thiết kế tiết diện dầm bê tông cốt thép tối ưu về mặt kinh tế

TRUONG D�I HQC MO THANH PHO HO CHI MINH

BAo cAo TONG KET
BE TAI NGHIEN CUU KHOA HQC CUA SINH VIEN
THAM GIA XET GI.AI THUONG SINH VIEN NCKH CAP TRUONG

THIET KE TIET DIEN DAM BE TONG COT THEP
,r.

,J;.

,r.

.-

�

"

"

,r.

,

TOI uu VE MAT KINH TE

Ma s6 d� tai:.T.SV.�.i1-t(11s-C)-16
r' fi', "'
n. r, 'J{d
vm,1

\ ucvv
1

Thu(k nh6rµ nganh khoa h9c: Kinh t� Xay dµng

N�tt�i:i OtttJ 'fc�,;

Lutli \t,Jf Ha�:

TP H6.Chi Minh, 03/2014


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

MỤC LỤC.
Danh mục bảng biểu....................................................................................................4
Danh mục từ viết tắt. ...................................................................................................6
Thông tin kết quả nghiên cứu của đề tài .....................................................................8
Thơng tin về sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài .................................11
CHƯƠNG MỞ ĐẦU
1) Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ................................17
2) Lý do hình thành đề tài. ...............................................................................21
3) Mục tiêu nghiên cứu. ...................................................................................21
4) Đối tượng nghiên cứu. .................................................................................21
5) Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................22
6) Phạm vi nghiên cứu. ....................................................................................22
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I) Lý thuyết tính tốn dầm bê tơng cốt thép. .......................................................23

1) Giả thiết tính tốn. .......................................................................................23
2) Sơ bộ tiết diện. .............................................................................................23
3) Tải trọng. .....................................................................................................24
4) Tính nội lực . ...............................................................................................24
II) Điều kiện cấu tạo cốt thép. .............................................................................25
1) Chiều dài và cấu tạo đoạn neo, cắt cốt thép. ..............................................25
2) Nguyên tắc chọn và bố trí cốt thép. ............................................................26
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN TIẾT DIỆN DẦM
I) .Tính tốn cốt dọc cho dầm 500*250 (mm). .....................................................28
1) Tải trọng tác dụng lên dầm; .........................................................................28
2) Sơ đồ tính....................................................................................................29
3) Tính nội lực: .................................................................................................29
4) Tính cốt thép cho dầm: ................................................................................29
II) Tính tốn cốt đai cho dầm. ...............................................................................32
Nghiên cứu khoa học sinh viên

1


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

1) Chọn sơ bộ khoảng cách đặt cốt đai ........................................................32
2) Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông. ...................................................33
3) Kiểm tra độ bền trên dải nghiêng giữa các vết nứt xiên. .........................33
4) Chọn khoảng cách đặt cốt đai cho dầm. ...................................................33
CHƯƠNG 3: TÍNH DỰ TỐN
1) Bốc khối lượng. .........................................................................................34
2) Đơn giá. .....................................................................................................34

3) Tính dự tốn dầm với G8. .........................................................................35
4) Tổng hợp kết quả dự toán và Kết Luận.....................................................38
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN TỐI ƯU THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG
I) Giả thiết tính tốn ..........................................................................................38
II) Hàm mục tiêu. ...............................................................................................38
1) Bê tông ......................................................................................................29
2) Cốt Thép ...................................................................................................39
2.1) Cốt dọc..................................................................................................39
2.2) Cốt đai. .................................................................................................40
3) Cốp pha. ....................................................................................................41
4) Vữa trát. ....................................................................................................41
5) Lớp bã. .....................................................................................................41
6) Lớp sơn......................................................................................................41
III) Điều kiện ràng buộc. .....................................................................................42
1) Điều kiện ràng buộc về tiết diện ..............................................................42
2) Điều kiện ràng buộc về hàm lượng cốt thép . ..........................................42
3) Điều kiện ràng buộc về khả năng chịu lực. .............................................42
IV) Tính tối ưu cho dầm nhịp 7.0 m. ...................................................................43
1) Hàm mục tiêu ...........................................................................................43
2) Ràng buộc ................................................................................................43
3) Giải bài toán với Solver ...........................................................................44
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1) Kết luận. ...................................................................................................49
Nghiên cứu khoa học sinh viên

2


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

2) Hạn chế của nghiên cứu ............................................................................49
3) Kiến nghị ................................................................................................50
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................51
Phụ lục. ........................................................................................................................52

