Tính toán kết cấu bêt tông cốt thép ppt

Tính toán kết cấu bêt tông cốt thép có sử dụng lưới thép không gian 3 chiều (3D)Bằng
phương pháp phần tử hữu hạn (TS. Nguyễn Thành Công, Ths. Nguyễn Chí Thanh)
Tóm tắt:
Kết cấu bê tông cốt thép có sử dụng lưới thép không
(3D) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng. Kết cấu
bê tông cốt thép 3D có nhiều ưu điểm là khả năng chịu lực tốt, độ cứng
cao, chuyển vị và biến dạng rất lớn trước khi bị phá hoại, và có trọng
lượng nhẹ hơn các kết cấu BTCT truyền thống. Tuy nhiên, một khó
khăn trong quá trình ứng dụng nó là tính chất chịu lực rất phức tạp. Ở
nước ta hiện nay chưa có tiêu chuẩn, quy phạm dành cho thiết kế và
thi công công trình có sử dụng vật liệu này. Lý thuyết tính toán cũng
như sự nghiên cứu đầy đủ về kết cấu lưới thép không gian 3D được làm rõ sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi
trong thực tiễn. Phương pháp giải tích tỏ ra kém hiệu quả và chứa đựng nhiều sai số khi tính toán kết cấu BTCT3D.
Bài viết này trình bày về kết quả nghiên cứu kết cấu tấm BTCT 3D thông qua mô hình số và mô hình vật lý; xác
định phương pháp tính toán kết cấu tấm BTCT 3D phản ánh được thực tế làm việc của kết cấu.
1. Mở đầu:
Kết cấu tấm bê tông lưới thép không gian (3D) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng. Kết
tấm cấu bê tông lưới thép 3D có nhiều ưu điểm; Với ưu điểm nổi trội là khả năng chịu lực tốt, độ cứng cao, chuyển
vị và biến dạng rất lớn trước khi bị phá hoại. Việc bố trí cốt thép không gian 3D trong kết cấu bê tông nhằm mục
đính phân tán các điểm chịu ứng suất tập trung trên bê tông, làm tăng khả năng chịu lực của cấu kiện.
Loại kết cấu này nhẹ hơn so với tấm kết cấu bê tông cốt thép đặc cùng khả năng chịu lực. Kết cấu có thể
được sản xuất theo hướng công nghiệp hóa hàng loạt trong xưởng dưới sự hỗ trợ của hệ thống thiết bị tự động nên
chất lượng được kiểm soát chặt chẽ và có thể giảm đáng kể thời gian thi công.
Tuy nhiên, về lý thuyết tính toán thiết kế cho loại kết cấu này chưa thực sự phát triển tương xứng với khả
năng ứng dụng của nó. Việc thiết kế chủ yếu dựa vào các kết quả thí nghiệm mẫu trực tiếp. Một số phương pháp
giải tích như qui đổi kết cấu về dạng dầm hay tấm đặc tương đương cũng đã được phát triển, tuy nhiên chứa đựng
nhiều sai số tính toán, do việc xác định các đặc trưng về độ cứng tương đương chưa được chính xác [3].
Có thể thấy rằng sự không có mặt ở lớp bê tông giữa làm cho kết cấu nhẹ hơn, nhưng đồng thời khả năng
chịu cắt của kết cấu cũng bị giảm đi rất nhiều. Chính vì vậy, các thanh thép chéo có mục đích chính là chịu cắt và
ràng buộc độ cứng giữa 2 lớp bê tông cốt thép. Chúng làm cho cả hệ thống làm việc đồng thời, đặc biệt là khi kết
cấu tấm chịu uốn. Khi so sánh với một tấm đặc chịu uốn, ta thấy có thể sử dụng lý thuyết tấm uốn như bình

