Phân tích hệ kết cấu vách dầm đỡ vách nhà cao tầng bê tông cốt thép

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi:

- Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi
- Phòng Đào tạo đại học và Sau đại học

Tên tôi là: Vũ Ngọc Quyền
Học viên cao học lớp: 25XDDD11
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số chuyên ngành: 858.02.01
Mã số học viên: 1781116
Theo Quyết định số …../QĐ-ĐHTL ngày … tháng… năm 2018 của Hiệu trưởng
Trường Đại học Thủy Lợi về việc phê duyệt danh sách học viên, đề tài luận văn và
người hướng dẫn được giao đợt 4 năm 2018 với đề tài “ Phân tích hệ kết cấu vách –
dầm đỡ vách nhà cao tầng bê tông cốt thép ” dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Anh
Dũng và TS. Nguyễn Ngọc Thắng. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu
khoa học độc lập của riêng tôi. Nội dung trong luận văn có tham khảo và sử dụng tài
liệu của các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành và các trang web theo danh mục tài liệu
tham khảo của luận văn.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

HỌC VIÊN

VŨ NGỌC QUYỀN

i

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn
bè đồng nghiệp và người thân học viên đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ với đề tài
“Phân tích hệ kết cấu vách – dầm đỡ vách nhà cao tầng bê tông cốt thép ” theo đúng
nội dung của đề cương nghiên cứu đã được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Khoa
công trình phê duyệt.
Học viên xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với các thầy cô giáo Trường Đại
học Thủy Lợi, nhất là các cán bộ, giảng viên Khoa Công trình, Phòng Đào tạo và Sau
đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho học viên hoàn thành luận văn này. Đặc biệt
học viên xin cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Anh Dũng và TS. Nguyễn Ngọc
Thắng đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học
cần thiết cho luận văn này.
Học viên xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác đã giúp đỡ tôi trong quá
trình học tập và thực hiện Luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã cố gắng và nỗ lực hết mình song do
những hạn chế về kiến thức, thời gian, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo cho nên luận
văn không tránh khỏi những thiếu sót. Học viên rất mong nhận được sự đóng góp và tư
vấn của các thầy cô.
Xin trân trọng cảm ơn./.
Hà Nội, ngày 26 tháng 02 năm 2019
HỌC VIÊN

VŨ NGỌC QUYỀN

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1
2. Lý do nghiên cứu ......................................................................................................... 1
3. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................... 1
4. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG BTCT, HỆ KẾT CẤU
VÁCH – DẦM ĐỠ VÁCH ............................................................................................. 3
1.1 Phân tích kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu lực ......................................... 3
1.2 Hệ kết cấu vách, dầm đỡ vách .................................................................................. 4
1.3 Khái niệm và công năng dầm cao ............................................................................. 5
1.3.1 Khái niệm dầm cao ................................................................................................. 5
1.3.2 Công năng của dầm cao .......................................................................................... 5
1.4 Một số hình ảnh các dự án ứng dụng dầm cao ( dầm chuyển) ................................. 6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM CAO ................................... 10
2.1 Tính toán kết cấu theo tiêu chuẩn ACI 318-2002 ................................................... 10
2.1.1 Phân tích khả năng chịu lực của kết cấu dầm cao ................................................ 10
2.1.2 Lý thuyết tính toán................................................................................................ 11
2.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo .............................................................................. 18
2.2.1 Cơ sở của mô hình chống - giằng, các giả thiết áp dụng ..................................... 18
2.2.2 Tính không duy nhất của mô hình chống - giằng, sự lựa chọn mô hình chống giằng hợp lý ................................................................................................................... 20
2.2.3 Phân vùng ứng suất biến dạng của các cấu kiện bê tông cốt thép ........................ 21
2.2.4 Mô hình giàn ảo ( Strut and tie model) ................................................................ 22
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU DẦM CAO ĐỠ VÁCH .......... 35

iii

3.1 Ví dụ tính toán kết cấu dầm cao theo phương pháp kinh nghiệm của ACI 318-02
và phương pháp mô hình giàn ảo. ................................................................................. 35
3.2 Tính toán nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn ........................................... 35
3.2.1 Mô hình kết cấu bằng phần mềm Sap 2000 ......................................................... 35
3.2.2 Nội lực tính toán ................................................................................................... 36
3.3 Tính toán kết cấu dầm chuyển theo phương pháp kinh nghiệm ACI-318-02 ........ 36
3.4 Tính toán kết cấu dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo ..................................... 42
3.5 Kết quả tính toán ..................................................................................................... 57
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 59
4.1 Kết luận ................................................................................................................... 59
4.2 Kiến nghị ................................................................................................................. 60
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 61