DANH MỤC BẢNG BIỂU.
Phần thuyết minh
Bảng 3.1 Tổng hợp đơn giá
Bảng 3.2 Tổng hợp chi phí cho dầm 5.0m
Bảng 3.3 Tổng hợp chi phí cho dầm 6.0m
Bảng 3.4 Tổng hợp chi phí cho dầm 7.0m
Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả nghiên cứu.
Bảng 5.1 Tiết diện và hàm lượng cốt thép tối ưu cho từng nhịp dầm
Phần Excel.
Bảng 5.0.Chọn tiết diện và tính nội lực cho dầm 5.0m.
Bảng5. 1 Tính cốt dọc tại gối cho dầm 5.0m.
Bảng 5.2 Tính cốt dọc tại nhịp cho dầm 5.0m.
Bảng 5.3 Tính cốt đai cho dầm 5.0m.
Bảng 5.4 Tổng hợp chi phí các tiết diện dầm 5.0m.
Bảng 6.0 Chọn tiết diện và tính nội lực cho dầm 6.0m.
Bảng 6.1 Tính cốt dọc tại gối cho dầm 6.0m.
Bảng 6.2 Tính cốt dọc tại nhịp cho dầm 6.0m.
Bảng 6.3 Tính cốt đai cho dầm 6.0m.
Bảng 6.4 Tổng hợp chi phí các tiết diện dầm 6.0m.
Bảng 7.0.Chọn tiết diện và tính nội lực cho dầm 7.0m.
Nghiên cứu khoa học sinh viên

3

Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hồi Nghĩa

Bảng 7.1. Tính cốt dọc tại gối cho dầm 7.0m.
Bảng 7.2. Tính cốt dọc tại nhịp cho dầm 7.0m.
Bảng 7.3. Tính cốt đai cho dầm 7.0m.
Bảng 7.4 Tổng hợp chi phí các tiết diện dầm 7.0m.

Nghiên cứu khoa học sinh viên

4


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.
a: Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép.
@: Khoảng cách từ trọng tâm lớp cốt thép đến mép bê tông gần nhất.
b: bề rộng tiết diện dầm.
B: cấp độ bền chịu nén của bê tơng.
d: Đường kính cốt thép.
Eb: Mơ đun đàn hồi ban đầu của bê tông khi nén và kéo (MPa).
Es: Mô đun đàn hồi của cốt thép (MPa).
h: chiều cao tiết diện dầm.
h0: chiều cao làm việc, chiều cao có ích của dầm.

L: Chiều dài nhịp.
m: mét.
M: Moment trong dầm
[M]: Môment cho phép của cấu kiện chịu uốn.
n: hệ số vượt tải.
NXB: Nhà xuất bản.
Q: Lực cắt trong dầm.
Rb: Cường độ tính tốn chịu nén của bê tơng theo trạng thái giới hạn thứ nhất.
Rbt: Cường độ tính tốn chịu kéo của bê tơng theo trạng thái giới hạn thứ nhất.
Rs: Cường độ tính tốn cốt thép dọc (MPa).
Rsc: Cường độ tính tốn chịu nén của cốt thép (MPa).
Rsw: Cường độ tính tốn cốt thép ngang (MPa).
s: Khoảng cách đặt cốt đai
: Đường kính cốt thép.
µmax: hàm lượng cốt thép lớn nhất trong dầm.
µmin: hàm lượng cốt thép tối thiểu trong dầm.
Nghiên cứu khoa học sinh viên

5


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

: hệ số điều kiện làm việc
TP: Thành phố.
VNĐ: Việt Nam đồng.

Nghiên cứu khoa học sinh viên

6


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Thiết Kế Tiết Diện Dầm Bê Tông Cốt Thép Tối Ưu Về Mặt Kinh Tế
- Sinh viên thực hiện: Đinh Viết Tuấn
- Lớp: XD10a1 Khoa: Xây Dựng và Điện Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4.5
- Người hướng dẫn: Thạc Sĩ. Nguyễn Hồi Nghĩa.

2. Mục tiêu đề tài:
- Tính tốn xác định nội lực của dầm bê tơng cốt thép có nhịp cho trước sau khi giả
thiết tiết diện dầm. Xác định diện tích cốt thép và bố trí thép. So sánh với hàm
lượng cốt thép min và max.
- Tính tốn tối ưu tiết diện dầm bê tông cốt thép, hàm lượng thép theo điều kiện về
kinh tế.

3. Tính mới và sáng tạo:
Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thyết về bê tông cốt thép và giá vật tư tại thời điểm
hiện tại ( Tháng 03-2014). Từ kết quả nghiên cứu về tất cả các tiết diện bê tơng cốt
thép có thể cho mỗi nhịp dầm cho trước kết hợp với phần mềm tính dự tốn G8 sẻ
cho kết quả thuyết phục hơn .

