Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: Prof. Andrew Whittaker Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ Chương 1: GIỚI THIỆU CHUG VÀ CÁC PHƯƠG PHÁP THIẾT KẾ 1.1 ỘI DUG MÔ HỌC 1.1.1 Mục tiêu Mục đích của môn học này là phát triển một kiến thức chuyên sâu về công trình BTCT chủ yếu dựa trên các phương pháp phát triển mới và áp dụng gần đây ở các nước tiên tiến Âu Mỹ (tiêu chuNn M ACI 318, tiêu chuNn châu Âu Eurocode 8). Mc tiêu chính s là các hiu bit v ch  làm vic, phân tích và thit k các thành phn, kt cu, và h thng thưng dùng trong công trình xây dng. N goài ra, phân tích ng t và phương pháp thit k chng ng t cũng ưc gii thiu  mc  khái quát trong môn hc này. 1.1.2 Các chủ đề thuyết trình Cơ s giáo trình này là các bài ging cho hc viên cao hc - CIE 525 Reinforced Concrete Structures - ca Prof. Andrew Whittaker (Buffalo University, N Y, USA, 2001). N i dung chương 12 gii thiu chương trình CAST tính giàn o - Computer Aided Strut and Tie - ca Prof. Daniel A. Kuchma (University of Illinois at Urbana Champaign, IL, USA). N i dung chương 13-15 tham kho bài ging - CE 243A Behavior and Design of RC Elements- ca Prof. John Wallace (California University, CA, USA). Các ch  trình bày bao gm:  Các phương pháp thit k  Vt liu bê tông ct thép  Phân tích mômen- cong  Phân tích ưng chy do (yieldline analysis) ca tm sàn  Phương pháp di (strip-method) trong phân tích tm sàn  Mô hình “giàn o” (strut and tie) trong thit k BTCT  Ch  làm vic ca BTCT chu ti gây un, ti dc trc, và ti gây ct  Phân tích và thit k công trình chng ng t 1.1.3 Tài liệu tham khảo Hc viên cao hc cn tìm tiêu chuNn M ACI 318 Building Code, 2005 hay 2008 Mt s tài liu tham kho hu ích khác bao gm: [1] MacGregor, J. G., 1997, Reinforced Concrete Mechanics and Design, 3 rd Ed., Prentice Hall. [2] Schaeffer, T. C., 1999, Design of Two-Way Slabs, SP 183, American Concrete Institute, Michigan. [3] Tjhin, T. N . and Kuchma, D. A., 2004, Computer Aided Strut-and-Tie, version 0.9.11, University of Illinois at Urbana Champaign, Illinois. [4] Priestley, M. J. N . and Paulay, T., 1992, Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley. Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K [5] Booth, E. and Key, D., 2006, Earthquake Design Practice for Buildings, 2 nd Ed., Thomas Telford Ltd. [6] ICBO, 2000, International Building Code, International Conference of Building Officials, Whittier, CA. [7] FEMA, 2000, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 356, Washington, DC. [8] B Xây Dng, 2006, Thiết Kế Công Trình Chịu Động Đất, TCXDVN 375-2006, N XB Xây Dng, Hà N i. 1.1.4 Thời gian giảng dạy (45 tit) Bài giảng (số tiết) Tiêu đề Chương 1 (3 tiết - tun 1) Gii thiu chung và các phương pháp thit k Chương 2 (1 tiết - tun 2) Vt liu bê tông ct thép Chương 3 (2 tiết - tun 2) Bê tông ct thép b ép ngang (confined) Chương 4 (3 tiết - tun 3) Phân tích mômen- cong Chương 5 (3 tiết - tun 4) Phân tích và thit k h thng tm sàn Chương 6 (3 tiết - tun 5) Phân tích ưng chy do ca tm sàn Chương 7 (4 tiết- tun 6-7) Phương pháp di trong phân tích tm sàn Chương 8 (4 tiết- tun 7-8) Mô hình “giàn o”: khái nim và mô hình Chương 9 (4 tiết - tun 8-9) Mô hình “giàn o”: nút - thanh chng - thanh ging Chươ ng 10 (3 tiết - tun 10) Ch  làm vic ca kt cu BTCT chu lc