2000, Etabs và STAADPRO, RDsas, Vinasas, MCW, MDW. Phần mềm đƣợc Cục bản quyền - Bộ văn hóa thể thao du lịch cấp giấy chứng bản quyền số 4290/2009/QTG và đƣợc Cục sở hữu trí tuệ Bộ khoa học và công nghệ ra quyết định số 5252/QĐ-SHTT về việc cấp nhãn hiệu cho sản phẩm. Phần mềm gồm 2 mô đun chính: - 2 -  RDF (Research and Development Foundation): mô đun phân tích và thiết kế móng (móng đơn, móng băng, móng cọc, móng giằng). Mặt bằng móng có thể nhập trên nền đồ họa của phần mềm, từ file *.DWG hay nhập từ Sap2000, Etabs phân tích móng theo phƣơng pháp quy phạm hay phƣơng pháp đồng thời và phần tử hữu hạn.  RDS (Research and Development Structure): mô đun tổ hợp nội lực, phân tích thiết kế phần thân (dầm, cột, sàn, dàn, vách) tính tải trọng gió tĩnh và động, tải trọng động đất theo TCVN và một số tiêu chuẩn thông dụng lấy kết quả nội lực và phân tích động lực từ Sap, Etabs. RDW: Đƣợc xây dựng và phát triển bởi Công Ty Cổ Phần Tin Học Và Tƣ Vấn Xây Dựng CIC. Là phần mềm phân tích thiết kế kết cấu. RDW bổ sung các tiêu chuẩn việt nam về xác định tải trọng, tổ hợp nội lực, thiết kế kiểm tra cấu kiện bê tông và cốt thép. Xuất bản vẽ kỹ thuật vào các phần mềm SAP2000, ETABS, STAAPRO. Các tính năng chính của RDW nhƣ xác định tải trọng gió, tải trọng động đất. Tổ hợp nội lực theo TCVN 2737-1995. Thiết kế và kiểm tra cấu kiện bê tông cốt thép theo TCVN 5574-1991 và TCVN 356-2005. Tính toán xác định sơ bộ kích thƣớc cột. 2.2 Phần mềm trên thế giới: Etabs: Là phần mềm kết cấu chuyên dụng trong tính toán và thiết kế nhà cao tầng. Đây là hệ chƣơng trình phân tích và thiết kế kết cấu chuyên dụng trên máy tính cho các công trình dân dụng. Đƣợc phát triển bởi CSI (Computer and Structures INC). Điểm nổi bật nổi bật của Etabs so với các chƣơng trình khác trong phân tích kết cấu công trình là giảm rõ rệt thời gian yêu cầu trong việc xây dựng mô hình tính, giảm thời gian xử lý và tăng độ chính xác, sở dĩ nhƣ vậy bởi vì Etabs thực hiện đƣa vào các tính năng điển hình cho bài toán hệ các công trình dân dụng trong xây dựng mà các chƣơng trình khác có thể chƣa nhận ra. Các đặt tính này bao gồm :  Hầu hết các tòa nhà có hình dạng đơn giản với hệ dầm nằm ngang và hệ cột thẳng đứng. Một hệ thống lƣới đơn giản định nghĩa lƣới sàn ngang và cột đứng có thiết lập các hệ hình học tƣơng tự với thời gian nhỏ. Một số mức sàn trong hệ công trình là điển hình. Hầu hết các chƣơng trình khác không nhận dạng cụ thể yếu tố thực tế này, dẫn đến quá trình tính toán tăng lên nhiều lần không cần thiết. - 3 -  Hầu hết các công trình thì kích thƣớc của phần tử có liên hệ rất nhiều đến chiều rộng của nhịp và chiều cao tầng. Các kích thƣớc này có ảnh hƣởng rỏ rệt đến độ cứng của phần tử thanh. Chính xác hóa điều này ảnh hƣởng đến các công thức tính độ cứng của các phần tử. Hầu hết các công trình trên đƣờng cong trọng tâm của kích thƣớc và chính xác độ cứng thƣờng mất nhiều thời gian khi thực hiện.  Trong phân tích các công trình dân dụng thì các thành phần lực của phần tử đƣợc tác dụng trên bề mặt ngoài của gối tựa phần tử. Các biến đổi tƣơng tự không đƣợc tự động tính toán ở các chƣơng trình khác hệ thống tải trọng trong các công trình thƣờng không nhiều.  