4. Kết quả nghiên cứu:
Từ kết quả nghiên cứu các tiết diện dầm bê tông cốt thép đối với từng nhịp dầm ta
có 1 tiết diện dầm tối ưu nhất về mặt kinh tế được thể hiện trong bảng dưới đây.

Nghiên cứu khoa học sinh viên

7


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

Bảng 1: Tiết diện dầm và hàm lượng cốt thép tối ưu cho từng nhịp dầm.
Nhịp dầm

Tiết diện tối ưu

Hàm lượng cốt thép tối ưu (%)

STT
(mm)

h (mm)

b (mm)

Tại gối

Tại nhịp

1

5000

400

150

1.58

0.79

2

6000

500

150

1.76

0.84

3

7000

500

200

2.23

0.89

µmax

Tỉ lệ tối ưu
nhịp dầm
L/12

2.56

L/12
L/14

 Từ kết quả nghiên cứu ta có thể kết luận:
- Hàm lượng cốt thép trong dầm càng lớn thì giá thành sản xuất dầm càng
nhỏ, tuy nhiên với 1 số tiết diện hàm lượng cốt thép vượt quá giá trị cực
đai sẻ gây ra tình trạng phá hoại giịn.
- Vậy nên: Với các nhịp dầm 5.0 m, 6.0 m, và 7.0 m thì tiết diện dầm tối
ưu nhất về mặt kinh tế hiện nay là tiết diện có hàm lượng cốt thép đặt
trong dầm đạt giá trị cực đại. Hàm lượng cốt thép trong dầm càng tiến
gần đến giá trị cực đại thì giá thành càng giảm (không xét đến các tiết
diện dầm có lượng cốt thép vượt quá hàm lượng cốt thép cực đại).
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội,giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc
phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

- Việc đưa ra tiết diện dầm bê tông cốt thép tối ưu nhất về mặt kinh tế trong thời
điểm hiện nay, tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh có 1 ý nghĩa to lớn là góp phần
giảm chi phí cho phần xây dựng phần thơ, từ đó giảm chi phí cho dự án. Bài nghiên
cứu góp 1 phần vào việc giảm tình trạng “ Bất động sản đóng băng” như hiện nay.
- Khả năng áp dụng của đề tài: kết quả nghiên cứu có thể áp dụng ở tất cả các địa
phương có giá thành vật liệu cấu tạo nên dầm không chênh lệch nhiều so với khu
vực thành phố Hồ Chí Minh.
Nghiên cứu khoa học sinh viên

8


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

Ngày 17 tháng 03 năm 2014
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)

 Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên
thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày

tháng

năm

Xác nhận của đơn vị
(ký tên và đóng dấu)

Nghiên cứu khoa học sinh viên

Người hướng dẫn
(ký, họ và tên)

9


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM

THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
Ảnh 4x6

Họ và tên: Lưu Viết Hải
Sinh ngày:

28

tháng

07

năm 1992

Nơi sinh:TP Hồ Chí Minh
Lớp:

XD10a1

Khóa: 2010 - 2014

Khoa: Xây Dựng và Điện
Địa chỉ liên hệ: 66/22 Phạm Văn Chiêu .P16. Q. Gò Vấp
Điện thoại: 0165.525.8808

Email:

II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP
* Năm thứ 1:
Ngành học:

Xây dựng dân dụng và công nghiệp Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập:Khá
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 2:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:...

* Năm thứ 3:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
Nghiên cứu khoa học sinh viên

Khoa: Xây Dựng và Điện
10


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 4:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:

Ngày 17

tháng 03

năm 2014

Xác nhận của đơn vị
(ký tên và đóng dấu)

Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)

Nghiên cứu khoa học sinh viên

11


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM

THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
Ảnh 4x6

Họ và tên: Nguyễn Duy Tài
Sinh ngày: 11 tháng

11

năm 1992

Nơi sinh: Đăk lăk
Lớp:

XD10a2

Khóa: 2010 - 2014

Khoa: Xây Dựng và Điện
Địa chỉ liên hệ: Điện thoại: 0167.243.2080
Email:
II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP
* Năm thứ 1:
Ngành học:

Xây dựng dân dụng và công nghiệp Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập: Trung Bình
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 2:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập: Trung bình
Sơ lược thành tích:...