thường, nghĩa là các giả thiết như phân tố thẳng có thể sử dụng tương đối phù hợp. Tuy nhiên, đối với kết cấu tấm
lưới thép 3D như chúng ta đang xem xét, sự không liên tục ở vùng giữa tấm làm cho việc sử dụng giả thiết phân tố
thẳng không thể áp dụng được, hơn nữa lúc này, sự chịu cắt phụ thuộc chính vào các thanh thép chéo. Chính vì
vậy hướng nghiên cứu sử dụng kết cấu tương đương như [3] không giải quyết được bài toán một cách thấu đáo, nó
chỉ nên được sử dụng khi đã có nhiều khảo sát hay thí nghiệm được tiến hành.
Như vậy, kết cấu tấm bê tông lưới thép 3D có ứng xử phức tạp vì các lý do chính sau đây: vật liệu làm việc
phi tuyến, độ cứng chung và sự chịu lực của kết cấu phụ thuộc chính vào lưới thép được bố trí theo không gian,
đặc điểm và sự phân bố của tải trọng.
Phương pháp số là một cách tiếp cận hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp giải tích. Sự mô phỏng các ứng
xử phức tạp của vật liệu bê tông cũng như các liên kết cốt thép-bê tông trong không gian hoàn toàn có thể được
thực hiện với đầy đủ sự chính xác về hình học cũng như các giả thiết vật liệu đúng đắn hơn đến từng điểm của kết
<=""
td="">


cấu. Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp số mạnh và ngày càng được phát triển rộng
rãi, đặc biệt trong lĩnh vực phân tích kết cấu.
Bài báo này trình bày việc lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ chính để mô hình hóa và tính
toán kết cấu tấm bê tông lưới thép 3D. Lý thuyết về mô hình hóa và phân tích kết cấu tấm bê tông lưới thép 3D
cũng được phát triển trên cơ sở phương pháp này. Nội dung chính là: xây dựng lý thuyết mô hình hóa vật liệu, hình
học, liên kết và tải trọng của kết cấu bê tông cốt thép và lưới thép không gian; xây dựng các mô hình phần tử hữu
hạn cho một số dạng chịu lực của kết cấu tấm bê tông cốt thép 3D; phân tích lựa chọn phần mềm thích hợp để
đánh giá ứng xử của kết cấu nghiên cứu theo mô hình đã lập. Ngoài ra, một số mẫu thí nghiệm thực tế cũng sẽ
được tiến hành nhằm kiểm tra đánh giá lại lý thuyết tính toán đã xây dựng.
2. Cấu tạo bê tông cốt thép 3D
Cấu kiện BTCT 3D có cấu trúc như ở hình 1. Gồm có: Hai lớp mặt ngoài của Panel là hai lớp bê tông lưới thép (có đường kính từ 2 ¸ 4mm, lớp
cách ở giữa là loại vật liệu xốp, nhẹ, bằng polystyrene đã xử lý chống cháy).

2.1.Vữa bê tông
Vữa dùng trong kết cấu Panel 3D là vữa bê tông hoặc vữa xi măng; tuỳ mục đích sử dụng mà có thể dùng

vữa bê tông mác 200-300, đá 1x2, hoặc bê tông cốt liệu nhỏ, ; có thể chia thành 2 loại: Bê tông phun và bê tông
thông thường.
2.2. Sợi thép
Sử dụng thép CT3 kéo nguội, cường độ chịu kéo R > 4000 Kg/cm
2
, đường kính từ (2,0¸4,0)mm, mật độ ô
lưới là (52´50)mm hoặc (100´100)mm; sợi thép được mạ kẽm để tăng khả năng chống rỉ sét
2.3. Lớp mốp (mushy polysteren)
Có đặc tính cách điện, cách nhiệt tốt, nhẹ, nhưng đủ cứng để đóng vai trò ván khuôn khi thực hiện đổ lớp bê
tông.
Các tấm này được mang đến công trường, lắp ghép và liên kết lại với nhau theo hình dáng kiến trúc công
trình thiết kế; sau đó tiến hành phun hoặc trát bê tông để trở thành một hệ toàn khối.
3. Phương pháp mô hình hình hóa và phân tích kết cấu tấm BTCT 3D
Phương pháp mô hình hóa và phân tích kết cấu được chọn dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Khi
nghiên cứu ứng xử của các mẫu kết cấu tấm 3D, các mô hình sau được phát triển đồng thời: Một là mô hình phần
tử khối cho phần vật liệu bê tông và phần tử thanh cho các thanh thép làm việc đồng thời. Hai là mô hình phần tử
vỏ cho phần bản bê tông, phần tử thanh cho các thanh thép và sườn bê tông làm việc đồng thời với nhau. Hai mô
hình tính toán này cho kết quả khá sát với sự làm việc thực tế của kết cấu, sai số tương đối giữa chúng là không
nhiều. Mô hình tính thứ hai, dùng phần tử vỏ mô hình hóa bản bê tông sử dụng hợp lý hơn dùng mô hình phần tử
khối vì khối lượng tính toán của phần tử vỏ nhỏ hơn khối lượng tính toán của phần tử khối nhiều, và quan trọng
hơn là kết quả của mô hình này cho ta là nội lực đơn vị (mô men uốn, lực màng, lực cắt), còn mô hình phần tử
khối thì chỉ cho kết quả là ứng suất. Khi kiểm toán về mặt độ bền của bản bê tông, người ta cần nội lực chứ không
cần ứng suất. Vì vậy, chọn mô hình nghiên cứu ứng xử của các mẫu kết cấu tấm 3D là mô hình phần tử vỏ cho
phần bản bê tông, phần tử thanh cho các thanh thép và sườn bê tông làm việc đồng thời với nhau [1]. Các phần tử
thanh làm việc tiếp xúc với phần tử vỏ; để tương thích về chuyển vị giữa hai loại phần tử này ta dùng phần tử
thanh 2 điểm nút hoặc phần tử bậc cao 3 điểm nút tương ứng với việc khi sử dụng phần tử vỏ 4 hoặc 8 điểm nút.
4. Xây dựng chương trình phát sinh mô hình phần tử hữu hạn tính kết cấu tấm 3D
Như đã nêu ở trên, phương pháp PTHH được [1] lựa chọn để mô hình hóa và tính toán kết cấu tấm 3D; và
mô hình phần tử được lựa chọn là mô hình phần tử vỏ cho phần bản bê tông, phần tử thanh cho các thanh thép và
sườn bê tông làm việc đồng thời với nhau.