Tải trọng nói chung đều có ảnh hƣởng thẳng đứng và đi xuống (tĩnh tải và hoạt tải) hoặc theo phƣơng ngang (gió hoặc động đất). Tải trọng đứng thƣờng đƣợc áp dụng trên sàn và dầm, còn tải trọng ngang thƣờng đƣợc áp dụng theo mức tầng. Tải trọng trên các ô sàn cần đƣợc dồn tự động vào các hệ thanh của công trình. Mặt khác các mức tải trọng với yêu cầu thay đổi cần phải có lựa chọn đặc biệt cho phép tạo ra và tổ hợp tiện lợi đối với các tải trọng đứng , ngang và tải trọng động. Một vấn đề rất cần có đối với việc phân tích công trình bằng máy tính đó là việc xuất kết quả với các định dạng khác nhau. SAP2000: Phần mềm SAP (Structural Analysis Program) đƣợc bắt đầu từ các kết qủa nghiên cứu phƣơng pháp số và phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong tính toán cơ học mà ngƣời đặt nền móng là Giáo sƣ Edward L.Wilson ( University Avenue Berkeley, California, USA ). Năm 1970, giáo sƣ cùng các cộng sự chính thức cho ra đời phiên bản đầu tiên của SAP. Trong những năm tiếp theo, những nghiên cứu và phát triển sâu hơn về phƣơng pháp phần tử hữu hạn và các phƣơng pháp tính toán số đã tạo điều kiện cho các phiên bản tiếp theo của SAP ra đời: OLIDSAP, SAP3, SAP IV, SAP80, SAP90. SAP 80 đƣợc nâng cấp và hoàn thiện vào cuối những năm 1980, nó đƣợc coi là mốc đánh dấu sự xuất hiện phần mềm tính toán kết cấu có tính thƣơng mại đầu tiên của họ chƣơng trình SAP. Phần mềm này đƣợc tiếp tục phát triển bởi công ty Computer and Structure Inc ( CSI ). Vào năm 1992, CSI cho ra đời phiên bản tiếp theo là SAP 90, hiện nay vẫn còn đƣợc sử dụng rất rộng rãi. SAP 2000 là một bƣớc đột phá của họ phần mềm SAP, mà theo CSI tuyên bố SAP 2000 là công nghệ ngày nay cho - 4 - tƣơng lai ( technology today for future ). SAP 2000 đã tích hợp các chức năng phân tích kết cấu bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn và chức năng thiết kế kết cấu thành một. Ngoài khả năng phân tích các bài toán thƣờng gặp của kết cấu công trình, SAP 2000 đã bổ sung thêm các loại phần tử mẫu và tính năng phân tích kết cấu phi tuyến. Giao diện của SAP 2000 làm việc hoàn toàn trong môi trƣờng. Toàn bộ qúa trình từ xây dựng mô hình kết cấu, thực hiện tính toán và biểu diễn kết qủa đều có giao diện đồ họa trực quan. Thƣ viện mẫu (Template) cung cấp một số dạng kết cấu thông dụng nhất, từ đây ta có thể dễ dàng sửa đổi để có đƣợc kết cấu nhƣ mong muốn. Các tính năng chính của SAP2000 nhƣ : có khả năng tính toán mạnh, hổ trợ nhiều loại kết cấu làm việc ở nhiều trạng thái khác nhau, chịu tác động của nhiều loại tải trọng. Có thể sử dụng Sap2000 để giải quyết các kết cấu với các cấu tạo khác nhau nhƣ hệ thanh, hệ tấm vỏ, kết cấu đặc. Các kết cấu có thể làm việc ở các trạng thái đặc biệt nhƣ: trạng thái ứng suất phẳng, biến dạng phẳng, đối xứng trục, biến dạng lớn. Về vật liệu có thể mô tả vật liệu đẳng hƣớng, trực hƣớng, dị hƣớng hay vật liệu với các tính chất phi tuyến. Về mặt tải trọng tác dụng, SAP2000 hỗ trợ rất tốt với sự đa dạng về thể loại đó là: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt độ, gối lún, dự ứng lực… ; hoạt tải với nhiều loại xe tiêu chuẩn, xe do ngƣời dùng tự định nghĩa tác dụng trên nhiều làn phức tạp phù hợp với nhiều quy trình đặc biệt là quy trình AASHTO; Tải trọng động với nhiều dạng có phƣơng pháp tính toán tiên tiến nhƣ: tải trọng thay đổi theo thời gian, phổ phản ứng… Kết quả tính toán của chƣơng trình đầy đủ và tin cậy. Có thể xuất kết quả ra màn hình độ hoạ, văn bản hay máy in, hơn nữa có thể xuất kết quả dạng tập tin cho các chƣơng trình thiết kế sau tính toán. So với phiên bản trƣớc, SAP2000 đã hoàn thiện và tích hợp phần thiết kế mặt cắt thép và bê tông cốt thép vào chƣơng trình chính giúp việc sử dụng đƣợc thuận tiện, nhờ đó kết quả tính toán kết cấu sẽ đƣợc sử dụng ngay trong phần thiết kế mặt cắt. - 5 - 2.3 Nhận xét chung: Các phần mềm kể trên tuy đã đáp ứng đƣợc hầu hết các yêu cầu ở nƣớc ta nhƣng vẫn có những nhƣợc điểm nhất định. Đối với các phần mềm trên thế giới đều đƣợc tính theo các tiêu chuẩn thế giới do đó khi áp dụng tại nƣớc ta thƣờng chỉ dừng lại ở bƣớc tính nội lực, còn đối với các chƣơng trình trong nƣớc thì đều ở hình thức thƣơng mại hóa do đó học sinh, sinh viên không áp dụng đƣợc cho mục đích học tập và nghiên cứu. 3. Mục tiêu nghiên cứu: Trong đề tài tác giả tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết và dữ liệu nội lực từ phần mềm Etabs xuất ra để xây dựng phần mềm tính toán và thiết kế khung bê tông cốt thép cho phép ngƣời dùng có thể tính đƣợc cốt thép hàng loạt. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: 4.1 Phƣơng pháp nghiên cứu: Qua việc khảo sát các phần mềm trong ứng dụng tính toán cốt thép trong và nƣớc nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu nhƣ sau: Tìm hiểu các tiêu chuẩn Việt Nam về tính toán cốt thép cho dầm, cột. Tìm hiểu các phần mềm đã có trong nƣớc. Thiết kế dữ liệu từ việc tìm hiểu các tiêu chuẩn. Tìm hiểu phần mềm xây dựng Etabs, phân tích cấu trúc của file nội lực đƣợc xuất ra. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic .Net 2005 để ứng dụng vào việc xây dựng chƣơng trình. Thiết kế giao diện cho chƣơng trình, ứng dụng các công thức tính toán cốt thép vào chƣơng trình. 4.2 Phạm vi nghiên cứu: Trong thời gian thực hiện đề tài. Nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu và tìm hiểu một số nội dung sau: Vì chƣơng trình đƣợc xây dựng dựa trên dữ liệu nội lực đã đƣợc tính toán từ phần mềm Etabs do đó nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu phần mềm này. Từ đó tiến hành nghiên cứu cấu trúc, kiểu dữ liệu của file access đƣợc xuất ra. Xác định các dữ liệu cần dùng từ file access này. - 6 - Sử dụng ngôn ngữ lập trình VB.NET 2005 trong việc xây dựng chƣơng trình. Lựa chọn và kế thừa các phƣơng pháp phù hợp với chƣơng trình. Tính toán cốt thép theo tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn đối với tiết diện dầm, tính toán cốt thép tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm phẳng đối với cấu kiện cột. 5. Tính mới của đề tài và những vấn đề chƣa thực hiện đƣợc: Đề tài là một phần trong chƣơng trình xây dựng công trình thực tế mà Khoa Kỹ Thuật Công Trình đặt ra. Công việc chính của chƣơng trình là tính toán cốt thép cho cấu kiện dầm, cột theo tiêu chuẩn Việt Nam. Tính toán hàng loạt cốt thép cho cấu kiện dầm chữ nhật cốt đơn. Tính toán hàng loạt cốt thép cho hệ cột chịu nén lệch tâm phẳng theo tiết diện chữ nhật đặt thép đối xứng hoặc không đối xứng. Tạo giao diện thân thiện với ngƣời dùng, cho phép ngƣời dùng có thể in báo cáo tính cốt thép hoặc xuất báo cáo sang file excell. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian có hạn nên đề tài vẫn còn một số hạn chế và cần phải đƣợc hoàn thiện sau này nhƣ chƣa tính đƣợc cốt thép cho dầm tiết diện chữ nhật đặt cốt kép, dầm tiết diện chữ T,I. Chƣa thực hiện đƣợc cho tiết diện cột chịu nén lệch tâm xiên. 6. Sơ lƣợc cấu trúc đề tài: Luận văn này đƣợc chia thành các nội dung chính sau: Chƣơng 1: Cơ Sở Lý Thuyết Tóm lƣợc về cách lựa chọn tin học. Trình bày cở sở lý thuyết, công thức tính toán cốt thép cho các cấu kiện dầm, cột. Chƣơng 2: Tính Toán Bố Trí Cốt Thép Mô tả dữ liệu file nội lực từ Etabs xuất ra. Cách thức lọc các cặp nội lực. Tạo cơ sở dữ liệu dùng để tính toán cốt thép. Chƣơng 3: Thực Hiện Đề Tài Giới thiệu các chức năng của chƣơng trình tính toán thiết kế khung bê tông cốt thép sau thời gian nghiên cứu. Kết Luận Nêu lên nhận xét đánh giá hƣớng phát triển của đề tài và kết luận. - 7 - CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết tính toán cốt thép: 1.1.1 Bê tông: 1.1.1.1 Cƣờng độ chịu nén của bê tông: Để xác định đƣợc khả năng chịu nén của bê tông ngƣời ta sử dụng mẫu nén thí nghiệm để xác định cấp độ bền chịu nén để làm thƣớc đo. Cấp độ bền chịu nén của bê tông ký hiệu là chữ B, là giá trị trung bình thống kê của cƣờng độ chịu nén tức thời, tính bằng đơn vị Mpa, với xác suất đảm bảo không dƣới 95% xác định trên các mẫu lập phƣơng kích thƣớc tiêu chuẩn (150mm x 150mm x 150mm), đƣợc chế tạo, dƣỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm nén ở độ tuổi 28 ngày.[6] Gọi : N P – lực làm mẫu bị phá hoại A – diện tích tiết diện ngang của mẫu thử B i – cƣờng độ chịu nén của mẫu thử , P i N B MPa A  (1.1) a a=150 a bàn nén mau thu NP NP Hình 1.1 Mẫu thử và mô hình thí nghiệm nén. 1.1.1.2 Cƣờng độ chịu kéo của bê tông: Khả năng chịu kéo của bê tông đƣợc xác định dựa trên cấp độ bền chịu kéo của bê tông và mác bê tông theo cƣờng độ chịu kéo. Cấp độ bền chịu kéo của bê tông ký hiệu là chữ B t , là giá trị trung bình thống kê của cƣờng độ chịu kéo tức thời, tính bằng đơn vị Mpa, với xác suất đảm bảo không - 8 - dƣới 95% , xác định trên mẫu kéo tiêu chuẩn đƣợc chế tạo, dƣỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm nén ở độ tuổi 28 ngày.[6] a 4a NPNP Hình 1.2 Mẫu thử và mô hình thí nghiệm kéo Gọi : N P – lực làm mẫu bị phá hoại A – diện tích tiết diện ngang của mẫu thử B it – cƣờng độ chịu kéo của mẫu thử . 