un và lc dc trc Chương 11 (1 tiết - tun 11) Ch  làm vic ca kt cu BTCT chu lc gây ct Chương 12 (3 tiết - tun 12) Tính toán giàn o bng chương trình CAST (Computer Aided Strut-and-Tie) Chương 13 (4 tiết - tun 13) Khái quát v phân tích và thit k công trình chng ng t Chương 14 (4 tiết - tun 14) Phân tích và thit k khung BTCT chng ng t Chương 15 (4 tiết - tun 15) Phân tích và thit k vách cng BTCT chng ng t Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K 1.2 THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐG KHUG KẾT CẤU CHNU LỰC 1.2.1 Các vấn đề cần nghiên cứu và hạn chế trong thiết kế Quá trình thit k kt cu bao gm các vn  cn nghiên cu sau: 1) Công năng và hình dáng công trình  Truy tìm thông qua các phương án thit k kin trúc và thit k kt cu o nhu cu bao hàm c không gian tng th và ni dung bên trong o cung cp  an toàn cao cho ngưi th hưng o S làm vic thun tin trong không gian kèm theo ca phuơng án  S mong mun ca ch u tư o công trình có th phát trin m rng hơn na,  N hu cu uyn chuyn trong thit k qui hoch và d sa sang ci to khi cho thuê mưn o có th gây áp lc trong vic la chn phương án h kt cu chu lc: khung chu mô men (moment frame), vách cng, hay khung h ging (braced frame) 2) Hiu qu kinh t, và giá thành xây dng  Các kỳ vng ca ch u tư: ví d ơn gía sut u tư so vi các d án khác, kh năng hoàn vn  Dùng bê tông nh nhm làm gim ti a ti trng lên móng trong công trình nhà cao tng 3)  bn vng  S làm vic dài hn, bo qun công trình o Dùng bê tông nng cho công trình bo v o Dùng bê tông thưng (không dùng bê tông nh) cho các kt cu chu lc bên ngoài  Áp dng các lp ph có kh năng thích nghi vi vt nt do bê tông b co ngót hay dùng các lp ph thêm  tăng thêm  bn vng ca công trình  Làm vic trong môi trưng ăn mòn o Sơn ph epoxy lên các thanh thép o Dùng các h thng chng ăn mòn kiu ca tt (cathodic protection systems) 4) Tng th kt cu  Bo m  an toàn công cng  Tho mn các qui phm. tiêu chuNn xây dng quc gia ti thiu, gm ASCE-7, ACI 318, International Building Code  Thit k bo m chu ti bình thưng (expected loads) và ng x do (ductile response) trong các trưng hp vưt ti (do ti trng lc, ng t, n, )  Thit k chu mi (fatigue) trong mt s trưng hp (như trong thit k cu)   cng tng th  ln  kim soát  võng ngn hn và dài hn trong gii hn cho phép và  cc tiu dao ng công trình Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K N hng giới hạn điển hình gì gây áp lc lên k sư thit k kt cu ? 1) N gân qu xây dng hn ch t ch u tư  Chi phí xây dng h khung kt cu thưng thp hơn 25 % tng chi phí ca d án 2) Phí dch v k thut kt cu  Có th thp bng 1 % tng chi phí ca d án  Ít ưc khuyn khích  cách tân nu li nhun ca ngưi thit k b mp m 3) Ch u tư và/hoc kin trúc sư thiu kin thc  s gây tr ngi trong các tho lun v các vn  mà qui phm ã qui nh v ng x ca kt cu và phương pháp thit k  ci thin ch  làm vic ca kt cu 4) K sư thit k kt cu thiu kin thc  N hiu k sư thc hành ưc ào to trưc khi ra i các phương pháp thit k da trên chuyn v (displacement-based design) và thit k da trên hiu sut (performance-based design) và phn ln tin cy vào các phương pháp tuyn tính ca phân tích kt cu ưc trình bày trong các tiêu chuNn thc hành (ví d, 2000 IBC và UBC)  Ít k sư kt cu là chuyên gia dùng các phương pháp mi  phân tích và ánh giá kt cu, ví d trình bày trong FEMA 273 (Hưng dn-Guidelines) và FEMA 