Xây dựng chương trình tổ hợp nội lực và tính cốt thép trợ giúp việc thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo Tiêu chuẩn Việt Nam 356-2005

Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 136 XAÂY DÖÏNG CHÖÔNG TRÌNH TOÅ HÔÏP NOÄI LÖÏC & TÍNH COÁT THEÙP TRÔÏ GIUÙP VIEÄC THIEÁT KEÁ KEÁT CAÁU BE TOÂNG COÁT THEÙP THEO TCVN 356-2005 Taùc giaû: Nguyeãn Ngoïc Thô TOÙM TAÉT Ñaây laø moät ñeà taøi nghieân cöùu öùng duïng coâng ngheä thoâng tin vaøo lónh vöïc xaây döïng daân duïng. Keát quaû cuûa ñeà taøi laø söï ra ñôøi phaàn meàm tin hoïc coù tính öùng duïng cao, trôï giuùp vieäc thieát keá keát caáu beâ toâng coát theùp theo TCVN 356-2005. Cô sôû lyù thuyeát cuûa phaàn meàm chuû yeáu döïa vaøo lyù thuyeát tính toaùn keát caáu beâ toâng coát theùp. Phaàn meàm ñöôïc phaùt trieån treân moâi tröôøng WINDOWS baèng moät soá coâng cuï phaùt trieån, phaàn meàm maïnh nhaát hieän nay laø Microsoft Visual 6.0, Matlab 2007a. Tieâu chí cuûa phaàn meàm naøy laø tính chính xaùc, töï ñoäng hoùa cao, toác ñoä, tieän duïng, vaø thaân thieän. 1. GIÔÙI THIEÄU CHUNG Hieän nay, ôû Vieät Nam vôùi nhu caàu xaây döïng ngaøy caøng nhieàu vaø yeâu caàu veà thieát keá ngaøy caøng phaûi khaét khe phuø hôïp vôùi thôøi ñaïi. Chính vì vaäy, neân ñaõ coù haøng loaït tieâu chuaån môùi ra ñôøi ñeå boå xung theâm cho nhöõng tieâu chuaån cuõ. Ñaëc bieät vôùi kyõ sö chuyeân thieát keá keát caáu beâtoâng coát theùp, vieäc ra ñôøi TCVN 356-2005 thay theá cho TCVN 5574-1991 laøm cho caùc kyõ sö gaëp raát nhieàu khoù khaên trong coâng vieäc ñoaùn nhaän. Bôûi ñaây laø moät tieâu chuaån môùi, neân lyù thuyeát tính toaùn chöa ñöôïc ñöa vaøo giaûng daïy trong nhaø tröôøng, chöa coù taøi lieäu naøo cuï theå hoaù tieâu chuaån naøy. Haàu heát caùc phaàn meàm hieän nay ñeàu chöa vieát theo TCVN 356-2005. Beân caïnh lyù thuyeát, vieäc tính toaùn thieát keá coâng trình ñoøi hoûi ngöôøi thieát keá phaûi xöû lyù moät löôïng soá lieäu raát lôùn trong thôøi gian toái thieåu, ñaëc bieät laø quaù trình toå hôïp noäi löïc vaø tính toaùn coát theùp ñoái vôùi caùc coâng trình coù quy moâ lôùn. Do ñoù, ta caàn töï ñoäng hoùa quaù trình tính toaùn naøy vôùi söï trôï giuùp cuûa maùy tính thoâng qua caùc phaàn meàm chuyeân duïng, giuùp tieát kieäm thôøi gian, giaûm nheï coâng söùc vaø chi phí thieát keá. Chính vì caùc lyù do keå treân, phaàn meàm ñöôïc laäp trình ñeå töï ñoäng hoùa moät phaàn quaù trình tính toaùn thieát keá keát caáu, nhaèm tröôùc maét phuïc vuï nhieäm vuï laøm luaän aùn toát nghieäp kyõ sö xaây döïng KHOÙA 2003, ñoàng thôøi seõ ñöôïc phaùt trieån trong töông lai ñeå hoã trôï coâng taùc thieát