Tài liệu ứng dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao bê tông ứng lực trước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN GIA TUYẾN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CAO BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số : 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Đào Ngọc Thế Lực Đà Nẵng - Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả phương án nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Gia Tuyến MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................2 5. Kết quả dự kiến .................................................................................................2 6. Bố cục đề tài ......................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ÁO VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC .....................................................................................................3 1.1. Sơ lược về mô hình giàn ảo và ứng dụng của mô hình giàn ảo ........................3 1.2. Ứng dụng mô hình giàn ảo ................................................................................4 1.3. Tổng quan về dầm cao .....................................................................................14 1.3.1. Khái niệm về dầm cao ...............................................................................14 1.3.2. Các phân tích và trạng thái làm việc của dầm cao. ..................................15 1.3.3. Các mô hình giàn ảo đối với dầm cao ......................................................16 1.3.4. Tính toán thiết kế, sử dụng các mô hình giàn ảo .....................................19 1.4. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ..............................................23 1.4.1. Giới thiệu về dầm cao bê tông ứng lực trước ...........................................23 1.4.2. Ưu, nhược điểm của dầm cao ứng lực trước ............................................23 1.4.3. Các ứng dụng dầm cao bê tông ứng lực trước .........................................23 1.5. Kết luận chương............................................................................................... 24 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH GIÀN ẢO CHO DẦM CAO SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC ........................................................................................25 2.1. Mô hình giàn ảo tính toán dầm cao ứng lực trước ..........................................25 2.2. Quy trình thiết kế dầm cao ứng lực trước .......................................................30 2.3. Ví dụ minh họa thiết kế dầm cao ứng lực trước .............................................33 2.4. Kết luận chương............................................................................................... 36 CHƯƠNG 3. XÁC MINH QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VỚI THÍ NGHIỆM ..........38 3.1. Chế tạo mẫu, thiết bị thí nghiệm ...........................................................................38 3.1.1. Chế tạo mẫu thí nghiệm ............................................................................38 3.1.2. Thiết bị thí nghiệm....................................................................................40 3.1.3. Xác định cường độ vật liệu .......................................................................43 3.2. Thiết lập thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm .................................................46 3.3. Đánh giá kết quả thí nghiệm............................................................................48 3.4. Khảo sát tham số .............................................................................................. 