- Cốt thộp dựng cho kết cấu BTCT theo AASHTO bao gồm cỏc loại: thộp thanh trũn trơn hoặc cú
1. Mụ hỡnh chống và giằng (strut and tie models)
Thiết kế và cấu tạo chi tiết KCBTCT cú nhiệm vụ là tớnh toỏn nội lực , hiệu ứng của tải trọng và tỏc động để đưa ra được: cỏch bố trớ cốt thộp, cỏc đặc trưng mặt cắt, vật liệu .Tuy nhiờn nhiệm vụ của cụng việc thiết kế và cấu tạo chi tiết khụng chỉ là giải quyết cho một số mặt cắt nhất định (những mặt cắt đó thực sự được tớnh toỏn và phõn tớch ) mà nú phải bao gồm toàn bộ kết cấu .
Như chỳng ta đó biết trong số cỏc hư hỏng nú thường xảy ra ở những vựng khụng liờn tục về tĩnh học và hỡnh học như nơi cú tải trọng tập trung ,vị trớ thay đổi đột ngột của mặt cắt ,trong cỏc khu vực này biến dạng phõn bố phi tuyến ,ở đõy chỳng ta khụng thể ỏp dụng cỏc phương phỏp thiết kế thụng thường ,chỳng ta thường thiết kế và cấu tạo những vựng này chỉ theo kinh nghiệm mà khụng đưa ra được cỏc kiểm tra với cỏc tiờu chuẩn về cường độ .Nếu chỳng ta xem tầm quan trọng của cỏc vựng này cũng là hạn định về an toàn của toàn bộ kết cấu,chỳng ta khụng thể đối xử với chỳng nhiều hơn hay ớt hơn vựng liờn tục.
Để giải thớch cỏc kinh nghiệm cấu tạo và trỏnh cỏc sai sút trong thiết kế đối với cỏc vựng đó núi ở trờn chỳng ta nờn sử dụng mụ hỡnh hệ thanh .
1.1. Nguyờn lý chung và phạm vi ỏp dụng
Cỏc ứng suất và nội lực trong kết cấu cú thể được vẽ hay hỡnh ảnh hoỏ dưới dạng cỏc quỹ đạo. Những sơ đồ quỹ đạo đú gần giống cỏc đường dũng, do vậy chỳngta cú thể gọi là dũng nội lực trong kết cấu . Khỏi niệm và cỏc dạng quỹ đạo lực chạy từ biờn chịu tải qua kết cấu tới cỏc gối thực sự là cỏc cụng cụ hữu hiệu để hiểu đỳng quỏ trỡnh chịu tải của kết cấu và là sự trợ giỳp tiện ớch cho người thiết kế.
Hỡnh 6.1 - Quỹ đạo ứng suất trong vựng B và D
Tuy vậy cỏc mẫu quỹ đạo tổng quỏt là khỏ phức tạp và chỉ cú thể xỏc định đỳng nhất đối với vật liệu làm việc đàn hồi tuyến tớnh, hơn nữa trong BTCT cỏc đường chịu kộo chạy dọc theo cốt thộp và cú thể gõy ra nứt và biến dạng dẻo, do vậy tốt hơn hết là trong cỏc bài toỏn thực tế,
cần đơn giản hoỏ hỡnh đồ quỹ đạo và làm cho phự hợp với những đặc điểm, tớnh chất riờng biệt của kết cấu bờ tụng.
Vào đầu năm 1899, W.Rictter đưa ra mụ hỡnh dàn thanh đơn để hỡnh ảnh hoỏ nội lực trong cỏc dầm chịu nứt. Từ đú E.Morsch đó sử dụng làm cơ sở thiết kế dầm bờ tụng. Trong những nhiờn cứu gần đõy Cook và Collins đều sử dụng phương phỏp đú để tỡm ra nội lực trong kết cấu.
Việc tổng quỏt hoỏ mụ hỡnh dàn thành mụ hỡnh Strut-and-Tie tạo ra khả năng ứng dụng thực sự của nú đối với cỏc cấu kiện BTCT và của toàn bộ kết cấu.
Để đạt được mục đớch này, cỏc quỹ đạo ứng suất của cỏc trường ứng suất riờng biệt trong kết cấu và cỏc lực tương tỏc từ cốt thộp chỳng được xem xột và độ cong của chỳng được lý tưởng hoỏ theo dạng của cỏc phần tử kộo hoặc nộn trong một mụ hỡnh hệ thanh thẳng. Dũng của cỏc nội lực cú thể được phỏc hoạ và được định rừ bởi phương phỏp đường tải trọng và được lý tưởng hoỏ trong mụ hỡnh hệ thanh thớch hợp. Bởi vậy cỏc thanh chống và cỏc thanh kộo ( hoặc chớnh xỏc là cỏc trường ứng suất bờ tụng và cốt thộp ) đưọc định kớch thước bởi cỏc nội lực của mụ hỡnh như đó thiết lập, với sự cõn nhắc thớch đỏng của sự lệch và neo của cỏc lực, đang được lý tưởng hoỏ theo dạng của cỏc nỳt.
Nhiều khi chỉ cú sự phỏt triển của một mụ hỡnh hệ thanh sẽ là đủ để nhận biết những điểm yếu trong một kết cấu và thực chất là cung cấp thiết kế chi tiết , bằng cỏch minh hoạ để nhận biết yờu cầu cốt thộp tại điểm đưa ra của kết cấu.