* Năm thứ 3:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
Nghiên cứu khoa học sinh viên

Khoa: Xây Dựng và Điện
12


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 4:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Khoa: Xây Dựng và Điện
Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:

Ngày 17

tháng 03

năm 2014

Xác nhận của đơn vị
(ký tên và đóng dấu)

Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

(ký, họ và tên)

Nghiên cứu khoa học sinh viên

13


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM

THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
Ảnh 4x6

Họ và tên: Đinh Viết Tuấn
Sinh ngày:

24

tháng 02

năm 1992

Nơi sinh: Đồng Nai

Lớp:

XD10a1

Khóa: 2010 - 2014

Khoa: Xây Dựng và Điện
Địa chỉ liên hệ: 1074/10 Quang Trung .P.8 Q. Gò Vấp
Điện thoại: 0166.841.8029

Email:

II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP
* Năm thứ 1:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập: Trung Bình
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 2:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập: Trung bình
Sơ lược thành tích:...

* Năm thứ 3:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Nghiên cứu khoa học sinh viên

Khoa: Xây Dựng và Điện
14


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 4:
Ngành học: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Khoa: Xây Dựng và Điện

Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:

Ngày 17

tháng 03

năm 2014

Xác nhận của đơn vị
(ký tên và đóng dấu)

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)

Nghiên cứu khoa học sinh viên

15


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hồi Nghĩa

Chương mở đầu
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài.
Đất nước ta ngày càng phát triển, nhu cầu về một không gian sống cũng tăng
theo nhưng thực tế hiện nay có quá nhiều dự án đã xây xong nhưng không bán được.
Một trong những ngun nhân chính dẫn đến tình trạng trên đó là: chi phí cho xây
dựng quá cao, những chi phí này bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân khác nhau từ thiết
kế tới thi cơng và bảo hành, bảo trì …Vậy để giảm giá thành cho một dự án thì người
thiết kế phải chọn được các thông số tối ưu về diện tích, thể tích, khối tích …vv.Nhà
thầu thi cơng phải chọn được các phương pháp thi công tối ưu cho từng hạng mục,
từng công tác.Biết áp dụng triệt để tiến bộ khoa học kĩ thuật vào thi công và cuối cùng
nhà thầu phải biết đánh giá và “vận hành” công trình ra sao để cho chi phí bảo hành,
bảo trì là thấp nhất, nếu làm được vậy cung sẽ gặp được cầu. Tuy nhiên vấn đề đặt ra
là với từng địa phương khác nhau thì khả năng áp dụng các tiến bộ khoa học kĩ thuật
cũng có sự khác biệt theo sự phát triển của từng địa phương mà công trình được xây
dựng. Mặt khác, cũng chính vì sự khác nhau giữa các địa phương ta sẽ có các thơng số
đầu vào cho từng hồ sơ thiết kế là khác nhau. Vì vậy, một trong những bài tốn đặt ra
cho người thiết kế đó là làm sao chọn được tiết diện dầm tối ưu nhất về mặt kinh tế,
chúng ta đều biết rằng hàm lượng cốt thép trong dầm phải nằm trong giá trị cho phép

μmin và μmax thì ta sẽ có được tiết diện dầm là hợp lý về khả năng chịu lực, tuy nhiên
thực tế khoảng cách giữa μmin và μmax là khá lớn, vậy giá trị nào là tối ưu cho dầm bê
tông cốt thép trong thời điểm hiện nay, phải chăng hàm lượng cốt thép trong dầm nên
tiến gần về giá trị cực tiểu μmin thì sẽ kinh tế hơnhay ngược lại .
Với mục tiêu tiết kiệm chi phí xây dựng, chế tạo một cách tối đa hiện nay đã có
1 số cơng trình nghiên cứu về việc tối ưu hóa các kết cấu trong xây dựng, chế tạo
như:
-

Đề tài “ Nghiên Cứu Phương Pháp Tối Ưu Hóa Kết Cấu Áp Dụng Trong Các
Kết Cấu Thép”, tác giả Phạm Bá Linh.

Tác giả dùng phương pháp tìm kiếm trực tiếp kết hợp với phương pháp chia đôi mà
tác giả gọi là “phương pháp khe hẹp”. Các chương trình được viết dựa trên nền tảng
Nghiên cứu khoa học sinh viên

16


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hồi Nghĩa

của Matlab để tìm lời giải tối ưu cho diện tích mặt cắt ngang nhỏ nhất có thể của thân
tàu mà vẫn đảm bảo độ bền và độ ổn định của cả con tàu. Từ kết quả nghiên cứu tác
giả đưa ra kết luận: “ với phương pháp khe hẹp số lần phân tích kết cấu giảm xuống
95.27% , với phương pháp khe hẹp vàng kết quả cịn ấn tượng hơn khi giảm đến
96.83% số lần tính. Vì vậy theo tác giả “ nên áp dụng phương pháp khe hẹp vàng vì
cho tốc độ tối ưu cao hơn”.
-

Đề tài “ Thiết Kế Tối Ưu Hóa Kết Cấu Thép Bằng Thuật Tốn Tiến Hóa”, tác
giả Vũ Anh Tuấn , Nguyễn Quốc Cường.