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Hình ảnh thi công dầm cao ( dầm chuyển ) tại Dự án Vinhome D’Capital –
Trần Duy Hưng – Hà Nội (bxh: 6650x3000mm ) ........................................................... 6
Hình 1. 2: Hình ảnh thi công dầm cao ( dầm chuyển ) tại dự án khách sạn Tây Bắc –
Đường Võ Nguyên Giáp – TP Đà Nẵng (bxh: 1800x2000mm ) .................................... 7
Hình 1. 3: Hình ảnh thi công dầm cao ( dầm chuyển) tại dự án 203 Nguyễn Huy
Tưởng – Thanh Xuân – TP Hà Nội (bxh: 1800x2000mm ) ........................................... 9
Hình 2. 1: Sự phá hoại do uốn ...................................................................................... 11
Hình 2. 2: Biểu đồ phân bố ứng suất ............................................................................. 12
Hình 2. 3: Quỹ đạo ứng suất .......................................................................................... 12
Hình 2. 4: Sơ đồ tính toán khả năng chịu uốn cho dầm ................................................ 13
Hình 2. 5: Mặt cắt thể hiện cánh tay đòn momen (jd) ................................................... 14
Hình 3. 1: Sơ đồ chịu lực .............................................................................................. 35

Hình 3. 2: Sơ đồ chịu lực trong Sap 2000 ( đơn vị KN) .............................................. 35
Hình 3. 3: Biểu đồ Momen của dầm ( đơn vị KNm) .................................................... 36
Hình 3. 4: Biểu đồ lực cắt của dầm ( đơn vị KN)......................................................... 36
Hình 3. 5: Bảng giá trị nội lực tại mặt cắt cách gối 1.02m........................................... 38
Hình 3. 6: Sơ đồ chịu lực của dầm ................................................................................ 42
Hình 3. 7: Mô hình chống - giằng của dầm ................................................................... 43
Hình 3. 8: Mô hình chống – giằng của nửa dầm ........................................................... 43
Hình 3. 9: Vị trí và lực của các nút tại B trong mô hình thứ nhất ................................. 45
Hình 3. 10: Vị trí và lực của các nút tại C trong mô hình thứ nhất ............................... 46
Hình 3. 11: Vị trí và lực của các nút tại D trong mô hình thứ nhất ............................... 46
Hình 3. 12: Vị trí và lực của các nút tại B trong mô hình thứ hai ................................. 50
Hình 3. 13: Vị trí và lực của các nút tại C trong mô hình thứ hai ................................. 52
Hình 3. 14: Vị trí và lực của các nút tại D trong mô hình thứ hai ................................. 52

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1 : Bảng tóm tắt vị trí của các nút trong mô hình thứ nhất .............................. 47
Bảng 3. 2 :Bảng tóm tắt kích thước và lực trong các thanh chống và giằng trong mô
hình thứ nhất .................................................................................................................. 48
Bảng 3. 3: Bảng nội lực thanh giàn sau điều chỉnh ....................................................... 50
Bảng 3. 4: Bảng tóm tắt vị trí của các nút trong mô hình thứ hai ................................. 53
Bảng 3. 5: Bảng tóm tắt kích thước và lực trong các thanh chống và giằng trong mô
hình thứ hai .................................................................................................................... 53
Bảng 3. 6: Bảng so sánh kết quả tính toán của 2 phương pháp ..................................... 57

