ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công trình, các bộ phận kết cấu đều có vai trò của nó. Tuy nhiên khi thiết kế không phải tất cả các bộ phận đều có thể đƣợc mô hình hóa bằng cách vận dụng các lý thuyết tính toán thông thƣờng. Một trong số các bộ phận đó là các vùng không liên tục, cả về mặt hình học lẫn về mặt tải trọng, thông thƣờng các vùng này đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp kinh nghiệm. Do đó, việc thiết kế các vùng này phụ thuộc vào kinh nghiệm của ngƣời thiết kế.
Không phải tất cả các thiết kế theo phƣơng pháp kinh nghiệm đều đảm bảo an toàn và tiết kiệm mà đôi khi có thể gây hƣ hỏng hoặc lãng phí không cần thiết. Vì mỗi bộ phận của kết cấu đều có vai trò của nó, nên các bộ phận này cần đƣợc thiết kế dựa trên mô hình phản ánh đƣợc một cách gần đúng nhất có thể sự làm việc thực của kết cấu đó, để có thể có thiết kế tin cậy, an toàn và tiết kiệm. Giả thiết tiết diện phẳng hay còn gọi là giả thiết Bernoulli, giả thiết này đƣợc phát biểu “mặt phẳng của tiết diện vẫn phẳng sau biến dạng” là một giả thiết quan trọng trong tính toán thiết kế kết cấu. Từ giả thiết này, ngƣời ta có thể đƣa ra sơ đồ ứng suất, biến dạng của tiết diện ở trạng thái giới hạn và từ đó thiết lập đƣợc các phƣơng trình tính toán xác định khả năng chịu lực của kết cấu.
Những vùng trong dầm nơi mà giả thiết tiết diện phẳng đƣợc áp dụng để tính toán ứng suất gọi là vùng B. Trong khi đó những vùng nhƣ đầu dầm, vai cột, trụ cầu, vùng neo cáp cấu kiện dự ứng lực,. ứng suất thay đổi rất phức tạp. Tại những vùng này giả thiết tiết diện phẳng của Bernoulli không còn đúng nữa gọi là vùng D [9].
Do đó, cần phƣơng pháp thiết kế riêng cho những vùng tập trung ứng suất này, một trong những phƣơng pháp thiết kế đƣợc chấp nhập trong việc phân tích vùng cục bộ là phƣơng pháp mô hình giàn ảo. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và áp dụng phƣơng pháp mô hình trong tính toán, thiết kế tại những vị trí tập trung ứng suất tiêu biểu nhƣ vùng neo cáp còn gặp rất nhiều Luận văn thạc sĩ Trang 2 khó khăn và hạn chế, do sự phân bố ứng suất trong vùng neo phụ thuộc vào số lƣợng neo, trình tự căng cáp, vị trí đặt neo, đặc trƣng hình học của tiết diện. Xuất phát từ những quan điểm đó, trong khuôn khỗ luận văn cao học, học viên mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu áp dụng mô hình giàn ảo để tính toán kết cấu tại vùng neo”. TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Phƣơng pháp mô hình giàn ảo là một phƣơng pháp đã đƣợc thừa nhận và đƣợc áp dụng trong tính toán, thiết kế một số bộ phận cục bộ của kết cấu bê tông cốt thép.
Ở nƣớc ngoài, việc áp dụng mô hình giàn ảo trong tính toán thiết kế đƣợc thực hiện trên một số cấu kiện trong thực tế. Phƣơng pháp này đƣợc đƣa vào tiêu chuẩn các nƣớc tiên tiến, tiêu biểu nhƣ tiêu chuẩn Canada năm 1994, tiêu chuẩn AASHTO 1993, tiêu chuẩn ACI 2002 nhƣ một phƣơng pháp tính toán những vùng chịu lực cục bộ. Tuy nhiên, việc áp phƣơng pháp này vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn. Hiện nay, vẫn có nhiều những nghiên cứu đang thực hiện để hoàn thiện cơ sở lý thuyết tính toán của mô hình cũng nhƣ khuyến cáo về việc áp dụng của nó trong tính toán.