Bài báo giới thiệu tổng quan về “ một số thuật toán tối ưu kết cấu sử dụng thuật tốn
tiến hóa, trình bày một số vấn đề khi thiết kế tối ưu kết cấu”. Bên cạnh đó nhóm tác
giả cũng giới thiệu một số “các ví dụ tối ưu kết cấu chi tiết để kiểm tra sự chính xác
cũng như tính ưu việt của thuật tốn tiến hóa vi phân và so sánh với các thuật tốn
khác”.Từ kết quả nghiên cứu 3 ví dụ : hệ giàn khơng gian 25 phần tử, cột có dây căng
và kết cấu khung phẳng gồm 2 nhịp và 6 tầng,nhóm tác giả đưa ra kết luận:“việc tối
ưu kết cấu sử dụng thuật toán vi phân đều cho kết quả tốt hơn các thuật toán khác .
Tuy nhiên cũng như các thuật tốn tiến hóa khác, thuật tốn tiến hóa vi phân có thời
gian tính tốn cịn lớn”. “Với thuật tốn tối ưu đơn giản, có thể áp dụng cho bài tốn
tối ưu tiết diện liên tục hoặc rời rạc, việc áp dụng thuật tốn tiến hóa để phân tích lựa
chọn, tiến tới tìm được phương án tối ưu giúp cho kĩ sư xây dựng có thêm phương án
lựa chọn khi thiết kế”.
-

Đề tài “Thiết Kế Tối Ưu Tiết Diện Trong Kết Cấu Dàn Thép Bằng Phương
Pháp Phần Tử Hữu Hạn Thông Qua Việc Giải Bài Toán Quy Hoạch Phi
Tuyến” , tác giả ThS . Nguyễn Hữu Thịnh ( công ty công nghệ mới – COTEC).

Bài báo đề cập đến việc “thiết kế tối ưu kết cấu thép dạng dàn với hàm mục tiêu là
trọng lượng bản thân toàn bộ các thanh dàn. Các biến thiết kế là các diện tích tiết diện
các thanh dàn. Các điều kiện ràng buộc cần thỏa mãn bao gồm: ràng buộc về điều kiện
bền, ràng buộc về điều kiện ổn định Euler, ràng buộc về điều kiện chuyển vị, ràng
buộc về điều kiện kiến trúc, ràng buộc về điều kiện độ mảnh giới hạn và các điều kiện
ràng buộc khác trong quá trình thiết lập bài toán tối ưu”.
Nghiên cứu khoa học sinh viên

17


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hồi Nghĩa

Thơng qua “Bài tốn quy hoạch phi tuyến giải quyết theo phương pháp dựa
trên chuỗi các chương trình tuyến tính” và “Thiết lập bài tốn thiết kế tối ưu cho kết
cấu dàn thép tiết diện ống” tác giả đưa ra kết luận : “Với việc sử dụng chương trình
tự động hóa thiết kế tối ưu “MAINPROGRAMME.M” được xây dựng trên ngơn
ngữ lập trình Matlab giúp cho ta tìm được kích thước tiết diện hình ống ứng với giá
trịhàm mục tiêu (trọng lượng dàn) là nhỏ nhất một cách gần đúng.”.
-

Đề Tài. “Tối Ưu Hóa Kiểu Dáng Kết Cấu Theo Phương Pháp Mật Độ Và
Phương Pháp Tiến Hóa”, tác giả : Bùi Hoàng Giang, Nguyễn Hữu Lộc (Trường
Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM).