vi

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm ngần đây, với sự mở cửa của nền kinh tế đất nước, kinh tế đất nước
đã phát triển rất nhanh. Cùng với sự phát triển về kinh tế, tốc độ đô thị hóa ngày càng
cao, các thành phố lớn dân số tăng lên đột biết vì vậy nhu cầu về nhà ở cũng tăng lên
đáng kể. Để đáp ứng nhu cầu ăn ở sinh hoạt hàng loạt các chung cư cao tầng và các
trung tâm thương mại đã được mọc lên.
Từ những yêu cầu thực tế đó, đòi hỏi các kỹ sư xây dựng phải nghiên cứu thiết kế các
công trình có không gian lớn ở các tầng bên dưới để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt
công cộng như: siêu thị, bãi để xe, trung tâm thương mại, văn phòng đại diện. Các tầng
trên, các phòng có không gian nhỏ hơn phù hợp với nhu cầu về phòng ở hay khách sạn
hay căn hộ gia đình.
Để đáp ứng được các yêu cầu đó, một trong những giải pháp kết cấu đó là sử dụng kết
cấu “ dầm chuyển ” để đõ các vách cứng hay cột trọng nhà nhiều tầng.
2. Lý do nghiên cứu
Theo xu hướng ngày nay, các nhà nhiều tầng là các 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 “ Phân tích kết cấu vách – dầm đỡ vách trong nhà cao tầng bê tông
cốt thép”
3. Mục đích nghiên cứu
Do hiện nay nước ta chưa có tiêu chuẩn hay các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính thức
nào về tính toán và thiết kế dầm chuyển (dầm cao) BTCT trong các công trình cao
tầng dân dụng. Việc tính toán dùng các tiêu chuẩn nước ngoài bằng nhiều các phương
pháp khác nhau. Vì vậy đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu làm rõ khả năng chịu lực
của dầm chuyển (dầm cao ) khi chịu tải trọng lớn (khi sử dụng dầm chuyển để gánh đỡ
1

các cột, vách, và các cột vách này đỡ nhiều tầng ở phía trên) từ đó kiến nghị phương
pháp tính toán và thiết kế cho loại dầm này.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Làm rõ khi nào sử dụng dầm chuyển trong kết cấu BTCT của các nhà cao tầng BTCT
Làm rõ khả năng chịu lực của dầm cao (lực cắt, moment uốn) từ đó đưa ra phương
pháp thiết kế và tính toán cho dầm.
Làm rõ các vấn đề bố trí cốt thép chịu moment uốn và chịu cắt cho dầm cao
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết (giải tích kết hợp với mô hình bằng
phương pháp phần tử hữu hạn ) gồm các hướng sau:
- Mô hình kết cấu để tìm nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm
Sap 2000.
- Tính toán kết cấu dầm cao BTCT theo tiêu chuẩn ACI 318 – 2002 của Hoa Kỳ.
- Tính toán kết cấu dầm cao theo mô hình giàn ảo (Strut and tie Model).
Từ những phương pháp nêu trên, tìm hiểu nghiên cứu đặc điểm phân bố ứng suất trên
tiết diện dầm và khả năng chịu lực của kết cấu dầm cao.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG BTCT, HỆ KẾT
CẤU VÁCH – DẦM ĐỠ VÁCH
1.1 Phân tích kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu lực
Khái niệm nhà cao tầng:
Theo ủy ban nhà cao tầng quốc tế: “Một công trình được xem là nhà cao tầng nếu
chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế thi công hoặc sử dụng khác với nhà
thông thường”.
Cụ thể định nghĩa theo cách khác: “Nhà cao tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh
hưởng đến ý đồ và cách thiết kế”.

Quy định nhà cao tầng một số quốc gia
Quốc gia

SNG

Nhà ở

10
tầng

Trung

Pháp

Anh

Nhật

Đức

10 tầng

10

>50m

>24.3m

11

Cao

Công

trở lên

tầng

tầng

22m

trình

trở lên

và

tính từ

cao

chiều

mặt

trên

trên

cao từ

nền

40m

22-

30m

Quốc

trở lên
Công
trình khác

7 tầng

Việt

Mỹ

>24m

Nhà

>28m

Nam

25m
Các cấu kiện chịu lực chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao tầng bao gồm: Cấu kiện
dạng thanh: cột, dầm, thanh chống, thanh giằng:
+ Cấu kiện dạng tấm: Tường ( vách ), sàn.
+ Trong nhà cao tầng, khi có sự xuất hiện của các khung, tùy theo cách làm việc của
cột trong khung mà hệ kết cấu chịu lực được phân thành các loại sơ đồ: sơ đồ khung;
sơ đồ giằng; và sơ đồ khung giằng.
Trong nhà cao tầng, sàn của tầng, ngoài khả năng chịu uốn do tải trọng thẳng đứng,
cũng phải có độ cứng lớn để khung biến dạng trong mặt phẳng khi truyền tải trọng