50 3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO TRONG TÍNH TOÁN DẦM CAO ỨNG LỰC TRƯỚC Học viên: Nguyễn Gia Tuyến Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 , Khóa: K34 Khánh Hòa, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Trong tính toán, thiết kế dầm thông thường , giả thiết Bernulli là một giả thiết quan trọng. Tuy nhiên, giả thiết này không còn chính xác với các dầm cao do phân bố biến dạng trong dầm cao là phi tuyến. Mô hình giàn ảo là phương thức thiết kế đơn giản và hiệu quả cho kết cấu dầm cao khi giả thiết tính toán theo Bernulli không còn chính xác. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện tính toán dầm cao bằng mô hình giàn ảo đối với dầm cao thông thường, dầm cao có khoét lỗ…và chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến tính toán dầm cao dự ứng lực trước. Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán dầm cao ứng lực trước bằng mô hình giàn ảo là cần thiết để đưa ra các giải pháp bố trí cáp và cấu tạo cốt thép phù hợp với các ứng xử của dầm. Luận văn này sẽ nghiên cứu mô hình giàn ảo cho dầm cao bê tông ứng lực trước và ứng dụng nó để thiết lập quy trình tính toán thiết kế. Chương trình thực nghiệm được thực hiện để xác minh quy trình thiết kế. Từ khóa – Mô hình giàn ảo (STM), dầm cao, bê tông ứng lực trước, khả năng chịu cắt của dầm cao, phân bố ứng suất APPLICATION OF STRUT-AND-TIE MODEL FOR PRESTRESSED CONCRETE DEEP BEAMS DESIGN Abstract – Reinforced concrete beam design, the Bernulli hypothesis is an important assumption. However, this hypothesis is no longer accurate with deep beams because deformation distribution in deep beams is nonlinear. Strut and tie model is a simple and effective design method for deep beam structure when the calculation hypothesis according to Bernulli is no longer accurate. Currently, the studies only perform deep beam calculations by strut and tie model for normal deep beams, deep beams with holes ... and there are not many studies mentioning the pre-stressed concrete beams. Therefore, it is necessary to study the calculation of prestressed concrete beams with strut and tie models to provide cable layout solutions and reinforcement structure suitable for beam behavior. This thesis will study the strut and tie model for pre-stressed concrete beams and apply it to establish the design calculation process. Experimental programs are performed to verify the design process. Keywords – Strut and Tie Model (STM); Deep beam; Prestressed concrete; strength shear of deep beam; stress fields. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU fcu Fnn Anz n fc’ d b Acs Fns s Fnt : Cường độ nén hiệu quả của vùng nút : Cường độ chịu nén danh định của bê tông vùng nút : Diện tích mặt cắt vuông góc với phương chịu lực : Hệ số hiệu quả : Cường độ chịu nén : Chiều cao dầm : Bề rộng dầm : Diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu của thanh chịu nén : Cường độ thanh chịu nén : Hệ số hiệu quả : Cường độ của thanh giằng nbc fy Ri A d P : Số lượng thanh thép chịu nén : Cường độ chịu kéo của cốt thép : Bán kính vết nứt : Khoảng cách từ gối tựa tới điểm đặt lực : Chiều cao dầm : Tải trọng tập trung N li Ec Es Rb Rs : Lực dọc trong các thanh dàn : Chiều dài các thanh dàn : Mô đun đàn hồi của bê tông : Mô đun đàn hồi của cốt thép : Cường độ chịu nén của bê tông : Cường độ chịu kéo của cốt thép : Hệ số sức kháng wt wc a1 : Bề rộng thanh giằng : Bề rộng thanh chống : Khoảng cách giữa hai vị trí đặt tải DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tra hệ số βs, βn là hệ số hiệu quả ...............................................................13 Bảng 2.1. Kích thước hình học của dầm ....................................................................33 Bảng 2.2. Thông số vật liệu cáp ứng lực trước ..........................................................34 Bảng 2.3. Bê tông và cốt thép thanh ..........................................................................34 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông.........................................................44 Bảng 3.2. Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh 10 ................................................45 Bảng 3.3. Đặc tính kỹ thuật của cáp dự ứng lực ........................................................45 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Ứng dụng mô hình giàn ảo ...........................................................................4 Hình 1.2. Mô hình giàn ảo của dầm bê tông cốt thép nhịp đơn giản ..........................5 Hình 1.3. Giàn đúng và không đúng ............................................................................8 Hình 1.4. Từ dạng bố trí của các vết nứt suy ra dạng hợp lý của mô hình giàn ảo ....8 Hình 1.5. Thanh chống .................................................................................................9 Hình 1.6. Các vùng nút thủy tĩnh ...............................................................................10 Hình 1.7. Các vùng nút trong phần giao nhau của cấu kiện ......................................11 Hình 1.8. Các mô hình tính toán kích thước thanh chống .........................................12 Hình 1.9. Dầm cao ......................................................................................................14 Hình 1.10. Quỹ đạo ứng suất......................................................................................15 Hình 1.11. Dầm cao chịu tải trọng mép đáy ..............................................................16 Hình 1.12. Mô hình giàn ảo của một dầm cao ...........................................................17 Hình 1.13. Dầm cao liên tục hai nhịp ........................................................................18 Hình 1.14. Mô hình giàn ảo đối với một dầm liên tục hai nhịp ................................19 Hình 1.15. Mô hình giàn ảo và sơ đồ bố trí cốt thép đối với dầm giản đơn. ............21 Hình 1.16. Mô hình giàn ảo và sơ đồ bố trí cốt thép đối với dầm liên tục................22 Hình 2.1. Dầm cao hai lực tập trung ..........................................................................25 Hình 2.2. Ứng suất nén chính trong dầm cao với tỷ lệ a/d=0,5.................................26 Hình 2.3. Ứng suất nén chính trong dầm cao với tỷ lệ a/d=1 ....................................26 Hình 2.4. Sơ đồ giàn ảo hai lực tập trung chịu ứng lực trước ...................................26 Hình 2.5. Mô hình giàn ảo hiệu chỉnh cho mô hình dầm cao ứng lực trước ............27 Hình 2.6. Giản đồ tính dầm cao ứng lực trước sử dụng mô hình giàn ảo .................31 Hình 2.7. Bố trí cốt thép dầm cao ứng lực trước .......................................................33 Hình 3.1. Công tác lắp đặt cốt thép cho dầm bê tông ứng lực trước .........................38 Hình 3.2. Công tác lắp đặt strain gauge vào cốt thép chủ .........................................39 Hình 3.3. Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác chế tạo ...............................39 Hình 3.4. Đổ bê tông cho mẫu thí nghiệm .................................................................40 Hình 3.5. Đúc mẫu bê tông mẫu trụ 150×300mm và dưỡng hộ ................................43 Hình 3.6. Thí nghiệm nén mẫu bê tông .....................................................................44 Hình 3.7. Thí nghiệp ép chẻ .......................................................................................44 Hình 3.8. Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép ..................................................................44 Hình 3.9. Lắp đặt thiết bị và thiết bị đo cho mẫu dầm cao thường ...........................46 Hình 3.10. Vết nứt ở cấp tải P = 210kN ....................................................................47 Hình 3.11. Vết nứt ở cấp tải P = 300kN ....................................................................47 Hình 3.12. Vết nứt ở cấp tải P = 396.9kN .................................................................48 Hình 3.13. Chiều rộng vết nứt ở cấp tải P = 396.9kN ...............................................48 Hình 3.14. Đồ thị quan hệ tải trọng và chuyển vị ......................................................49 Hình 3.15. Chuyển vị tại mặt trên và mặt dưới tại giữa nhịp dầm ............................49 Hình 3.16. Đồ thị tải trọng biến dạng nén trong bê tông tại mặt trên của dầm .........50 Hình 3.17. Đồ thị tải trọng - biến dạng của cốt thép ϕ10 trong thanh kéo ...............50 Hình 3.18. Ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả năng chịu lực của dầm ...............51 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong thiết kế, tính toán dầm thông thường thì giả thiết Bernulli là một giả thiết quan trọng. Tuy nhiên giả thiết này không còn chính xác với các dầm cao do phân phối biến dạng trong dầm cao là phi tuyến. Do đó phương pháp tính toán như dầm thông thường không còn phù hợp đối với tính toán dầm cao, cần một phương pháp khác. Và một phương pháp được áp dụng thiết kế, tính toán dầm cao là phương pháp mô hình “giàn ảo”. Hiện nay, phương pháp mô hình giàn ảo được chấp nhận để phân tích và tính toán kết cấu, và đã có trong tiêu chuẩn ACI, Eurocode. Đã có nhiều đề tài, nhiều bài viết liên quan đến việc tính toán dầm cao bằng phương pháp mô hình giàn ảo. Tuy nhiên, cùng một cấu kiện dầm cao có thể chọn được nhiều mô hình giàn ảo khác nhau để tính toán (do mô hình giàn ảo chỉ yêu cầu về đường tải trọng và cân bằng tĩnh), kết quả sẽ khác nhau với các mô hình được chọn khác nhau. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện tính toán dầm cao bằng mô hình giàn ảo đối với dầm cao thông thường, dầm cao có khoét lỗ….và chưa thấy nghiên cứu đề cập đến tính toán dầm cao dự ứng lực trước. Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán dầm cao dự ứng lực trước bằng phương pháp mô hình giàn ảo là cần thiết để đưa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc của kết cấu nhằm áp dụng hiệu quả tính toán dầm cao dự ứng lực trước bằng phương pháp mô hình giàn ảo trong xây dựng nhà cao tầng có không gian kiến trúc các tầng dưới được thông thoáng rộng rãi không bị vướng nhiều các hệ cột. Đó là lý do để thực hiện đề tài: “Ứng dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao ứng lực trước”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Tổng quan về mô hình chống giằng và các mô hình chống giằng trong thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép ứng lực trước. Xây dựng mô hình giàn ảo, thiết kế chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mẫu dầm bê tông cốt thép ứng lực trước và đề xuất quy trình tính toán cho dầm cao sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Dầm cao. 2 Phạm vi nghiên cứu: Mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao bê tông cốt thép ứng lực trước. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết: Thu thập tài liệu, tìm hiểu lý thuyết tính toán dầm cao, lý thuyết mô hình giàn ảo trong tiêu chuẩn ACI và các tài liệu hiện có về mô hình giàn ảo tính toán cho dầm cao bê tông cốt thép. Đề xuất quy trình thiết kế dầm cao sử dụng mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước, khảo sát các tham số ảnh hưởng. Phương pháp thực nghiệm: Xác minh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm. 5. Kết quả dự kiến Mô hình giàn ảo trong thiết kế dầm cao ứng lực trước Trình tự tính toán thiết kếdầm cao bằng mô hình giàn ảo sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước. Các kết quả thí nghiệm xác minh kết quả tính toán. 6. Bố cục đề tài Đề tài gồm có 3 chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC Chương 2: MÔ HÌNH GIÀN ẢO SỬ DỤNG CHO DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC Chương 3: XÁC MINH QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VỚI THÍ NGHIỆM 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÀN ÁO VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1. SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH GIÀN ẢO VÀ ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH GIÀN ẢO Cấu kiện BTCT khi xét ở giới hạn cực hạn sẽ có sự thay đổi lớn trong trạng thái làm việc của các bộ phận cấu kiện. Trạng thái làm việc của các bộ phận được chia làm hai dạng: Vùng chịu lực theo kiểu dầm:Vùng này được khảo sát dựa trên cơ sở giả thuyết Becnuli, lý thuyết dầm. Vùng chịu lực có đặc tính không liên tục về hình học hoặc về tĩnh học được gọi là vùng D. Trong vùng B trạng thái ứng suất tại một mặt cắt bất kỳ dễ dàng tính toán từ các tác động tại một mặt cắt bằng các phương pháp thông thường, với điều kiện là vùng này không bị nứt và thỏa mãn định luật Húc, các ứng suất sẽ được tính toán theo lý thuyết uốn sử dụng các đặc trưng mặt cắt. Trong vùng D trạng thái ứng suất bị thay đổi đột ngột, bị gián đoạn về hình học (những chổ bị lồi lõm, các góc khung..) hoặc bị gián đoạn về tĩnh học ( những nơi có lực tập trung). Gián đoạn tĩnh học phát sinh từ các lực tập trung hoặc các phản lực gối và các neo cốt thép dự ứng lực. Cách giải quyết vùng D: Từ trước đến nay phần lớn việc tính toán kết cấu bê tông cốt thép chỉ quan tâm nhiều đến vùng B, việc tính toán thiết kế vùng D thường dựa trên kinh nghiệm hoặc quan sát thực nghiệm. Trong thời gian gần đây việc nghiên cứu tính toán vùng D đã được các tổ chức: Hiệp hội bê tông dự ứng lực, viện bê tông Hoa kỳ và Ủy ban bê tông Châu Âu nghiên cứu đưa ra những quy định tiêu chuẩn thiết kế đối với vùng D khá chi tiết. Theo các tổ chức này thì trạng thái làm việc của bê tông trong giai đoạn giới hạn cực hạn được tính theo mô hình toán cơ và mô hình tốt nhất được sử dụng là mô hình hình giàn ảo. 4 1.2. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO Mô hình giàn ảo được ứng dụng trong phân tích và thiết kế cho vùng gần tải trọng tập trung, các góc và các liên kết của khung, vùng gần lỗ hổng, những vùng có biến dạng phi tuyến. Hình 1.1. Ứng dụng mô hình giàn ảo Các giả thiết cấu tạo và nguyên lý chung lập mô hình giàn ảo Trạng thái làm việc của vùng D có thể được mô tả như sau: Trước khi hình thành vết nứt, một trường ứng suất đàn hồi tồn tại có thể xác định bằng cách sử dụng phương pháp phân tích đàn hồi. Khi hình thành vết nứt sẽ làm đảo lộn trường ứng suất này, gây ra sự phân bố, định hướng lại mà chủ yếu là các thành phần nội lực. Sau khi hình thành vết nứt các thành phần nội lực có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng mô hình giàn ảo. Khi đó có thể tưởng tượng kết cấu bê tông côt thép được mô phỏng bằng một kêt cấu giàn ảo bao gồm các thanh chịu nén, các thanh giằng chịu kéo và các nối cuả các thanh đó là vùng nút của giàn ảo. Nếu phần đầu mút của thanh chống hẹp hơn so với ở đoạn giữa của các chống này có thể nứt theo chiều dọc. Các thanh cống có cốt thép nằm ngang để chống nứt có thể chịu tải trọng lớn hơn và sẽ hư hỏng do bị nén vỡ. Sự hư hỏng cũng có thể do sự chảy dẻo của các thanh giằng chịu kéo có chiều hướng phá hoại dẻo. 5 Hình 1.2. Mô hình giàn ảo của dầm bê tông cốt thép nhịp đơn giản a. Các giả thiết Xét dầm đơn giản chịu tác dụng của lực tập trung, bị nứt: Trong dầm sẽ có hệ lực với các thành phần : (1) Lực nén trong bản cánh dầm phía đỉnh, Ct; (2) Lực kéo phía đáy, Tb; (3) Lực kéo thẳng đứng trong cốt thép đai, Tv; (4) Lực nén nghiêng trong thanh chéo bê tông giữa các vết nứt xiên, Ci; Hệ lực này được thay thế bằng một mô hình giàn ảo. Để thiệt lập mô hình giàn ảo, cần có các giả định và đơn giản hóa. Cụ thể như sau: + Tất cả cốt thép đai bị cắt theo mặt cắt A-A được mô hình hóa thành một cấu kiện thẳng đứng b-c gọi là thanh giằng (ảo). + Tất cả cấu kiện bê tông bị cắt theo mặt cắt B-B được mô hình hóa thành cấu kiện e-f gọi là thanh chống (ảo). Cấu kiện xiên này chịu ứng suất nén để kháng lại lực cắt trên mặt cắt B-B. + Phần biên trên giàn ảo chịu nén dọc là một lực thực sự trong bê tông nhưng được biểu diễn dưới dạng một cấu kiện giàn ảo. + Các cấu