Báo cáo đề cập đến hai phương pháp tối ưu hóa kiểu dáng kết cấu là “phương pháp
mật độ và phương pháp tiến hóa”. Dựa trên việc xây dựng sơ đồ giải thuật và viết
chương trình tính tối ưu kết cấu trên nền Matlab. Từ đó nhóm tác giả đưa ra kết luận
“Phương pháp SIMP (solid isotropic material with penalization) tuy sinh ra dạng biên
mờ nhưng cho kết quả nhanh và đẹp hơn phương pháp ESO. Phương pháp SIMP cho
kết quả rất tốt với bộ lọc Gauss khi miền chia lưới mịn.”
Khi miền chia lưới càng mịn thì SIMP cho kết quả đáng tin cậy với kết cấu tối ưu
không thay đổi nhiều về kiểu dáng. Hơn nữa, khi sử dụng phương pháp SIMP cải tiến
thì tốc độ hội tụ còn nhanh hơn. Phương pháp ESO & BESO cho kết quả khá hợp lí
khi chọn những thơng số tiến hóa hợp lí. Trong một sốtrường hợp, kết cấu tối ưu có
thể bị mất hồn tồn nếu hệ số tiến hóa biến thiên lớn. Mặt khác, phương pháp này có

tốc độhội tụ chậm và khơng thích hợp đểgiải các bài toán lớn hoặc những bài toán
chia lưới mịn. So sánh với khi giải bằng ANSYS, ta thấy kết cấu tối ưu theo phương
pháp mật độ mịn hơn và đẹp hơn. Điều đó cho thấy rằng áp dụng những kĩ thuật lọc
thích hợp cho phương pháp mật độ sẽ cho những kết quả chấp nhận được.”
-

Đề tài: “Tối ưu hóa kết cấu nhịp dầm giản đơn bê tơng cốt thép với cốt
thường”, tác giả:TS. Lê Mạnh Hân (Trung tâm Đào tạo & Thông Tin Viện
KH&CN GTVT).

Báo cáo đề cập đến việc thiết kế tối ưu về giá trị của “số lượng và chiều cao dầm chủ
với chiều dài nhịp từ 9 đến 21m cho cầu được thông qua bởi 2 và4
Nghiên cứu khoa học sinh viên

18


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

làn xe”. Cho nhịp dầm giản đơn bê tơng cốt thép thơng thường. “Nhiệm vụ chính
của đề tài là nghiên cứu và đưa ra những khuyến nghị áp dụng với điều kiện Việt
Nam về việc chỉ định các thơng số tối ưu hóa cho nhịp dầm giản đơn theo tiêu chí
giá thành đối với những nhịp dầm và khổ cầu khác nhau tùy thuộc vào đặc
trưng vật liệu được sử dụng và các loại hoạt tải khác nhau”. “Tác giả đã phát triển
một chương trình tự động hóa thiết kế nhịp dầm giản đơn với cốt thép
thường”.Chương trình “cho phép nhập các dữ liệu đầu vào dựa trên các thông số
chung của kết cấu nhịp ( chiều dài nhịp và khổ cầu ), hoạt tải yêu cầu, dữ liệu về
các đặc tính cơ lý và giá thành của vật liệu bê tông và cốt thép được sử dụng để

nhận được tất cả các kích thước của kết cấu nhịp đảm bảo được độ bền, độ cứng,
độ mở rộng vết nứt, những yêu cầu về kết cấu theo tiêu chuẩn Snip và tối ưu hóa
theo chỉ tiêu giá trị nhỏ nhất của giá thành vật liệu để chế tạo kết cấu nhịp”.
Từ kết quả nghiên cứu tác giả khuyến nghị:
“cầu đạt giá trị tối ưu nhỏ nhất về giá thành (Cmin) đảm bảo những yêu cầu về kết
cấu tại điểm có chiều cao dầm là H = 85cm với N= 4 dầm chủ được thiết kế với
tảitrọng hoạt tải là xe AK-11, trong trường hợp N= 4”, “sự gia tăng chiều cao của
dầm dẫn đến chi phí bê tơng tăng và chi phí cốt thép giảm nhưng chi phí của bê
tơng vẫn đóng vai trị quyết định đến giá thành của toàn nhịp”. “đối với tất cả các
nhịp dầm được khảo sát theo chỉ tiêu giá thành nhỏ nhất thì giá trị tối ưu của mác
bê tơng được sử dụng là bê tơng mác B40 có cường độ chịu nén dọc trục là 205
kgN/cm2”, “giá trị tối ưu của của mác cốt thép được sử dụng là cốt thép loại AII”.
Tuy nhiên nhìn chung chưa có cơng trình nghiên cứu nào đi sâu vào vấn đề
tiết diện dầm và mối quan hệ giữa giá cả các loại vật liệu cấu tạo nên kết cấu từ đó
chọn ra được tiết diện tối ưu nhất cho từng địa phương hay từng giai đoạn tăng,
giảmgiá của các loại vật liệu. Từ đó nhóm nghiên cứu đưa ra đề tài Thiết Kế Tiết Diện
Dầm Bê Tông Cốt Thép Tối Ưu Về Mặt Kinh Tế nhằm xác định được tiết diện dầm tối
ưu nhất cho từng giai đoạn kinh tế gắn liền với sự chênh lệch giá cả các loại vật liệu
cấu thành dầm bê tông cốt thép.