3


ngang vào cột, vách, lõi nên cũng gọi là những sàn cứng.
Cấu kiện không gian là các vách nhiều cạnh hở hoặc khép kín, tạo thành các hộp bố trí
bên trong nhà, được gọi là lõi cứng. Ngoài lõi cứng bên trong, còn có các dãy cột bố trí
theo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành một hệ khung biến dạng tường vây.
Tiết diện các cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng. Khi là những cột rỗng hình hộp
vuông hoặc hình tròn sẽ tạo nên hệ kết cấu được gọi là ống trong ống.
Phụ thuộc vào các giải pháp kiến trúc, từ 3 thành phần kết cấu chính (cấu kiện dạng
thanh, tấm, không gian) có thể liên kết tạo thành 2 nhóm kết cấu chịu lực:
+ Nhóm 1: Gồm 1 cấu kiện chịu lực độc lập – khung, tường, vách, lõi hộp (ống);
+ Nhóm 2: Hệ chịu lực được tổ hợp từ 2 hoặc 3 cấu kiện cơ bản trở lên:
Kết cấu: KHUNG + VÁCH;
Kết cấu: KHUNG + LÕI;
Kết cấu KHUNG + VÁCH + LÕI v.v…
1.2 Hệ kết cấu vách, dầm đỡ vách
Kết cấu vách chịu lực là một hệ thống vách vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang, đồng
thời làm cả nhiệm vụ vách ngăn các phòng.
Vách cứng (BTCT) trong nhà cao tầng phải bố trí suốt từ móng đến mái, phải đồng

trục: vách cứng có khả năng chịu lực cắt và chịu uốn tốt
Hệ kết cấu này là tổ hợp các vách phẳng bố trí theo hai phương. Hạn chế việc bố trí
cáp vách cứng tập trung ở trọng tâm nhà do khả năng chống xoắn kém, tốt nhất nên bố
trí các vách cứng dọc theo chu vi nhà vì nhà có khả năng chống xoắn tốt hơn và chịu
tải cả hai phương.
Vách cứng liên tục không khoét lỗ gọi là vách đặc. Phần lớn vách bị khoét lỗ dành cho
các cửa đi và cửa sổ.
Kết cấu vách cứng có những đặc điểm cơ bản sau:

4


+ Kết cấu vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phương ngang lớn,
kết hợp với bản sàn tạo thành kết cấu hộp nhiều ngăn có khả năng chịu tải lớn, đặc biệt
là khả năng chịu tải ngang (tải động đất).
+ Loại kết cấu này có khoảng không gian nhỏ nên chỉ phù hợp với các công trình nhà
ở.
+ Kết cấu này có trọng lượng bản thân lớn, độ cứng lớn làm tăng tải trọng động đất.
Kết cấu vách cứng được xem như là một tấm phẳng chỉ chịu lực trong mặt phẳng bản
thân, không chịu lực ngoài mặt phẳng đó, do đó cần phải bố trí vách cứng theo cả hai
phương.
Hệ kết cấu khung không gian lớn tầng dưới đỡ vách cứng: Dùng dầm khung lớn đỡ
vách cứng phía trên. Loại kết cấu này tạo không gian lớn và có khả năng chống tải
ngang lớn.
1.3 Khái niệm và công năng dầm cao
1.3.1 Khái niệm dầm cao
Dầm cao ( dầm chuyển) BTCT là một loại dầm thường có độ cứng và tiết diện hình
học tương đối lớn (tỷ lệ chiều dài trên chiều cao phải nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 đối với
nhịp liên tục và 2 đối với nhịp đơn), có tác dụng thay đổi trạng thái làm việc của hệ kết
cấu từ hệ dầm cột chịu lực sang hệ dầm vách chịu lực hoặc hệ dầm cột nhưng với số

lượng cột phải trên dầm nhiều hơn số lượng cột phía dưới dầm.
1.3.2 Công năng của dầm cao
Công năng của dầm cao ( dầm chuyển) là gánh đỡ toàn bộ tải trọng kết cấu bên trên nó
rồi phân bố xuống từng chân cột bên dưới. Chính vì vậy dầm cao ( dầm chuyển) phải
nhận một lượng tải trọng rất lớn nên chúng thường có kích thước và độ cứng lớn hơn
so với dầm truyền thống.
Ngoài khả năng chống lại moment uốn trực tiếp do tải trọng lớn bên trên, dầm cao (
dầm chuyển) còn có khả năng chống cắt lớn hơn nhiều so với dầm truyền thống vì ảnh
hưởng bởi tiết diện lớn của dầm.