274 (Bình lun- Commentary) và FEMA 356 (Tiêu chuNn sơ b-Pre-Standard) 1.2.2 Qui trình thiết kế (5 bước) Thit k kt cu (bao gm phân tích, thit k, thit k chi tit, và ánh gía kt cu) là mt quá trình nhiu bưc tương tác ln nhau, mà thit k phi tuân theo tt c các qui tc bt buc (bao gm tư vn v kin trúc, tư vn v qun lý xây dng, tư vn v cơ-in-nưc_ M/E/P). Các bưóc ch yu ca qui trình thit k thông thưng cho công trình nhà như sau: 1) Xác nh các gii hn ca d án, bao gm vn, hình dng nhà và kiu kin trúc, các gii hn chc năng (gm bưc ct, vt liu xây dng, gii hn v dch v [ độ võng], gii hn dao ng,  an toàn, nhu cu vn chuyn ng, các nhu cu M/E/P) 2) Xác nh các mc tiêu v s làm vic ca kt cu, mà quan trng nht thưng là tho các yêu cu qui nh trong các qui phm xây dng tương ng. Các mc tiêu làm vic phc tp có th ưc nh rõ trưc. 3) Tính toán ti trng ng và ngang sơ b.  xut các kích thưc và ct thép tính th (trial sizes) cho các thành phn kt cu chu ti trng ng và ngang sơ b. Lp thit k sơ b (Schematic Design) và khái toán công trình (cost estimate). 4) Phân tích, ánh giá, và thit k li mt cách chi tit hơn các kích thưc và ct thép ã dùng th trưc trong Bưc 3. Chính xác hoá các ti trng ng và ngang. Tip tc phân tích kt cu chu ti trng ng và ngang, ánh giá kh năng chu lc các thành phn kt cu và tính toán li tit din BTCT (re-proportioning). Lp thit k khai trin (Design-Development, DD) và lp li d toán công trình. 5) Thit k cui cùng bao gm phân tích kt cu chi tit (theo kiu k lưng hơn giai on DD), tính toán tit din BTCT ln cui và thit k chi tit các thành phn kt cu. Lp tài liu thi công (Construction Documents, CD). Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K f all - S cho phép Qui trình thit k 5-bưc ca Construction Administration (CA, USA) bo m rng nhà thu tuân theo các bn v kt cu và cung cp mt chng c kim soát cht lưng công trình ca nhà thu xây dng. Ba giai on trong thit k kt cu công trình nhà ưc gi tên là:  Thit K Sơ B (SD): gm buc 1 n bưc 3 ; chim 15% ni dung thit k tng  Thit K Khai Trin (DD): gm buc 4 ; chim 25 - 35% ni dung thit k tng  Tài Liu Thi Công (CD): gm buc 5; chim phn còn li ni dung thit k tng Trong mt thit k thông thưng, phân tích kt cu là mt Mô Hình àn Hi Tuyn Tính (Linearly Elastic Model) ca khung nhà. Vic kim tra thành phn kt cu là theo Phương Pháp ng Sut Cho Phép (Allowable Stress Method), và Phương Pháp  Bn (Strength Method) mà cũng ưc bit vi tên gi khác là Phương Pháp LRFD (Load and Resistance Factor Design). Hai phương pháp này và các phương pháp khác ưc mô t dưi ây. 1.2.3 Các thủ tục đánh giá thành phần kết cấu 1.2.3.1 Giới thiệu Dưi ây là mt gii thiu khái quát v các th tc (procedure) ưc dùng  tính toán các tit din BTCT cho ti trng ng và ngang. Cn các thông tin thêm, tham kho Chương 2 ca MacGregor [1]. 1.2.3.2 Thiết Kế Ứng Suất Cho Phép (Allowable Stress Design - ASD) Thit K ASD, mà cũng ưc bit là Working Stress Design, ã ưc dùng trong phân tích k thut kt cu cách ây hơn 150 năm. Các phương pháp tính toán v ti trng max u áp dng LTHTT (linearly elastic model) hay SBVL  tính ng sut ca các kt cu thép hay ng sut trong bê tông và ct thép ca kt cu BTCT. ng sut trong cu kin yêu cu phi nh hơn ng sut cho phép: f ≤ ≤≤ ≤ f all mà ưc thit lp sn cho tng loi vt liu tùy thuc vào kiu tác dng lc khác nhau (dc trc, un, ct, xon). Ví d, f all = 