1.1.1.3 Tƣơng quan giữa cấp độ bền chịu nén (kéo) của bê tông: Tƣơng quan giữa cấp độ bền chịu nén và cƣờng độ chịu nén tức thời của bê tông đƣợc xác định theo: B = B m (1-1,64ν) (1.2) Tƣơng quan giữa cấp độ bền chịu kéo cƣờng độ chịu kéo tức thời của bê tông đƣợc xác định theo: B t = B mt (1-1,64ν) (1.3) Trong đó: B, B mt là các giá trị trung bình thống kê của cƣờng độ chịu nén và cƣờng độ chịu kéo tức thời đƣợc xác định theo: 1 1 2 2 12 . () . nn m mt n n B n B n B BB n n n        (1.4) Với 12 , , ., n n n n là số lƣợng các mẫu thử tiêu chuẩn có cƣờng độ tƣơng ứng khi nén (kéo) là 12 , , ., n B B B . ν – hệ số biến động của cƣờng độ các mẫu thử tiêu chuẩn, phụ thuộc vào trình độ sản xuất bê tông. ν = 0,135 ứng với trƣờng hợp khi nén. ν = 0,165 ứng với trƣờng hợp khi kéo. - 9 - Bảng 1.1: Tương quan giữa cấp độ bền chịu nén của bê tông B và mác bê tông cường độ chịu nén M.[6] Cấp độ bền chịu nén B Cƣờng độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn, MPa Mác cƣờng độ chịu nén M Cấp độ bền chịu nén B Cƣờng độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn, MPa Mác cƣờng độ chịu nén B3,5 B5 B7,5 B 10 B12,5 B15 B20 B22,5 B25 B27,5 B30 4,50 6,42 9,63 12,84 16,05 19,27 25,69 28,90 32,11 35,32 38,53 M50 M75 M100 M150 M150 M200 M250 M300 M350 M350 M400 B 35 B 40 B 45 B 50 B 55 B 60 B 65 B 70 B75 B 80 44,95 51,37 57,80 64,22 70,64 77,06 83,48 89,90 96,33 102,75 M450 M500 M600 M700 M700 M800 M900 M900 M1000 M1000 Theo TCXDVN 356-2005; chỉ tiêu chất lƣợng cơ bản của bê tông đƣợc biểu thị bằng cấp độ bền. Cấp độ bền chịu kéo của bê tông ( ký hiệu B t , Mpa) : B t 0,4 ; B t 0,8 ; B t 1,2 ; B t 1,6 ; B t 2,0 ; B t 2,4 ; B t 2,8 ,… Bảng 1.2 : Tương quan giữa cấp độ bền chịu kéo của bê tông B t và mác theo cường độ chịu kéo K cho trong bảng.[6] Cấp độ bền chịu kéo B t Cƣờng độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn, MPa Mác bê tông theo cƣờng độ chịu kéo K B t 0,4 B t 0,8 B t 1,2 B t 1,6 0,55 1,10 1,65 2,19 - K10 K15 K20 - 10 - B t 2,0 B t 2,4 B t 2,8 B t 3,2 B t 3,6 B t 4,0 2,74 3,29 3,84 4,39 4,94 5,48 K25 K30 K35 K40 - - 1.1.1.4 Cƣờng độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông: Cƣờng độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông R bn: Tƣơng quan giữa cƣờng độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông và cấp độ bền chịu nén của bê tông đƣợc xác định theo công thức: Đối với bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ và bê tông rỗng: (0,77 0,001 ) 0,72 bn R B B    (1.5) Đối với bê tông tổ ong: (0,95 0,005 ) bn R B B  (1.6) Cƣờng độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông R bn phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê tông tính theo công thức (1.5) đã làm tròn đƣợc cho trong bảng 1.3. [6] Bảng 1.3: các cường độ tiêu chuẩn của bê tông R bn , R btn và cường độ tính toán của bê tông khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ 2: R b.ser , B bt.ser , Mpa: Trạng thái Loại bê tông cấp độ bền chịu nén của bê tông B7,5 B10 B12,5 B15 B20 B25 B30 B35 M100 M150 M150 M200 M250 M350 M400 M450 Nén dọc trục Rbn, Rb.ser bê tông nặng hạt nhỏ 5,5 7,5 9,5 11,0 15,0 18,5 22,0 25,5 bê tông nhẹ 3,5 7,5 9,5 11,0 15,0 18,5 22,0 25,5 bê tông tổ ong 6,9 9,0 10,5 11,5 Kéo dọc trục Rbtn, bê tông nặng 0,70 0,85 1,00 1,15 1,40 1,60 1,80 1,95 bê tông hạt nhỏ nhóm A 0,70 0,85 1,00 1,15 1,40 1,60 1,80 1,95 nhóm B 0,60 0,70 0,85 0,95 1,15 1,35 1,50