keá thöïc teá cuûa ngöôøi kyõ sö xaây döïng. ™ Caùc tính naêng chính • Vieát döïa treân tieâu chuaån Vieät Nam veà tính toaùn boá trí coát theùp TCVN 356-2005. • Chaïy treân moâi tröôøng WINDOWS laø giao dieän thaân thieän hieän nay, deã daøng söû duïng. • Tính toaùn ñöôïc vôùi soá löôïng phaàn töû lôùn (khoâng haïn cheá soá löôïng) • Toác ñoä tính toaùn nhanh • Töï ñoäng nhaän dieän daàm, coät, vaùch ñeå tính toaùn coát theùp • Hoã trôï thieát keá. • Xuaát keát quaû döôùi nhieàu daïng quen thuoäc khaùc nhau nhö Text, Excel ñeå thuaän tieän in aán. ™ Caáu truùc chöông trình Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Hình 1. Giao dieän chöông trình toå hôïp noäi löïc vaø tính coát theùp INPUT PHAÀN MEÀM OUTPUT Taäp tin keát quaû noäi löïc Ñaëc tröng vaät lieäu Caùc tröôøng hôïp toå hôïp noäi löïc Töï ñoäng nhaän dieän daàm, coät, vaùch Xöû lyù keát quaû noäi löïc vaø tính toaùn coát theùp Dieän tích coát theùp Hình 2. Sô ñoà laøm vieäc cuûa chöông trình toå hôïp noäi löïc va tính coát theùp 2. TRÌNH TÖÏ TÍNH TOAÙN CUÛA CHÖÔNG TRÌNH Böôùc 0: Khôûi ñoäng chöông trình Böôùc 1: Nhaäp ñaëc tröng vaät lieäu Böôùc 2: Nhaäp taäp tin döõ lieäu noäi löïc Böôùc 3: Xöû lyù soá lieäu ñaàu vaøo Böôùc 4: Kieåm tra laïi döõ lieäu tröôùc khi tính toaùn coát theùp Böôùc 5: Toå hôïp noäi löïc vaø tính toaùn coát theùp Böôùc 6: Xuaát ra taäp tin keát quaû 3. LYÙ THUYEÁT TÍNH TOAÙN THEO TCVN 356-2005 3.1 Tính toaùn caáu kieän chöõ nhaät chòu uoán • Caáu kieän tieát dieän chöõ nhaät ñaët coát ñôn 137 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 138 Hình 3. Sô ñoà öùng suaát cuûa tieát dieän coù coát ñôn - Caùc coâng thöùc cô baûn Vì heä löïc goàm coù caùc löïc song song neân chæ coù hai phöông trình caân baèng coù yù nghóa ñoäc laäp. + Toång hình chieáu caùc löïc leân phöông truïc daàm phaûi baèng khoâng, do ñoù: ssb RAbxR = + Toång moment cuûa caùc löïc ñoái vôùi truïc ñi qua ñieåm ñaët hôïp löïc cuûa coát theùp chòu keùo vaø thaúng goùc vôùi maët phaúng uoán phaûi baèng khoâng, do ñoù: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= 2 xhbxRM obgh + Theo ñieàu kieän cöôøng ñoä: baûo ñaûm cho tieát dieän khoâng vöôït quaù traïng thaùi giôùi haïn veà cöôøng ñoä laø: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −≤ 2 xhbxRM ob hoaëc ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −≤ 2 xhRAM oss Trong caùc coâng thöùc treân: M: Moment uoán lôùn nhaát maø caáu kieän phaûi chòu do taûi troïng tính toaùn gaây ra. Rb, Rs : Cöôøng ñoä chòu neùn tính toaùn cuûa beâtoâng vaø cöôøng ñoä chòu keùo tính toaùn cuûa coát theùp. x: chieàu cao vuøng neùn cuûa