5


Trong kiến trúc nhà cao tầng dầm cao ( dầm chuyển) được lựa chọn nhiều vì khả năng
vượt nhịp lớn và khả năng thay đổi kiến trúc một cách linh hoạt.
1.4

Một số hình ảnh các dự án ứng dụng dầm cao ( dầm chuyển)
Hình 1. 1: Hình ảnh thi công dầm cao ( dầm chuyển ) tại Dự án Vinhome
D’Capital – Trần Duy Hưng – Hà Nội (bxh: 6650x3000mm )

6


Hình 1. 2: Hình ảnh thi công dầm cao ( dầm chuyển ) tại dự án khách sạn Tây
Bắc – Đường Võ Nguyên Giáp – TP Đà Nẵng (bxh: 1800x2000mm )

7

8


Hình 1. 3: Hình ảnh thi công dầm cao ( dầm chuyển) tại dự án 203 Nguyễn Huy
Tưởng – Thanh Xuân – TP Hà Nội (bxh: 1800x2000mm )

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM CAO
2.1 Tính toán kết cấu theo tiêu chuẩn ACI 318-2002
2.1.1 Phân tích khả năng chịu lực của kết cấu dầm cao
Đối với các dầm BTCT thông thường đều dựa trên lý thuyết đàn hồi và sử dụng các
giả thiết vật liệu là đồng chất và đẳng hướng. Nhưng điều đó trở nên không hợp lý đối
với kết cấu bê tông đặc biệt như dầm cao ( dầm chuyển) sau khi xuất hiện các vết nứt,
những kết quả thu được đã làm rõ sự khác biệt sự làm việc của dầm thông thường và
dầm cao (dầm chuyển). Có thể thấy rằng sự phân bố ứng suất trên tiết diện và khả
năng chịu lực của loại dầm này khác so với dầm thông thường.
Tiêu chuẩn ACI-318 theo quy phạm Hoa Kỳ đã nêu rõ tác động của dầm cao (dầm
chuyển) phải được xét đến trong trường hợp l/d < 2,5 đối với các nhịp liên tục hoặc 2
đối với các nhịp đơn do có sự phụ thuộc và tác động lẫn nhau của ứng suất pháp theo
phương dọc dầm và theo phương thẳng đứng cũng như ảnh hưởng của ứng suất tiếp do
lực cắt gây ra.
Phân tích đàn hồi đã cho thấy những đặc điểm quan trọng sau đây của sự phân bố ứng
suất trong dầm cao (dầm chuyển):
+ Các giả thiết tiết diện phẳng cho dầm không thỏa mãn đối với dầm cao (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 (dầm cao) là lớn hơn nhiều so với
biến dạng uốn, do đó đóng vai trò nhiều hơn so với tổng biến dạng.

+ Dầm cao (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.

10


2.1.2 Lý thuyết tính toán
Dạng phá hoại thực tế trong dầm cao (dầm chuyển) BTCT ngoài việc phụ thuộc vào
kích thước dầm, tỉ số giữa chiều dài nhịp và chiều cao dầm, cách đặt lực tác dụng mà
còn phụ thuộc vào số lượng và cách bố trí cốt thép trong dầm. Có 2 dạng phá hoại
chính được xác định gồm : Phá hoại do uốn và phá hoại do lực cắt.
2.1.2.1 Phá hoại do uốn
Phá hoại do uốn của dầm cao (dầm chuyển) BTCT là dạng phá hoại dẻo, sự phát triển
các vết nứt theo chiều dọc xuất phát từ bụng dầm và dần lên phía trên, cùng với sự gia
tăng tải trọng, sự phá hoại thông thường xảy ra do cốt thép bị kéo đứt hoặc bị chảy
dẻo, rất hiếm trường hợp bê tông vùng nén bị phá hoại.