Nghiên cứu khoa học sinh viên

19


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hồi Nghĩa

2)Lý do hình thành đề tài.

- Từ các môn học: Bê tông cốt thép 1, 2, đồ án và bài tập lớn bê tông cốt
thép, kinh tế xây dựng, và đặc biệt là khi được giới thiệu về Value
Engineering
(một phương pháp tiếp cận đến sự xác định và hạn chế các chi phí khơng
cần thiết).
-

Hiện nay, các tài liệu thiết kế bê tông cốt thép đều hướng dẫn lựa chọn
kích thước cấu kiện dầm bê tơng cốt thép (chiều cao dầm, bề rộng dầm)
và việc bố trí cốt thép được xem là hợp lý thông qua hàm lượng cốt thép
min và max. Sau khi xác định được các giá trị nội lực, tính tốn được diện
tích cốt thép và bố trí, chúng ta thường điều chỉnh tiết diện để tiết diện
hợp lý hơn. Tuy nhiên, như thế nào là hợp lý? Có phải chỉ cần hàm lượng
thép trong phạm vi hàm lượng cốt thép min và max là được? Hàm lượng
nằm gần phía min là tốt hơn hay nằm về phía max là tốt hơn?.

 Xuất phát từ những vướng mắc chưa có lời đáp đó nhóm nghiên cứu chọn đề
tài Thiết Kế Tiết Diện Dầm Bê Tông Cốt Thép Tối Ưu Về Mặt Kinh Tế.
3) Mục tiêu nghiên cứu.
- Tính tốn xác định nội lực của dầm bê tơng cốt thép có nhịp cho trước sau
khi giả thiết tiết diện dầm. Xác định diện tích cốt thép và bố trí thép. So
sánh với hàm lượng cốt thép min và max.
- Tính tốn tối ưu tiết diện dầm bê tông cốt thép, hàm lượng thép theo điều
kiện về kinh tế.
Từ đó đưa ra đề xuất tiết diện dầm có lợi nhất về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm
bảo đủ khả năng chịu lực.
4) Đối tượng nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu là dầm bê tông cốt thép thường có bước nhịp điển
hình là 5,0m, 6,0m và 7.0m.
-

Giá thành các loại vật liệu, nhân công, giá ca máy được chọn tại khu vực
thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 03 năm 2014.

Nghiên cứu khoa học sinh viên

20


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hồi Nghĩa

5) Phương pháp nghiên cứu.
-

Tính tốn các tiết diện dầm trong từng nhịp với công cụ Excel kết hợp với
chương trình tính dự tốn G8 để tìm chi phí xây dựng cho từng tiết diện
dầm.

-

Bên cạnh đó sử dụng thuật tốn Solver trong Excel để tính tối ưu cho kết
cấu.

-

Sau cùng nhóm nghiên cứu sẽ tổng hợp 2 phương pháp trên để đưa ra tiết
diện dầm tối ưu nhất về mặt kinh tế.

6) Phạm vi nghiên cứu.
-

Dầm bê tông cốt thép chỉchịu uốn do tải trọng phân bố đều trên
dầm,khơng có lực tập trung ( từ dầm phụ truyền vào).

-

không xét đến các tải trọng đặc biệt như động đất, cháy nổ, va
chạm.......vv.

-

Tính tốn khả năng chịu tải của dầmtheo trạng thái giới hạn thứ nhất.

-

Dầm bê tông cốt thép không chịu ảnh hưởng của xâm thực hay mơi
trường kiềm, axít .

-

Đơn giá vật liệu, nhân cơng, ca máy lấy theo giá thực tế tại khu vực TP
Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu khoa học sinh viên

21

Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa

Chương 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I) Lý thuyết tính tốn dầm bê tơng cốt thép.
1 Giả thiết tính tốn.
- Dầm bê tơng cốt thép chỉ chịu uốn do tải trọng phân bố đều trên dầm, khơng
có lực tập trung ( từ dầm phụ truyền vào).
-

Không xét đến các tải trọng đặc biệt như động đất, cháy nổ, va chạm.......vv.

-

Tính tốn khả năng chịu tải của dầm theo trạng thái giới hạn thứ nhất.

-

Dầm bê tông cốt thép không chịu ảnh hưởng của xâm thực hay mơi trường
kiềm, axít.

-

Dầm bê tơng cốt thép có bê tơng cấp độ bền B20,

-

Rn = 11.5 MPa, Rbt = 0.9 MPa, Eb= 27.103 MPa

-

Cốt thép nhóm A-II.