beâtoâng. b: beà roäng cuûa tieát dieän. ho: chieàu cao laøm vieäc cuûa tieát dieän, ho = h – a. h: chieàu cao cuûa tieát dieän. a: khoaûng caùch töø meùp chòu keùo cuûa tieát dieän ñeán troïng taâm cuûa coát theùp chòu keùo. As: dieän tích tieát dieän ngang cuûa coát theùp chòu keùo. - Ñieàu kieän haïn cheá Ñeå ñaûm baûo ñieàu kieän phaù hoaïi deûo xaûy ra thì coát theùp As khoâng ñöôïc quaù nhieàu, töùc haïn cheá As vaø töông öùng vôùi noù laø haïn cheá chieàu cao vuøng neùn x. Caùc nghieân cöùu thöïc nghieäm cho thaáy tröôøng hôïp phaù hoaïi deûo xaûy ra khi: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+ ==≤= 1,1 11 , ω σ ωξξ usc so R R o Rh x h x Trong ñoù: ω : ñaëc tröng tính chaát bieán daïng cuûa vuøng beâtoâng bò neùn, bR008,0−= αω , 85,0=α ñoái vôùi beâtoâng naëng, α coù giaù trò khaùc ñoái vôùi beâtoâng nheï vaø beâtoâng haït nhoû, Rb: tính baèng ñôn vò MPa. Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Rs: cöôøng ñoä chòu keùo tính toaùn cuûa coát theùp (MPa) usc,σ : öùng suaát giôùi haïn cuûa coát theùp trong vuøng beâtoâng chòu neùn (khi beâtoâng ñaït ñeán bieán daïng cöïc ñaïi), 500, =uscσ MPa ñoái vôùi taûi troïng thöôøng xuyeân, taûi troïng taïm thôøi daøi haïn vaø ngaén haïn, 400, =uscσ MPa ñoái vôùi taûi troïng ngaén haïn vaø taûi troïng ñaët bieät. • Caáu kieän chöõ nhaät ñaët coát keùp Hình 4. Sô ñoà öùng suaát cuûa tieát dieän coù coát keùp - Caùc coâng thöùc cô baûn Treân cô sôû cuûa sô ñoà öùng suaát, ta vieát ñöôïc hai phöông trình caân baèng sau ñaây: sscbss ARbxRAR '+= ( )'' 2 ahARxhbxRM osscobgh −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= Theo ñieàu kieän cöôøng ñoä seõ nhö sau: ( )'' 2 ahARxhbxRM osscob −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −≤ - Ñieàu kieän haïn cheá Ñeå khoâng xaûy ra phaù hoaïi gioøn töø phía vuøng chòu neùn, phaûi thoaû maõn ñieàu kieän: oRhx ξ≤ hoaëc Rξξ ≤ hoaëc Rm αα ≤ Ñeå ñaûm baûo cho öùng suaát trong coát theùp chòu neùn ñaït ñeán trò soá Rsc phaûi thoaû maõn ñieàu kieän: '2ax ≥ • Sô ñoà giaûi thuaät cho caáu kieän chòu uoán tieát dieän chöõ nhaät Cho bieát: M, Rb, Rs, b, h, a, a’ Tính: As 139 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 140 'As As' Bieát α = − −M R A h a R bhm sc S o b o '' 2 )( α> RαR ≥ mαξ 211 −−= oh a'2≥αα < 2 'a ho '2ax = ( )'ahR MA os s −= ξ= +A R bh R R R As b s sc s s 0 ' coát theùp Choïn vaø boá trí s b R o s R R bh A ξμμμ =≤=≤ maxmin Kieåm tra a , a’ 2 ob m bhR M=α≥Rα Coát ñôn =αm bM R bh02 =ξs s bA R R bh0 >αR ξ= +R A R bh R As s b sc s0 ' α= + −m b sc s oM R bh R A h a02 ' ')( Coát keùp = −1 0,5ζ ξ hoaëc= − −1 1 2ξ αm s b s R bhRA 