Hình 2. 1: Sự phá hoại do uốn
a.)Sự phân bố ứng suất trên tiết diện dầm
Quy phạm ACI 318-02 chỉ ra rằng dầm cao (dầm chuyển) 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

11


Hình 2. 2: Biểu đồ phân bố ứng suất
Hình 2.2 cho thấy sự phân bố ứng suất do uốn tại tiết diện giữa nhịp so sánh với sự

phân bồ ứng suất tuyến tính, ta thấy trục trung hòa được hạ thấp xuống, ứng suất chịu
kéo ở mép biên lớn hơn nhiều so với mép biên chịu nén

Hình 2. 3: Quỹ đạo ứng suất
12


Trong hình 2.3 các đường nét đứt là quỹ đạo ứng suất nén song song với hướng của
ứng suất nén chính và các đường nét liền là quỹ đạo ứng suất kéo song song với các
ứng suất kéo chính. Các vết nứt dự báo xuất hiện vuông góc với các đường nét liền,
tức là xuất hiện theo phương của ứng suất nén chính. Trong một số trường hợp khe nứt
cũng có thể xuất hiện thẳng đứng hoặc nghiêng khi dầm bị phá hoại do cắt
Cũng từ hình vẽ trên nhận thấy rằng quỹ đạo ứng suất kéo và ứng suất nén dày hơn tại
vị trí gối biên của dầm, tức là phản ánh sự tập trung ứng suất nén tại gối dầm.
b.)Tính toán khả năng chịu uốn của dầm

Hình 2. 4: Sơ đồ tính toán khả năng chịu uốn cho dầm
- Khả năng chịu lực của dầm cao (dầm chuyển) được xác định theo công thức sau:
Mn=As*fy*(jd)
- Cốt thép chịu uốn được tính như sau:
As =

Mu
Ø∗fy∗(Jd)

≥ Asmin=

3∗√f′c
fy

*b*d ≥

200bd
fy

Trong đó:
+ Mn: Khả năng chịu uốn của cấu kiện
+ As: Diện tích cốt thép chịu uốn

13


+ fy : Cường độ chịu kéo của cốt thép
+ f’c: Cường độ chịu nén của bê tông
+ Asmin: Hàm lượng cốt thép tối thiểu
+ Jd: Cánh tay đòn của mô men nội lực, được tính toán như sau:

Hình 2. 5: Mặt cắt thể hiện cánh tay đòn momen (jd)
+ Đối với dầm cao ( dầm chuyển) nhịp đơn
Khi 1 ≤ l/h ≤ 2 thì Jd = 0.2(l+2h)
Khi l/h < 1 thì Jd = 0.6l
+ Đối với dầm cao ( dầm chuyển ) nhịp liên tục
Khi 1 ≤ l/h ≤ 2 thì Jd = 0.2(l+1.5h)
Khi l/h < 1 thì Jd = 0.5l
Trong đó:
l : là nhịp dầm cao (dầm chuyển) xác định theo trung tâm của gối tựa hoặc lấy bằng
1.15ln
14

h: chiều cao của dầm
+ Thép dọc tính toán được bố trí ở phần dưới của dầm trong phạm vi từ chiều cao đáy
dầm đến một khoảng bằng : y = 0.25h - 0.05l < 0.2h
2.1.2.2 Phá hoại do lực cắt
Ứng suất cắt trong dầm cao (dầm chuyển) có ý nghĩa rất lớn đối với trạng thái ứng suất
nên không được bỏ qua như trong dầm chịu uốn thuần túy. Biểu đồ ứng suất trong bê
tông vùng chịu nén không còn như giả thiết vẫn hay sử dụng nữa, ngay cả trong trạng
thái đàn hồi. Khi đạt trạng thái giới hạn, biểu đồ ứng suất không còn theo dạng parabol
như các dầm thông thường nữa .
a.)Sự hình thành vết nứt
Đối với dầm cao (dầm chuyển) các gối tựa trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng phía
trên thì sự phá hoại bắt đầu khi tải trọng tăng từ 0.6 tới 0.9 tải trọng cực hạn. Bắt đầu
bằng một vết nứt xiên nằm trực tiếp dọc theo đường nối của điểm đặt lực với vị trí mặt
gối tựa, vết nứt mở rộng ban đầu vào khoảng 1/3 chiều cao dầm.
Khả năng chịu lực cắt được tăng lên và sự phát triển của các vết nứt sẽ phụ thuộc vào
số lượng, cách bố trí và sự làm việc của các thanh cốt thép.