-

Rs = 280 MPa, Rsw = 225 MPa, Rsc = 280 MPa, Es = 21.104 MPa.

-

Hệ số điều kiện làm việc của bê tông b = 1

-

m = 0.429 , R = 0.623.

-

Bê tơng cốt thép có khối lượng riêng  = 25 KN/m3.

2 Sơ bộ tiết diện.
- Sơ bộ kích thước dầm:
Chiều cao dầm h : h=

1
20

h

h

4

2

1

L ÷ L“Kết cấu bê tơng cốt thép _ Võ Bá Tầm (2004)”
8

Bề rộng dầm b: b = ÷ .
Để thuận tiện cho thi công ta chọn b và h là bội số của 50.
Vì lý do cấu tạo ta khơng chọn những dầm có bề rộng b= 50 và b=100 mm.
Sơ bộ chiều dày sàn: “Kết cấu bê tông cốt thép _ Võ Bá Tầm (2012)”
Chiều dày sàn theo công thức :
hs=

Nghiên cứu khoa học sinh viên

𝐷
𝑚

L1

22


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế

GVHD: Ths Nguyễn Hồi Nghĩa

trong đó:
m = 30 ÷ 35 đối với bản dầm.
D = 0.8 ÷ 1.4 phụ thuộc vào tải trọng.
L1 : cạnh ngắn ô bản sàn.
3 Tải trọng .
3.1Trọng lượng bản thân dầm.
3.2Tải trọng tường truyền lên dầm ( giả sử chiều cao tầng 3.6m).
3.3 Tải trọng truyền từ sàn lên dầm.
3.3.1Tĩnh tải: bao gồm trọng lượng các lớp cấu tạo sàn
+ Trọng lượng các lớp cấu tạo
- Lớp gạch ceramic:

 = 20 kN/m3,  = 10 mm, n = 1.2

- Lớp vữa lót:

 = 18 kN/m3,  = 40 mm,n = 1.1

- Trọng lượng bản sàn:  = 25 kN/m3,  = 15 mm,n = 1.1
- Lớp vữa trát :

 = 18 kN/m3,  = 1.5 mm,n = 1.1

3.3.2 Hoạt tải:
Chọn hoạt tải theo TCVN 2737-1995, nhà ở kiểu căn hộP = (150
daN/m2).
 Lưu ý :
Kích thước ô sàn được chọn có chiều dài các cạnh bằng nhau và bằng

chiều dài nhịp dầm.
4 Tính nội lực .
Quan điểm tính tốn : Để đơn giản cho tính tốn coi sơ đồ tính là dầm đơn giản 2 đầu
liên kết ngàm.
𝑛
Moment lớn nhất giữa nhịp: 𝑀𝑚𝑎𝑥
=

Nghiên cứu khoa học sinh viên

𝑞𝑙 2
24

( KN.m)
23


Thiết kế tiết diện dầm tối ưu về kinh tế
𝑔

Moment lớn nhất tại gối :𝑀𝑚𝑎𝑥 =
Lực cắt lớn nhất tại gối : Q max =

GVHD: Ths Nguyễn Hoài Nghĩa
𝑞𝑙 2
12

𝑞𝑙
2

( KN.m)

( KN)

II) Điều kiện cấu tạo cốt thép.
1) Chiều dài và cấu tạo đoạn neo, cắt cốt thép.
Chiều dài đoạn neo được tính theo cơng thức
𝑙𝑎𝑛 = (𝑤𝑎𝑛
-

+ 𝑎𝑛 ) 𝑑

( TCVN 5574 : 2012)

Đoạn neo cốt thép chịu kéo trong vùng bê tông chịu kéo.

𝑙𝑎𝑛 = (0.7
-

𝑅𝑠
𝑅𝑏

280
11.5

+ 11) 𝑑 và không nhỏ hơn 12d

Đoạn neo cốt thép chịu nén hoặc kéo trong vùng chịu nén của bê tông .

𝑙𝑎𝑛 = (0.5

280
11.5

+ 8) 𝑑

và không nhỏ hơn 20d .

Để tiết kiệm vật liệu.
Cốt thép chịu kéo tại gối được neo vào gối và đươc cắt tại vị trí L/4 kể từ gối gần nhất
Cốt thép chịu uốn giữa nhịp được cắt tại vị trí cách gối tựa 1 đoạn L/5.
để tiết kiệm vật liệu. Ta chọn chiều dài đoạn neo và cắt cốt thép như hình bên dưới.

Nghiên cứu khoa học sinh viên

24