0ξ= hoaëc os s hR MA ζ= Choïn vaø boá trí coát theùp Bieát 'sA Chöa bieát 'sA Rm αα = α= − −s R b o sc o A M R bh R h a ' 2 ')( obhminμ≥ '0 s s sc s bR s AR R R bhRA +=ξ >μminbho =μminbho Hình 5. Sô ñoà tính toaùn tieát dieän chöõ nhaät chòu uoán 3.2 Tính toaùn caáu kieän chöõ nhaät chòu neùn leäch taâm (ñaët coát theùp ñoái xöùng) Hình 6. Sô ñoà öùng suaát cuûa tieát dieän neùn leäch taâm. • Sô ñoà giaûi thuaät cho caáu kieän chòu neùn leäch taâm tieát dieän chöõ nhaät (ñaët coát theùp ñoái xöùng): Cho bieát: M,Mdh, N, Ndh, Rb, Rs, b, h,lo, a, a’ Tính: As =As’ Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 η 1 1 = − N Ncr 6,4 2 ϕN E l SI E E Icr b o l s b S= +⎛⎝⎜⎜ ⎞ ⎠⎟⎟ 2 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= ahbhI ogtS μ 12 3bhI = b o o e R h l h e 01,001,05,0 ),max( min min −−= = δ δδ δS e= + + 0,11 0,1 0,1 ) 30 1, 600 1max( hlea = ),max( 1 ao eee = 1 =e MN ββϕ +≤+ ++= 11 NyM yNM dhdh l >8λ = 0l h 8 ≥=1η ηeo Hình 7. Löu ñoà xaùc ñònh heä soá uoán doïc caáu kieän chòu neùn leäch taâm 141 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Giaû thieát gtμ Tính η c = + −⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ −s o s o A N e x h R h a * 2 ')( 1 * * 2 . 1 1 1 2 1 ξ ξ = + − − ⎛ ⎝⎜⎜ ⎞ ⎠⎟⎟ + − ≤x N R A h R bh R A h s s R o b o s s R o c = = + −⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ −s s o s o A A N e h R h a ' 2 ')( 1x ahee o −+= 2η ahee o −+= 2η η 2= + −oe e h a o ss bh AA '+=μ gtμ μ μμΔ = + ≤5% min max≤ = ≤μ μ μAbhso Choïn vaø boá trí coát theùp bR Nx b = oRhx ξ>≤ξx hR o 2a'x ≥ <x 2a' Giaû thieát gtμ Tính η ηTính μgtthieát iaû G ( )' 2' ahR hxeN AA os o ss − ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+ == Leäch taâm lôùn c ( ) ( )' '' ahR aheNAA os o ss − +−== Leäch taâm beù Hình 8. Löu ñoà tính coát theùp ñoái xöùng ( )'ss AA = caáu kieän neùn leäch taâm 3.3 Tính toaùn caáu kieän chöõ nhaät chòu keùo leäch taâm (ñaët coát theùp ñoái xöùng) Hình 9. Sô ñoà öùng suaát cuûa tieát dieän keùo leäch taâm beù 142 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Hình 10. Sô ñoà öùng suaát cuûa tieát dieän keùo leäch taâm lôùn • Sô ñoà giaûi thuaät cho caáu kieän chòu neùn leäch taâm tieát dieän chöõ nhaät (ñaët coát theùp ñoái xöùng) Cho bieát: M, Rb, Rs, b, h, a, a’ Tính: As = As’ = = −s s s o A A Ne R h a ' ' ')( A ( )ahR Ne os s −= ' = −s s o A Ne R h a ' ')( ),max( 'sss AAA = coát theùp Choïn vaø boá trí o s bh A μμμ ≤=≤ maxmin Leäch taâm lôùn =oe MN Leäch taâm beù 0,5≤ −h a0,5> −h a ' 2 ' 2 aehe aehe o o −+= −−= ' 2 ' 2 ahee ahee o o −+= +−= Hình 11. Löu ñoà tính coát theùp ñoái xöùng ( )'ss AA = caáu kieän keùo leäch taâm 4. VÍ DUÏ MINH HOÏA 4.1 Tính toaùn caáu kieän chöõ nhaät chòu uoán Tính coát theùp As cho daàm coù tieát dieän chöõ nhaät vôùi kích thöôùc b x h = 25x50 cm, beâtoâng coù cöôøng ñoä chòu neùn laø B20, nhoùm coát theùp AII, momen uoán tính toaùn M=178kNm Keát quaû tính tay: 143 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Caên cöù vaøo caáp ñoä beàn cuûa beâtoâng vaø nhoùm coát theùp, tra caùc baûng cuûa phuï luïc ta coù Rb=11,5 Mpa=280MPa.Giaû thieát a=4 cm, tính ñöôïc h0=50-4=48 cm Tínhξ R ξ R= = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−+ −= ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+ 1,1 5,11008,085,01 400 2801 5,11008,085,0 1,1 11 . x x R uNC N ω σ ω 0,623 Tính Rσ (Theo 4.1): 429,0)5,0623,01(623,0)5,01( =−=−= xRRR ξξσ Tính mσ (Theo 4.12) 293,0 4602505,11 10178 2 6 2 === xx x bhR M ob mα Tra baûng ta ñöôïc ξ =0,335<ξ R=0,623,töùc laø thoaû maõn ñieàu kieän haïn cheá ξ =0,822. Tính dieän tích coát theùp (theo 4.13): === 460822,0280 10178 6 xx x hR MA os s ζ 1681 mm 2=16,18 cm2 ; Kieåm tra haøm löôïng: 100 4625 81,16 x x =μ =1,46% Keát quaû tính baèng chöông trình: Hình 12. Giao dieän chöông trình Module tính daàm chòu uoán 4.2 Tính toaùn caáu kieän chöõ nhaät neùn leäch taâm Tieát dieän coät b=250, h= 400 mm, l = 5200mm. Beâtoâng caáp ñoä beàn B25, coát theùp nhoùm CII. Yeâu caàu tính toaùn coát theùp cho coät taàng moät vôùi caëp noäi löïc M=110 kNm, N=500kN trong ñoù noäi löïc do taûi troïng daøi haïn gaây ra laø Mdh=20 kNm; Ndh =400 kN. Keát quaû tính tay: Soá lieäu : beâtoâng B25 coù Rb=14,5; Eb=30000 Mpa Coát theùp CIII coù Rs= Rsc=365, Es=200000 Mpa 144 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Heä soá : ξ R = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+ 1,1 11 . ω σ ω uNC NR Vôùi =ω 0,85-0,008 Rb=0,75 SRσ = Rs=365 ; USC .σ = 400 tính ñöôïc ξ R=0,58 Ñoä leäch taâm m N Me 22,0 500 110 1 === =220mm Ñoä leäch taâm ngaãu nhieân ea laáy lôùn hôn mmxl 7.85200600 1 600 1 == vaø lôùn hôn mmh 3,13 30 400 30 1 == .Laáy ea=15 mm Coät thuoäc keát caáu sieâu tónh: eo=max(e1; ea)=220 mm Giaû thieát a=a’=40 mm ;ho=400-40=360 ;Za=320 mm Chieàu daøi tính toaùn llo .ψ= = 0.7x5200 = 2940 mm, 81.9400 36400 >== h l .Caàn xeùt uoán doïc. Momen quaùn tính cuûa tieát dieän == 12 3bhI 12 400250 3x =1333x106 mm4 Giaû thieát =0,0106 %06.1=tM 2 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= ahbhI ogtS μ =0,0106 x 250 x 360(200-40)2=24.4x 106 mm4 6,67 30000 200000 === b S E Eσ b o R h l 01,001,05,0min −−=δ =0,5-0,01 x9.1-0,01 x 14.5=0,264 55,0 400 220 == h eo , ),max( minδδ h eo e = =0,55 1=ϕ ; 