0.6f y cho các kt cu thép. Xem hình v sơ ha phuơng pháp Thit K ASD  bên phi (cung cp bi J. P. Moehle) Phương pháp ASD có mt s khim khuyt áng k. Trưc ht,  tin cy ca thit k (hay h s an toàn) là không bit. Th hai, không xét n s hay thay i, không c nh ca ti trng, mà c th là, làm th nào tính chính xác tĩnh ti và hot ti. Th ba, ng sut trong các thành phn kt cu cung cp thông tin rt ít v kh năng chu ti ca cu kin hay toàn b kt cu. Trong thit k BTCT hin nay, S cho phép him khi ưc dùng: ngoi tr tính  võng dưi tác dng ca ti tiêu chuNn (service loads). Chúng ta s không dùng phương pháp ASD  tính toán tit din BTCT trong giáo trình này ( CIE 525). Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K M u - momen tính toán M n - momen danh nghĩa φ φφ φ - HS gim sc bn 1.2.3.3 Thiết Kế Sức Bền (Strength Design - SD hay Load and Resistance Factor Design - LRFD) Phương pháp Thit K Sc Bn (SD hay LRFD) thưng dùng trong thit k kt cu BTCT và cũng ưc dùng trong thit k kt cu thép (mc du ASD tn ti trong nhiu phn thit k thép  M).  VN , tương ương vi tính tóan BTCT theo TTGH 1. Ti tiêu chuNn ưc nhân vi h s ti trng  chuyn thành ti tính toán (ultimate load),  ây các h s ti trng xác nh da trên phương pháp thng kê ca các iu kin o lưng và như vy phn ánh các thay i tăng/gim hp lý ca ti trng tác dng (ví d, các gía tr max) t giá tr ti trng trung bình tính toán. Sau ó, áp dng LTHTT cho ti tính toán  tính ni lc các thành phn kt cu, ví d tính V u , M u . Sc chu ti ca các thành phn (ví d, chu nén, un, ct), ví d V n , M n , ưc tính toán vi gi thuyt rng tit din kt cu làm vic không àn hi (inelastic behavior). Xem hình v sơ ha phuơng pháp SD  bên trên (cung cp bi J.P. Moehle). Chú ý vic s dng khi ng sut không àn hi , (non-linear stress block ), trong hình v mc du hình dng khi S s ưc ơn gin hoá  thun tin tính sc chu ti ca tit din BTCT. Phương pháp SD là hp lý hơn phương pháp ASD.  tin cy ca ti trng ưc xét n trong phương pháp SD bng vic s dng các h s ti trng và các t hp ti, xem trích dn t tiêu chuNn ACI 318-02  hình bên phi. Các h qu phá hoi cũng ưc xét n trc tip hơn thông qua s dng các h s gim sc bn (capacity reduction factor, φ φφ φ < 1 < 1 < 1 < 1), qui cho các kiu phá hoi không mong mun (ví d, φ = 0,9 φ = 0,9 φ = 0,9 φ = 0,9 cho un, φ = 0,7 φ = 0,7φ = 0,7 φ = 0,75 5 5 5 cho ct). Tuy nhiên chú ý rng khi phân tích h kt cu gi thit ng x àn hi tuyn tính nhưng kh năng chu lc cu kin li tính theo cưng  (cross section analysis) , mà hàm ý mt lưng ng x không àn hi trong tit din cu kin. <S phân phi li mômen trong dm là mt ví d.> Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K 1.2.3.4 Thiết Kế Khả ăng (Capacity Design) Thit K Kh N ăng ưc dùng  ngăn cn các cơ cu phá hy không mong mun, ví d dm b phá hy do ct ( kiu phá hy dòn) xy ra trưc khi phá hy do un (kiu phá hy do ), hay ct khung b phá hy do un xy ra trưc khi dm khung phá hy do un. Thit K Kh N ăng ưc phát trin bi nhiu chuyên gia k thut N ew Zealand t thp niên 1970 nhưng phương pháp này ưc  xut u tiên bi Blume, N ewmark, Corning, và Sozen vào cui thp niên 1950 (tham khào Design of Multistory Reinforced Concrete Buildings for Earthquake Motions, xut bn năm 1961). Hình v sơ ha  bên trên (cung cp bi J.P. Moehle) mô t thông tin tóm lưc v phương pháp này. Ví d là thit k công xôn BTCT không b phá hy do ct. Các bưc thit k theo phương pháp CD như sau: 1) Chn cơ cu phá hy mong mun, mà thưng là phá hy do un trong công trình BTCT. < Ti sao?