Với những kết cấu đơn giản, quá mô hình hóa có thể được thực hiện bằng tay do khối lượng xử lý nhỏ. Với
những kết cấu có cấu tạo và sự làm việc phức tạp hơn, việc tạo lưới phần tử hữu hạn phải được thực hiện trên máy
tính cùng với các phần mềm mô hình hóa phần tử hữu hạn. Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin đã
có rất nhiều phần mềm hỗ trợ quá trình này. Tuy nhiên với những kết cấu chuyên biệt thì việc mô hình hóa trên
các phần mềm cũng gặp nhiều khó khăn do chúng chỉ áp dụng với những kết cấu phổ thông là chính, giá thành cao
(đặc biệt với những phần mềm của nước ngoài còn có giao diện không phải tiếng Việt, không thân thiện với các kỹ
sư trong nước). Kết cấu tấm 3D cũng là một trong những trường hợp đó. Hiện nay, khi thiết kế tấm 3D, để tính
toán nó các kỹ sư không thể áp dụng những mô hình phức tạp vì mất rất nhiều thời gian và công sức. Họ chỉ có thể
thực hiện tính toán dựa trên các mô hình đã được giản hóa rất nhiều, do đó không thể phản ánh sát thực sự làm
việc, ứng xử của kết cấu tấm 3D khi chịu tải trọng. [1] đã xây dựng thành công phần mềm chuyên biệt để hỗ trợ
phát sinh mô hình phần tử hữu hạn, kết hợp với phần mềm Midas phục vụ tính toán tấm 3D.
Để kiểm chứng phần mềm xây dựng mô hình, [1] đã tiến hành nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình số và mô
hình vật lý với đối tượng nghiên cứu là tấm bản BTCT 3D.
5. Thí nghiệm mô hình vật lý và mô hình số cho kết cấu bê tông cốt thép 3D
Tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý và mô hình số cho kết cấu bản như sau:
5.1. Thí nghiệm mô hình vật lý:
Thí nghiệm được tiến hành cho tấm có kích thước
ú Tấm được chế tạo thí nghiệm có chiều dài 2200 mm, chiều rộng 500 mm.
ú Tấm chế tạo gồm 2 tấm đơn có chiều dày 60 mm, khoảng cách giữa tim 2 tấm đơn là 120 mm (tấm 3D
dày 180 mm).


Quá trình chất tải được chia thành 05 cấp tải trọng.
5.2. Mô hình phần tử hữu hạn:
- Mô hình vật liệu: các vật liệu trong mô hình số được tạo ra với các thông số tương đương với các vật
liệu sử dụng trong thí nghiệm.
- Mô hình phần tử: sử dụng các phần tử vỏ (Shell) để mô tả các tấm đơn, sử dụng các phần tử dàn để
mô tả các cốt thép, sử dụng các phần tử dầm để mô tả các sườn ở hai đầu.
Đánh số các nút: các nút ở tấm trên và dưới được đánh số như hình vẽ