Hình 2. 6: Dạng phá hoại cắt
15


Theo hình 2.6 vết nứt phát triển từ vị trí đặt lực (phía trên của dầm) đến gối tựa (phía
dưới dầm) sẽ tách dầm ra làm đôi, đây là sự phá hoại đặc trưng do lực cắt tác dụng lên
dầm.
Đối với độ bền chịu cắt của dầm chuyển, khả năng chịu cắt có thể lớn hơn 2 đến 3 lần
so với khả năng chịu cắt xác định theo phương pháp tính toán như với dầm thông
thường. Đối với dầm thông thường, cơ chế truyền lực cắt thông qua bê tông vùng nén,
cốt thép dọc, mặt gồ gề của cốt liệu trong vết nứt chéo và lực kéo trong cốt thép chịu
cắt.Tuy nhiên đối với dầm có chiều cao lớn, phần lớn tải trọng được truyền trực tiếp từ
điểm đặt lực đến gối tựa.

Cốt thép trong dầm có chiều cao tiết diện lớn có sự khác biệt so với dầm thông thường.
Cốt thép chịu kéo As bố trí theo yêu cầu chịu moment uốn nằm sát với mép chịu kéo
(mép dưới dầm), vùng kéo của dầm và vùng đặt cốt thép chịu kéo có thể nằm trong
khoảng 1/3 chiều cao phía dưới của dầm.
Ứng suất chính trong dầm khi xảy ra vết nứt chéo hướng dốc đứng hơn 45o, do đó cốt
thép đai thẳng đứng Av đi qua đường nứt chéo không nhiều, ít có hiệu quả so với cốt
thép ngang Avh. Các thanh thép ngang không chỉ có tác dụng theo hướng vuông góc
với vết nứt chéo mà còn truyền lực cắt tốt hơn lên mặt cốt liệu gồ ghề tại vết nứt chéo
b.)Tính toán khả năng chịu lực cắt của dầm
Dầm cao có tỉ số a/d < 2,5 và ln/d < 5 thường có khả năng chịu lực cắt tốt hơn dầm
thông thường, do đó khả năng chịu lực cắt Vc của dầm cao cũng tăng lên. Các biểu
thức tính toán thép chịu cắt theo tiêu chuẩn ACI-318 sẽ được trình bày như sau:
Khoảng cách x từ gối tựa đến mặt cắt bị phá hoại doc lực cắt đối với dầm cao được
tính theo công thức sau:
Đối với dầm chịu tải trọng phân bố đều: x=0.15ln
Đối với dầm chịu tải trọng tập trung: x=0.5a
Trong đó:
+ ln: là khoảng cách giữa các mép trong gối tựa
16


+ a: Khoảng cách từ gối tựa tới lực tập trung
Trong các trường hợp trên x không được vượt quá chiều cao hữu hiệu d của dầm.
Lực cắt do ngoại lực tác dụng phải thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Đối với dầm có tỷ số ln/d < 2 thì Vu ≤ Ø(8√f′c bwd)
2

ln

3

d

+ Đối với dầm có tỷ số 2 ≤ ln/d ≤ 5 thì Vu ≤ Ø[ *(10+ )* √f′c bwd]
Nếu không thỏa mãn các điều kiện trên thì phải mở rộng tiết diện. Hệ số giảm bền Ø
trong trường hợp này lấy bằng 0.75.
Khả năng chịu cắt của bê tông Vc được tính theo công thức sau:
Vc=(3.5-2.5*

Mu
Vu∗d

)*(1.9*√f′c+2500*ρw*

Vu
Mu

*d)*bw*d ≤ 6*√f′c*bw*d

Trong đó đại lượng trong ngoặc có giá trị giới hạn 1 < 3.5-2.5*

Mu
Vu∗d

≤ 2.5

Trong đó các hệ số cụ thể như sau:
Ø: Hệ số giảm độ bền
Mu: Moment do ngoại lực tác dụng
Vu: Lực cắt do ngoại lực tác dụng

d: Chiều cao tính toán của tiết diện dầm
bw: Bề rộng dầm
pw: Trọng lượng riêng của bê tông
Trong thiết kế có thể dùng công thức đơn giản hơn để tính toán khả năng chịu lực của
bê tông Vc= 2*√f′c*bw*d
Khi lực cắt do ngoại lực tác dụng Vu vượt quá khả năng chịu cắt của bê tông Ø*Vc, cốt
thép chịu cắt cần phải tính toán để thỏa mãn phương trình cân bằng: Vu ≤ Ø*(Vc+Vs),
khả năng chịu lực của cốt thép được tính theo công thức sau:
17