kiện nén trong giàn ảo được vẽ bằng các đường nét đứt để ám chỉ chúng là các lực trong bê tông. Các cấu kiện chịu kéo được quy ước vẽ bằng đường nét liền. 6 b. Các bước chung để thành lập một mô hình giàn ảo Đầu tiên phải xác định đầy đủ các điều kiện biên của những vùng được mô hình hóa, ta có thể làm như sau: + Xác định kích thước hình học, tải trọng, điều kiện gối của toàn bộ kết cấu. + Chia 3 kích thước kết cấu bằng những mặt phẳng khác nhau để dễ dàng phân tích riêng bởi mặt trung bình của hệ thanh. Phần lớn các trường hợp kết cấu sẽ được chia theo các mặt trực giao hoặc có thể song song với nhau. + Xác định phản lực gối bằng các sơ đồ tĩnh học lý tưởng. Với những kết cấu siêu tĩnh, giả thiết sự làm việc là đàn hồi tuyến tính. + Chia kết cấu thành những vùng B và D + Xác định nội ứng suất của những vùng B và xác định kích thước của những vùng B và xác định kích thước của những vùng B bằng mô hình giàn ảo hoặc sử dụng những phương pháp thông thường mà quy trình thiết kế đã cho phép. + Xác định những lực tác dụng riêng lên vùng D để phục vụ cho việc xét đường truyền lực của chúng. Ngoài tải trọng ra còn phải xét những ứng suất biên trong những mặt cắt phân chia các vùng D và B, chúng được lấy từ kết quả thiết kế vùng B theo các giả định và mô hình của vùng B. + Kiểm tra những vùng D riêng rẽ theo sự cân bằng. c. Định hướng tối ưu hóa mô hình giàn ảo Hiểu biết về sự phân bố ứng suất là tối quan trọng đối với người thiết kế, cho phép chúng ta giảm đi một số lượng lớn các mô hình mà vẫn đảm bảo được các điều kiện sử dụng đặt ra của kết cấu. Do vậy để tạo thuận lợi cho việc định hướng, các mô hình theo dòng lực biểu thị bởi ứng suất đàn hồi. Để đưa ra cách bố trí cốt thép thích hợp và khả thi cần có một vài điều chỉnh mô hình theo dòng lực và phù hợp với các đặc tính đặc trưng riêng của kết cấu bê tông cốt thép. Điều này bao gồm các yếu tố sau: + Cách bố trí cốt thép nên thỏa mãn các yêu cầu thực tế để đơn gianr hóa việc lập mô hình như sử dụng cốt thép thẳng với số lượng các chổ uốn cong là tối thiểu, nên bố trí các cốt thép thẳng góc và song song với các cạnh của kết cấu khi có thể. 7 + Các cốt thép gần bề mặt nên được đặt lựa theo các cạnh và các mặt của kết cấu để khống chế nứt một cách hợp lý. + Trong trạng thái bê tông đã nứt, các thanh cốt thép sẽ hướng theo dòng của các lực kéo, thực chất chúng là các thanh kéo của mô hình, vị trí biết trước. + Sự sắp xếp của cốt thép cần phải đủ tương ứng với mọi trường hợp tải trọng khác nhau. Điều này là một trong các lý do giải thích tại sao quỹ đạo ứng suất không phải là cơ sở duy nhất để thiết kế cốt thép, mà quỹ đạo ứng suất sẽ biến đổi như một hàm của tải trọng. + Sự hình thành các vết nứt và biến dạng dẻo của vật liệu kết cấu sẽ làm phân phối lại nội lực như được xác định trên cơ sở của lý thuyết đàn hồi. Mô hình lựa chọn mang những lực tối thiểu và biến dạng có thể. Vì các thanh kéo có biến dạng lớn hơn các thanh chống nên mô hình các thanh kéo nhỏ nhất và ngắn nhất sẽ là tốt nhất. Trong trường hợp nghi vấn, kết quả chiều dài thanh li và lực kéo Ti có thể sử dụng như một tiêu chuẩn để tối ưu hóa mô hình: Ti * li min im um (1.1) Với trường hợp ngoại lệ, các thanh chống chịu ứng suất lớn trên một chiều dài đáng kể, vì vậy nó sẽ có biến dạng trung bình tương cao tương tự như biến dạng của các thanh kéo, nó cũng được đưa ra trong tiêu chuẩn tối ưu: Fi * li * i minimum Trong đó: Fi : Lực trong thanh chống hoặc thanh nén thứ i Li : Chiều dài của thanh i i : Biến dạng trung bình của thanh i (1.2) 8 Hình 1.3.Giàn đúng và không đúng Cách tiếp cận này sẽ cho phép cùng một lúc xem xét các biến dạng nhỏ hơn của các thanh kéo trong kết cấu bê tông đã nứt hoặc chưa nứt. Nguyên tắc này giúp loại trừ các mô hình sai. d. Sự phù hợp mô hình giàn ảo với thực trạng vết nứt Nếu có sẵn về bức ảnh về các mẫu vết nứt thì có thể giúp ta chọn một mô hình giàn ảo tốt nhất. Hình sau thể hiện mẫu vết nứt