27,01,0 55,01,0 11,01,0 1,0 11,0 =++=++ = P e S ϕ δ NyM yNM dhdh l + ++= βϕ 1 Vôùi 1=β ;y=0,5.h=0,2m 47,1 2,0500110 2,0400201 =+ ++= x x lϕ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += S lo b cr I SI l EN αϕ2 4,6 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += 6 6 2 104,2467,647,1 10133327,0 3640 300004,6 xxxxxNcr =5,9x10 6 N =crN 6900 kN 09,1 5900 5001 1 1 1 = − = − = crN N η 145 mmxahee o 4004020022009,12 =−+=−+=η Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 Vôùi Rs= Rsc tính 2505,14 1000500 1 x x bR Nx b == =138 mm So saùnh x1 vôùi 2a’=2x40=80 mm vaø oRhξ =0,58x360=208 mm Thoaû maõn ñieàu kieän 2a’ < x1 < oRhξ . Coù tröôøng hôïp neùn leäch taâm lôùn thoâng thöôøng. Tính theo coâng thöùc: 'sA = −+ = −+ = 320365 )360 2 138400(1000500 . ) 2 ( ' x x ZR hxeN A asc o s 476 mm 2 == 360250 100476 x xμ 0,53% > =minμ 0,2% %6%06,12 max =≤== μμμ t So vôùi tμ ñaõ giaû thieát laø 1,06% coù %06,1=tμ . Keát quaû tính baèng chöông trình: Hình 13. Giao dieän chöông trình Module tính coät chòu neùn leäch taâm 4.3 Tính toaùn caáu kieän chöõ nhaät keùo leäch taâm Tính coát theùp ñoái xöùng caáu kieän chòu keùo tieát dieän hxb = 40x30cm, chòu M = 70KNm, N = 240KN. Söû duïng beâtoâng Mac B25. Soá lieäu : beâtoâng B25 coù Rb=14,5; Eb=30000 Mpa Coát theùp CII coù Rs= Rsc=280, Es=200000 Mpa Keát quaû tính tay: Giaû thieát a = a' = 4cm, ho = h - a = 36cm. Ñoä leäch taâm noäi löïc: == 240 100070 01 xe 292 mm Vaäy eo = 292mm > 0.5h - a = 160mm, baøi toaùn thuoäc tröôøng hôïp leäch taâm lôùn. Ñoä leäch taâm tính toaùn: 146 Kyû yeáu Hoäi nghò Sinh vieân NCKH 2007 13240200292 20 =+−=+−= ahee mm 45240200292' 2 ' 0 =−+=−+= ahee (cm) Laáy x = 2a' Dieän tích coát theùp keùo: ( ) 1210)40360(280 4521000240 ' ' 0 =−=−= x xx ahR NeFa a mm² = 12,10cm2 =+= %100'% 0bh FF aaμ 2.24% Keát quaû tính baèng chöông trình: Hình 14. Giao dieän chöông trình Module tính coät chòu keùo leäch taâm 5. HÖÔÙNG PHAÙT TRIEÅN TÖÔNG LAI • Chöông trình seõ luoân ñöôïc naâng caáp cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa nhöõng phaàn meàn tính toaùn keát caáu nhö SAP 2000, ETABS … nhaèm ñem laïi hieäu quaû cao nhaát trong vieäc thieát keá keát caáu beâtoâng coát theùp. • Xöû lyù caùc daïng tieát dieän khaùc cuûa keát caáu beâ toâng coát theùp nhö troøn, chöõ T,… • Töï ñoäng hoùa quaù trình theå hieän baûn veõ döôùi daïng format cuûa AutoCAD. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO TCVN 356-2005. Keát caáu beâ toâng coát theùp - Tieâu chuaån thieát keá PHAN QUANG MINH - Keát caáu beâ toâng coát theùp NGUYEÃN ÑÌNH COÁNG - Tính toaùn tieát dieän coät beâtoâng coát theùp 147