Phương phỏp đó được đưa vào quy trỡnh CEB/FIP-Model code 90 và Euro code 2, ACI,AASHTO.
Với mục đớch đơn giản như một qui luật chung, cỏc kết cấu là được phõn tớch riờng trong một vài mặt trực giao. Vỡ vậy chỳng ta hầu hết dành quan tõm với mụ hỡnh hệ thanh phẳng. Nhờ đú quan hệ giữa cỏc mụ hỡnh trong cỏc mặt khỏc nhau sẽ được tớnh toỏn bằng cỏc lực tương tỏc hoặc cỏc ứng suất.
Đụi khi nú trở nờn cần thiết để đưa ra một cỏi nhỡn tỷ mỉ tại những vựng nào đú của kết cấu bằng những mụ hỡnh hệ thanh cục bộ. Điều này cho phộp chỳng ta sẽ sử dụng cỏc mụ hỡnh hệ thanh trở nờn tinh tế hơn của những vựng đặc biệt quan tõm với những điều kiện biờn nhận được từ một mụ hỡnh tổng thể.
1.2. Phõn chia kết cấu thành cỏc vựng B và D:
Về mặt phương phỏp thấy rằng rất hợp lý và thuận tiện khi phõn chia mỗi mặt phẳng kết cấu cần quan tõm thành hai loại vựng khỏc nhau mà sẽ được giải quyết khỏc nhau gọi là vựng B cú thể dựng giả thuyết Becnuli hay giả thuyết uốn ,và vựng D là vựng khụng liờn tục .Chớnh xỏc hơn với cỏc vựng B phải thoả món giả thuyết Becnuli về mặt cắt ngang vẫn phẳng sau khi uốn ,do vậy khi thiết kế vẫn cú thể ỏp dụng cỏc phương phỏp thiết kế thụng thường.Ngược lại, cỏc vựng D là những vựng của kết cấu mà khụng thể ỏp dụng cỏc phương phỏp tớnh toỏn thụng thường và do vậy cần phải tỡm hiểu kỹ hơn.
1/ Vựng B
Cỏc vựng B được thấy trong cỏc dầm và bản cú chiều cao hay bề dày khụng đổi ( hoặc ớt thay đổi ) trờn toàn kết cấu và tải trọng là phõn bố đều. Trạng thỏi ứng suất tại một mặt cắt bất kỳ
dễ dàng tớnh toỏn từ cỏc tỏc động tại mặt cắt ( mụ men uốn, Mxoắn ,lực cắt, lực dọc trục ) bằng cỏc phương phỏp thụng thường.
Với cỏc điều kiện là vựng này khụng bị nứt và thoả món định luật Hỳc, cỏc ứng suất sẽ được tớnh toỏn theo lý thuyết uốn sử dụng cỏc đặc trưng mặt cắt (như là diện tớch mặt cắt, mụ men quỏn tớnh...).
Khi ứng suất kộo vượt quỏ cường độ chịu kộo của bờ tụng , mụ hỡnh dàn hoặc một trong những phương phỏp tớnh toỏn thiết kế kết cấu bờ tụng cốt thộp được xõy dựng cho vựng B sẽ được ỏp dụng thay cho lý thuyết uốn .
2/ Vựng D
Cỏc phương phỏp chuẩn trờn khụng thể ỏp dụng cho cỏc vựng mà phõn bố biến dạng phi tuyến, đú là cỏc miền cú sự thay đổi đột ngột về hỡnh học ( giỏn đoạn hỡnh học ) hoặc cú cỏc lực tập trung ( giỏn đoạn tĩnh học ). Giỏn đoạn hỡnh học gặp ở cỏc dạng hốc ( chỗ lừm, lồi ) cỏc gúc khung, những đoạn cong và những khe hoặc lỗ .
Giỏn đoạn tĩnh học phỏt sinh từ cỏc lực tập trung hoặc cỏc phản lực gối và cỏc neo cốt thộp dự ứng lực. Cỏc kết cấu cú phõn bố biến dạng phi tuyến trờn toàn bộ cỏc mặt cắt của kết cấu như trường hợp cỏc dầm cao, được xem là toàn bộ vựng D.
Khụng giống như vựng B trạng thỏi ứng suất của vựng D khụng thể xỏc định được từ nội lực của mặt cắt bởi vỡ khụng biết được sự phõn bố của biến dạng. Để giải thớch điều này hóy xem hỡnh 6.2 , hỡnh này cho thấy rằng mặc dự xỏc định được sự phõn bố nội lực trong những dầm khỏc nhau nhưng trạng thỏi ứng suất tại gối tựa của cỏc dầm đú khụng thể phõn tớch được khi thiếu sự giải thớch của cỏc kiểu đặt tải .
VM M
Hỡnh 6.2: Cỏc kết cấu cú cựng kiểu phõn bố nội lực nhưng cỏc vựng D gần gối sẽ khỏc nhau
nhiều.
Cỏc nội lực mặt cắt của vựng B và cỏc phản lực gối của kết cấu là cơ sở cho việc thiết kế cỏc vựng B và D . Do đú bước đầu tiờn sẽ là phõn tớch một hệ thống tĩnh học thớch hợp theo như thực hành chung.Đương nhiờn điều này chỉ ỏp dụng với cỏc kết cấu gồm cỏc vựng B. Với cỏc kết cấu
chỉ cú toàn vựng D như cỏc dầm cao việc phõn tớch nội lực mặt cắt cú thể bỏ qua nhưng phản lực gối tựa là thường xuyờn cần thiết .