trong một đầu lắp mộng ở vùng tựa của một dầm đúc sẵn. Hình 1.4. Từ dạng bố trí của các vết nứt suy ra dạng hợp lý của mô hình giàn ảo 9 Trong hình (d) thanh chống B-D đi qua một vùng nứt mẫu thí nghiệm, điều này cho thấy đấy không phải là vị trí hợp lý với thanh chống. Kết cấu của mô hình giàn ảo Kết cấu và hình dạng của mô hình giàn ảo được xác định bằng cánh tay đòn nội ngẫu lực z giữa hai thanh mạ và góc của thanh chống xiên hoặc ứng suất nén của thân giàn ảo. Việc xác định z và theo nguyên tắc sau. a. Cánh tay đòn ngẫu lực z Được xác định từ việc thiết kế chịu uốn của mặt cắt ngang tại các vị trí có moment lớn nhất. Nó được xem là không đổi trong suốt vùng có moment uốn giữ nguyên dấu. Z=j.d Với (1.3) j : Hệ số không thứ nguyên (theo ACI lấy gần đúng =0,875-1) d : Chiều cao mặt cắt ngang dầm Góc nghiêng của thanh chống xiên Được xác định từ việc thiết kế chịu cắt của mặt cắt ngang và những thay đổi về độ lớn của lực dọc trục hoặc lực căng trước. Nó được xem là không đổi trong suốt vùng có lực cắt giữ nguyên dấu. Các bộ phận cấu thành của mô hình giàn ảo a. Thanh chịu nén ảo Hình 1.5. Thanh chống 10 Trong mô hình giàn ảo, các thanh chống tương ứng với các trường ứng suất nén của bê tông theo hướng của thanh chống. các thanh chống được lý tưởng hóa có dạng như lăng trụ hoặc các cấu kiện thon đều nhưng thường thay đổi mặt cắt ngang dọc theo chiều dài của nó, vì bê tông ở đoạn giữa chiều dài thanh chống rộng hơn so với hai đầu. Đôi khi là thành dạng hình chai hoặc các mô hình giàn cục bộ. Việc trải rộng các lực nén làm tăng lực kéo ngang, có thể là nguyên nhân làm cho thanh chịu kéo bị nứt theo chiều dọc. Nếu thanh chống không có cốt thép ngang, nó có thể bị hư hỏng sau khi sự hình thành vết nứt này xảy ra. Trong các mô hình chống và giằng, các thanh chống được thể hiện bằng các đường đứt dọc theo trục của các thanh chống. e. Các thanh chịu kéo ảo Bộ phận cấu thành chính thứ hai của một mô hình giàn ảo là thanh chịu kéo. Thanh chống này tương đương với một hoặc một vài lớp cốt thép đặt cùng hướng được thiết kế với As.fy Tntrong đóTn = Tu là lực do thanh kéo kháng lại. Các thanh giằng chịu kéo có thể bị phá hỏng do không co neo giằng ở đầu. sự neo giằng của các thanh chịu kéo trong các vùng nút là một phần quan trọng của việc tính toán thiết kế vùng D sử dụng mô hình giàn ảo. Các thanh chịu kéo thể hiện bằng các đường liền nét trong mô hình giàn ảo. f. Các nút của giàn ảo Các mối nối trong mô hình thanh chịu kéo và thanh chống còn được hiểu như là các vùng nút. Ba hoặc nhiều lực gặp nhau tại một nút. Các lực gặp nhau tại một nút phải cân bằng. có nghĩa là Fx=0, Fy = 0 vµ M = 0đối với điểm nút. Điều kiện thứ 3 ngụ ý rằng các đường tác dụng lực phải đi qua một điểm chung hoặc có thể phân tích được thành các lực mà chúng tác dụng qua một điểm chung. Hình 1.6. Các vùng nút thủy tĩnh 11 Các vùng nút được phân loại thành: Nút CCC: Ba lực nén gặp nhau Nút CCT: Một trong các lực là lực kéo Cũng có thể là các mối nối CTT và TTT Hình 1.7. Các vùng nút trong phần giao nhau của cấu kiện Nội lực trong mô hình giàn ảo a. Cường độ nút Cường độ chịu nén danh định của bê tông vùng nút Fnn được xác định: Fnn fcu .An (1.4) Trong đó: An diện tích mặt cắt vuông góc với phương chịu lực (mm2), fcelà cường độ nén hiệu quả của vùng nút (MPa): fcu 0,85.Bs . fc' (1.5) Với: β2 là hệ số hiệu quả xác định theo Bảng 1.1, f c' là cường chịu nén (MPa) b. Cường độ thanh chịu nén Fns fcu . Ac' (1.6) Trong đó: fcu là cường độ chịu nén hiệu quả (MPa), Ac là diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu của thanh chịu nén (mm2) Diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu của thanh chịu nén Acs được xác định: Trường hợp a): Đây là dạng nút hay gặp trong các dầm để mô hình hóa vùng neo của cốt thép đai với các cốt thép dọc. Về mặt chịu lực, đây là nút CTT (1 thanh nén, 2 thanh kéo). Do các thanh cốt thép đứng được neo bởi thanh cốt thép dọc nên