Tính toán và thiết kế dầm chuyển bê tông cốt thép

thép là rất quan trọng trong lĩnh vực xây dựng ở nước ta. Trong đề tài này việc nghiên cứu kết cấu dầm chuyển được dựa trên tiêu chuẩn ACI 318-2002 và phương pháp giàn ảo(3). Bài viết đưa ra cơ sở lý thuyết và trình tự tính toán của hai phương pháp dựa trên mô hình thực tế và sau đó đi bố trí thép cho hệ dầm này. 1. Đặt vấn đề Theo xu hướng ngày nay, nhà nhiều tầng là những công trình phức hợp đáp ứng nhiều công năng như thương mại và dịch vụ ở các tầng bên dưới, văn phòng làm việc và các căn hộ ở các tầng bên trên. Để có được không gian kiến trúc như trên, yêu cầu này đòi hỏi các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ hơn ở bên trên, giải pháp đưa ra đòi hỏi phải có một kết cấu chuyển đổi giữa các tầng, chính vì lý do đó chúng tôi chọn đề tài “Tính toán và thiết kế kết cấu dầm chuyển bê tông cốt thép“. Mục đích của việc nghiên cứu là tính toán và thiết kế dầm chuyển bê tông cốt thép dựa trên hai phương pháp: tiêu chuẩn ACI 318-2002 và phương pháp giàn ảo. Vì dầm chuyển là dạng kết cấu có kích thước lớn hơn rất nhiều so với dầm thông thường nên sự làm việc của dầm chuyển cũng sẽ khác so với dầm thông thường, cụ thể là sự phân bố ứng suất bên trong dầm. Do đó việc tính toán và thiết kế dầm chuyển sẽ khác với việc tính toán và thiết kế dầm truyền thống. Hiện nay việc tận dụng không gian tần trệt và thay đổi công năng, kiến trúc đồng thời trong một công trình nhiều tầng là rất phổ biến. Vậy muốn thực hiện được tất cả những yêu cầu trên dựa trên nền tảng kết cấu truyền thống được không ? 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Tính toán và thiết kế kết cấu dầm chuyển theo tiêu chuẩn ACI 318-2002.[1], [3], [4] Trong phương pháp này có đưa ra cho ta một khái niệm về dầm chuyển và cách phân biệt dầm chuyển. Thông thường dầm chuyển được nhận biết qua tỷ lệ chiều dài trên chiều cao nếu < 2 là dầm chuyển nhịp đơn và nếu < 2,5 là dầm chuyển nhịp liên tục. Việc phân tích đàn hồi đã cho thấy những đặc điểm quan trọng sau đây của sự phân bố ứng suất trong dầm chuyển như sau :  Các giả thiết như tiết diện phẳng cho dầm không còn phù hợp đối với dầm chuyển.  Có một vùng chịu ứng suất lớn tại vị trí gối tựa và đặc biệt là ở mặt gối tựa.  Biến dạng dọc do lực cắt gây ra trong dẩm chuyển là lớn hơn nhiều so với biến dạng uốn do đó đóng vai trò nhiều hơn so với tổng biến dạng.  Dầm chuyển thường có vết nứt xuất hiện khá sớm, thông thường khe nứt xuất hiện theo phương của ứng suất nén chính, tức là vuông góc với phương của ứng suất kéo, trong nhiều trường hợp, khe nứt xuất hiện thẳng đứng hoặc nghiêng khi dầm bị phá hoại do lực cắt. Thực tế dầm chuyển có 2 dạng phá hoại là: phá hoại do uốn và phá hoại do cắt. Và việc tính toán kết cấu cho dầm chuyển chủ yếu cũng dựa trên hai dạng phá hoại chính. Theo hình học thì kết cấu chuyễn có 4 dạng cơ bản sau : Hình 1. Dầm đỡ 1 cột Hình 2. Dầm đỡ 2 cột Hình 3. Dầm đỡ vách liên tục Hình 4. Dầm đỡ vách không liên tục Quy phạm ACI-318 chỉ ra rằng dầm chuyển (dầm cao) BTCT làm việc hoàn toàn khác với dầm BTCT thông thường.Trong giai đoạn đàn hồi ứng suất theo phương ngang trong bê tông tại các tiết diện phân bố theo quy luật phi tuyến khá phức tạp. h l h x Trôc trung hßa x Trôc trung hßa Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm thường Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm chuyển Hình 5. Biểu đồ phân bố ứng suất[1],[3] 2.2. Tính toán và thiết kế kết cấu dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo.[2], [5] Mô hình giàn ảo đã được nhiều tác giả nghiên cứu từ những năm 1920. Một trong những ưu điểm của mô hình này là thể hiện được những bộ phận chịu lực nén, kéo chủ yếu của kết cấu và người thiết kế có thể hình dung ra một cách cụ thể cơ cấu chịu lực của sơ đồ dùng trong tính toán. P Nót Thanh d¹ng chai M« h×nh thanh chèng th¼ng NótVïng nót Thanh gi»ng Hình 6. Mô hình giàn ảo nhịp đơn giản trong dầm chuyển.[5] Các bộ phận chịu nén được thể hiện bằng những thanh chống, khu vực chịu kéo được thay bằng các thanh giằng và các mối nối của thanh đó sẽ được xem là vùng nút của giàn ảo. Thanh chống và thanh giằng được sử dụng để tạo nên một hệ giàn trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép có tỷ lệ chiều cao lớn. Tải trọng tập trung tác dụng trên dầm sẽ gây ra các biến đổi trường ứng suất tại khu vực đặt lực và gối tựa và cũng tạo ra các vùng D và B. Theo các quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép gần đây, các vùng D sẽ được tính toán riêng biệt. Khái niệm cơ bản vùng D và B.  Vùng B (Beam) là các vùng có trạng thái ứng suất tuân theo các giả thiết của dầm về tiết diện chịu uốn, chủ yếu phần giữa nhịp chịu tác dụng của moment uốn, lực cắt nhỏ hoặc bằng không. Tại các vùng này vẫn có thể tính toán thiết kế như với cấu kiện chịu uốn theo các tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê tông cốt thép hiện hành.  Vùng D (Discontinuity zone) là vùng có trạng thái ứng suất phức tạp, thường xuất hiện tại các vùng mối nối, thay đổi tiết diện đột ngột, có lỗ khoét, gấp khúc hoặc tại các liên kết gối tựa và điểm đặt lực tập trung tên cấu kiện. Các vai cột, các mố đỡ và công xôn ngắn cũng thuộc các dạng kết cấu có vùng D. 3. Kết quả Công trình thực tế được sử dụng tính toán trong đề tài là: Cao ốc căn hộ - Biệt thự cao cấp BMC – Hưng Long. Vị trí : số 60/7 – Huỳnh Tấn Phát - phường Phú Nhuận – Quận 7 – Thành Phố HỒ CHÍ MINH., cao ốc BMC Hưng Long tọa lạc trên diện tích gần 20.000m2. Gồm 865 căn (860 căn hộ và 5 căn biệt thự) được phân thành 5 cao ốc ( 2 cao ốc cao 22 tầng và 3 cao ốc cao 25 tầng). Kết cấu công trình được thiết kế theo tiêu chuẩn xây dựng ACI của Mỹ. Kết cấu công trình có sử dụng sàn không dầm và dầm chuyển. Dầm chuyển nằm vị trí tầng 4 với cao độ +13.900m, với tiết diện 1.2m x 2.8m đỡ hệ vách cứng không liên tục. Dầm chuyển tiết diện 1.2m x 2.8m được giải thông qua hai phương pháp và có kết quả:  Tính toán dầm chuyển theo tiêu chuẩn ACI-318-02. Cốt thép chịu moment dương : As = 189.992 cm 2 , chọn 28 thanh thép No = 10. Chọn và bố trí theo TCVN là: 28  32. Cốt thép chịu moment âm : As = 226.476 cm 2 , chọn 30 thanh thép No = 10. Chọn và bố trí theo TCVN là: 30  32. Thép chịu lực cắt: thép No = 6 khoảng cách bố trí sv = sh = s =180mm. Chọn và bố trí theo TCVN là: thép  20 và khoảng cách bố trí sv = sh = s = 200mm.  