Vs=(

Av
Sv

∗

1+ln/d
12

+

Avh
Sh

∗

11+ln/d
12

)*fy*d

Trong đó:
Vs: Khả năng chịu lực của cốt thép chịu cắt
Av: Tổng diện tích cốt thép theo phương đứng
Avh: Tổng diện tích cốt thép theo phương ngang
Sv: Bước cốt thép theo phương đứng
Svh: Bước cốt thép theo phương ngang
Từ biểu thức Vu ≤ Ø*(Vc+Vs), ta biến đổi công thức trên thành:
Av
Sv

∗(

1+ln/d
12

)+

Avh
Sh

∗(

11+ln/d

Vu−Ø∗Vc

12

Ø∗fy∗d

)=

d

Khoảng cách lớn nhất Sv: Sv ≤ hoặc Sv ≤ 45cm (18in) (chọn giá trị nhỏ hơn)
5

Khoảng cách lớn nhất Svh: Svh ≤

d
3

hoặc Sv ≤ 45cm (18in) (chọn giá trị nhỏ hơn)

+ Diện tích thép nhỏ nhất Av: Av=0.0015bsv
+ Diện tích thép thép nhỏ nhất Avh=0.0025bsh
2.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo
2.2.1 Cơ sở của mô hình chống - giằng, các giả thiết áp dụng
Phương pháp tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo mô hình chống – giằng
dựa trên lý thuyết cận dưới ( còn gọi là định lý cân bằng ) của lý thuyết dẻo. Đinh lý
này được phát biểu như sau: “ Nếu tìm được trong kết cấu một trạng thái ứng suất cân
bằng với tải trọng ngoài và ứng suất tại mọi điểm trong kết cấu nhỏ hơn hoặc bằng giới
hạn chảy của vật liệu thì kết cấu sẽ không bị phá hoại hoặc ở giới hạn phá hoại”. Vì
kết cấu có thể chịu được tải trọng ngoài này, nên người ta nói tải trọng là cận dưới của
khả năng chịu lực kết cấu.

18

Trong mô hình chống - giằng, các luồng nội lực được lý tưởng hóa thành một chống –
giằng tạo bởi các thanh chống bê tông chịu nén và các thành giằng cốt thép chịu kéo.
Lúc này định lý cận dưới của lý thuyết dẻo có thể được hiểu như sau: “ Khi chống –
giằng thỏa mãn điều kiện cân bằng dưới tác dụng của ngoại lực và ứng suất trong
thanh giằng không vượt quá giới hạn chảy fy, ứng suất trong thanh chống không vượt
quá cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông fce, thì kết cấu không bị phá hoại dưới tác
dụng của hệ ngoại lực đó”.
Để có thể mô hình hóa kết cấu thành mô hình chống - giằng chịu lực và áp dụng lý
thuyết dẻo, cần dựa vào các giả thuyết sau đây:
+ Bê tông chịu toàn bộ lực nén và là vật liệu dẻo lý tưởng có cường độ chịu nén hiệu
quả fce=vf’c ( f’c là cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông, v là hệ số hiệu quả của bê
tông)
+ Cốt thép là vật liệu dẻo lý tưởng có giới hạn chảy là fy và phải chịu tất cả các lực
kéo.
+ Trục của các thanh chống, thanh giằng và đường tác dụng của các ngoại lực phải
giao nhau tại các nút.
+ Giàn sẽ bị phá hoại khi một thanh chống hoặc vùng nút bị nén vỡ hoặc một số thanh
giằng chịu kéo bị chảy đủ hình thành nên cơ cấu.
Ngoài ra khi cấu tạo, cần phải đảm bảo cốt thép thanh giằng được neo đủ, bê tông tại
gối đỡ và các vùng chịu lực tập trung không bị phá hoại do ép mặt.
Mặc dù định lý cận dưới chặt chẽ về mặt toán học, nhưng rõ ràng nếu ta tìm được một
hệ giàn truyền lực trong kết cấu được xét là cận dưới của khả năng chịu lực thực sự,
thì vẫn có thể còn có các hệ đường truyền lực khác truyền được tải trọng lớn hơn.
Nhiệm vụ của người thiết kế là phải tìm được ít nhất một hệ giàn truyền lực hợp lý và
đảm bảo rằng độ lớn của các luồng nội lực nằm trong giới hạn chảy.

19