> 2) Cân i kích thưc dm theo cơ cu phá hy  ngh theo phương pháp SD hay LRFD và b trí thép dm cho ng x do. 3) Xác nh sc bn max ca tit din dm bi phân tích xét n kích thưc thc và chi tit ct thép ã chn, mà có th ln hơn  bn cn thit  chu ưc ti trng tính toán- factored loads. (Điều này sẽ được cụ thể hoá ở Chương 3).  hình trên, sc bn max là M p căn bn ln hơn sc bn thit k theo phương pháp SD là M u = φ φφ φM n 4) Xác nh ti trng áp dng V p - applied load gây ra sc bn max M p và thit k các phn còn li ca kt cu (i.e., thit k chng ct công xôn BTCT)  sc bn chng ct danh nghĩa V n vưt quá các ni lc tương thích vi ti trng áp dng tính li này. Sc bn max Sc bn TK Cao hc: Xây Dng Dân Dng và Công N ghip Bài ging: Prof. Andrew Whittaker Môn hc: Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K 1.2.3.5 Thiết kế dẻo (Plastic Design) Thit K Do ơn thun là Thit K Sc Bn s dng phân tích chy do ch không dùng phân tích HTT. Trong Chương 6 ca giáo trình này, Thit K Do s ưc xem xét chi tit vi phương pháp ưng chy do (yield-line analysis) ca h sàn BTCT. N guyên tc ca phân tích chy do là mt cơ cu phá hy s ưc  xut và các khp do ưc thit k chi tit cho áp ng không àn hi. Xem hình v sơ ha bên phi (cung cp bi J.P. Moehle), sc bn kt cu φM n ưc tính bng phương pháp SD, sau ó dùng phương pháp CD  ngăn nga các kiu phá hoi không mong mun. 1.2.3.6 Các phát triển gần đây trong kiểm định kết cấu xây dựng Thp niên 1990 xut hin s i mi áng k trong k thut thc hành chng ng t. Các phương pháp thit k lc -Force based procedure- mà hu như chim v trí c tôn gn 70 năm nay bt u nhưng ch cho các phương pháp thit k chuyn v -Displacement based procedure- ca công trình n khi chy do xp  (collapseyielding) ưc phát trin da trên nguyên lý  xut bi Sozen, Moehle, và các tác gi khác trong hai thp niên 1970-1980. Các tiêu chuNn thit k chng ng t ã tha nhn t lâu rng công trình nhà và cu s tri qua bin dng không àn hi áng k. N h kin thc hiu bit này rng s hư hng công trình liên quan trc tip n bin dng ch không phi lc (xem hình v sơ ha bên trên ca J. P. Moehle), các k sư chuyên ngành kt cu ngày nay có khuynh hưng phân tích, thit k, và ánh giá s làm vic ca BTCT da trên các tính toán chuyn v. Thc ra thit k da trên chuyn v (Displacement-based design - DBD) không th s dng như là mt công c thit k c lp. úng hơn là phi cung cp trưc mt  bn ti thiu ng vi các iu kin ti trng bình thưng (service load). Tuy nhiên, DBD ã ưc chp nhn rng rãi t 5 năm trưc ây và phương pháp này bây gi là cơ s ca các tài liu hưng dn k thut FEMA 273 và 274 nhm ci to các kt cu công trình chng ng t - seismic rehabilitation. - chảy dẻo - có mả nh vụn - sụp đổ M o =w u l 2 /8 . Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: Prof. Andrew Whittaker Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ. Phân Tích ng X & Thit K Kt Cu BTCT Biên dch: PhD H Hu Chnh Chương 1: GII THIU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIT K 1. 2 THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐG KHUG KẾT CẤU CHNU LỰC 1. 2 .1. Chươ ng 10 (3 tiết - tun 10 ) Ch  làm vic ca kt cu BTCT chu lc un và lc dc trc Chương 11 (1 tiết - tun 11 ) Ch  làm vic ca kt cu BTCT chu lc gây ct Chương 12 (3 tiết -