Tính toán dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo (Strut and tie Model). Cốt thép chịu moment dương: As = 452.108 cm 2 , chọn 56 thanh thép No = 10. Chọn và bố trí theo TCVN là: 58  32. Cốt thép chịu moment âm: As = 341.981 cm 2 , chọn 42 thanh thép No = 10. Chọn và bố trí theo TCVN là: 45  32. Cốt thép chịu lực cắt: Thép No = 6 khoảng cách bố trí sv = sh = s = 180mm.Chọn và bố trí theo TCVN là: thép  20 và khoảng cách bố trí sv = sh = s = 200mm. 4. Kết luận Kết cấu dầm chuyển với những đặc điểm cấu tạo hình học và khả năng chịu lực được sử dụng trong các kết cấu nhà cao tầng BTCT, đáp ứng được yêu cầu về mặt công năng, có thể là giải pháp tương đối tốt trong một số trường hợp đòi hỏi cần hệ kết cấu chuyển vượt nhịp lớn giữa các tầng trên và tầng dưới của tòa nhà. Các phần mềm tính toán kết cấu hiện nay chưa có ứng dụng riêng để tính toán dầm chuyển, nên phương pháp tính toán vẫn chủ yếu dựa vào các công thức thực nghiệm là chủ yếu. Đặc điểm làm việc của kết cấu dầm chuyển cũng như nguyên lý cấu tạo của loại dầm này khác so với kết cấu chịu uốn thông thường. Do dầm chuyển phải nhận tải trọng rất lớn từ cột hay vách cứng ở phía trên truyền xuống dầm nên dạng phá hoại do lực cắt thường hay xảy ra với dầm chuyển, nên cần phải đặc biệt quan tâm đến tính toán chịu cắt khi thiết kế loại dầm này. Sự phân bố ứng suất ở bên trong vùng nén không còn như giả thiết đã được sử dụng, giả thiết tiết diện phẳng không còn phù hợp với dầm chuyển. Vì vậy khi tính toán dầm chuyển cần lưu ý tới đặc điểm này. Đề tài đã đưa ra hai phương pháp tính toán kết hợp với mô hình phần tử hữu hạn để tính toán cốt thép chịu uốn, cốt thép chịu kéo và cốt thép chịu cắt cho loại dầm đặc biệt này. Vì tiêu chuẩn ACI-318-02 có sử dụng nhiều hệ số an toàn, còn phương pháp giàn ảo thì đang trong thời gian hoàn thiện. Nên việc lựa chọn phương pháp nào để tính toán và thiết kế không được ra trong đề tài này. 5. Phần cảm ơn Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu nhà trường cùng toàn thể các thầy, cô Khoa Kỹ Thuật Công Trình đã quan tâm tạo đều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành tốt bài báo cáo NCKH này, đặc biệt em muốn gởi lời tri ân đến thầy Th.s Nguyễn Quốc Thông đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo cho em trong quá trình nghiên cứu đề tài của mình. 6. Tài liệu tham khảo  Tài Liệu Tiếng Việt [1] .Nguyễn Trung Hòa (2003), Kết cấu bê tông cốt thép theo quy phạm Hoa Kỳ, Nhà xuất bản XÂY DỰNG, Hà Nội. [2] .Nguyễn Viết Trung (2005), Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo mô hình giàn ảo, Nhà xuất bản XÂY DỰNG, Hà Nội. [3] .Trần Mạnh Tuân (2011), Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318- 2002, Nhà xuất bản XÂY DỰNG, Hà Nội.  Tài Liệu Tiếng Anh [4] .ACI 318-02, Building Code Requirements for Structural Concrete [5].James K.Wight, James G.Macgregor (2012), Reinforced concrete – Mechanics and Design, University of Michigan, American.