Trong nƣớc, tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 chấp nhận đây là một phƣơng pháp thiết kế vùng cục bộ, nhƣng nội dung chỉ dẫn trong tiêu chuẩn về phƣơng pháp này chỉ ở mức độ giới thiệu, chƣa có những hƣớng dẫn, áp dụng cụ thể. Do đó, trên thực tế việc phân tích tính toán vùng cục bộ vẫn dựa vào kinh nghiệm của ngƣời thiết kế hoặc các quy định cấu tạo. Riêng đối với kết cấu bê tông dự ứng lực, những vị trí tập trung ứng suất rất lớn nhƣ vùng neo cáp, khi thiết kế ngƣời ta vẫn dựa vào công thức kinh nghiệm, phƣơng pháp mặt cắt, thiết kế mẫu hoặc các quy định cấu tạo. Do đó, việc nghiên cứu áp dụng mô hình giàn ảo trong phân tích tính toán kết cấu tại vùng neo là điều rất cần thiết.
CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Có nhiều nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm về mô hình giàn ảo và ứng dụng của nó trong tính toán, thiết kế các vị trí tập trung ứng suất của kết cấu bê tông cốt thép. Trong mục này, các nghiên cứu tiêu biểu đã và đang thực hiện sẽ đƣợc hệ thống hóa. Luận văn thạc sĩ Trang 3 1. Các nghiên cứu ở trong nƣớc Nguyễn Đức Thanh đã nghiên cứu đề tài “Áp dụng mô hình chống giằng (sơ đồ hệ thanh) trong các thiết kế bê tông cốt thép” [3] đƣợc trình bày trong hội nghị nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Đà Nẵng năm 2006.
Nội dung nghiên cứu gồm hai phần chủ yếu, phần cơ sở lý thuyết tập trung những vấn đề cơ bản của sơ đồ hệ thanh, phần ví dụ áp dụng tính toán bốn trƣờng hợp điển hình các vùng không liên tục trong kết cấu cầu gồm bệ cọc cao, khu vực gối cầu, khu vực neo cáp dự ứng lực, khu vực đầu dầm. Lê Hòa đã nghiên cứu đề tài “Thiết kế đài cọc Bê tông cốt thép theo mô hình giàn ảo không gian: lý thuyết và thực nghiệm” [15] luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp. Nội dung của đề tài tính toán, thiết kế đài cọc theo phƣơng pháp mô hình giàn ảo, gồm các trƣờng hợp đài cọc tam giác đều 3 cọc, đài cọc hình vuông 4 cọc chịu nén đúng tâm và đài cọc hình vuông 4 cọc chịu nén lệch tâm bé. Phần thực nghiệm kiểm tra lại việc tính toán và bố trí thép theo mô hình giàn ảo.
Dựa vào kết quả thực nghiệm tác giả đã đƣa ra những kết luận về sự hợp lý của việc thiết kế bố trí thép đài cọc theo phƣơng pháp mô hình giàn ảo. Phạm Minh Trí đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu áp dụng mô hình giàn ảo trong tính toán trụ cầu” [7] luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp. Nội dung chính của đề tài này là tính toán thiết kế trụ cầu theo ba phƣơng pháp gồm phƣơng pháp thông thƣờng hay còn gọi phƣơng pháp mặt cắt, phƣơng pháp mô hình giàn ảo 2D và phƣơng pháp mô hình giàn ảo 3D. Kết quả nghiên cứu cho thấy phƣơng pháp mô hình giàn ảo cho kết quả tính toán phù hợp với khả năng chịu tải của những vùng chịu lực cục bộ trong kết cấu bê tông cốt thép.
Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài J. Schiifer đã nghiên cứu đề tài “Design and detailing of structural concrete using strut-and-tie models” [13] đƣợc đăng trên tạp chí The Structural Engineer, Volume 69, No. Nghiên cứu này trình bày cách xác định các vùng không liên tục trong kết cấu bê tông cốt thép, phƣơng pháp truyền tải trọng từ Luận văn thạc sĩ Trang 4 vùng chịu lực đến gối, nghiên cứu chi tiết hơn về cách xác định vùng nút, chiều rộng thanh chịu nén trong mô hình giàn ảo. Ning Zhang và Kang-Hai Tan đã nghiên cứu đề tài “Direct strut-and-tie model for single span and continuous deep beams” [10] đƣợc đăng tải trên trang web Science Direct, năm 2007.
Nội dung chính của đề tài này là trình bày phƣơng pháp xác định chiều cao thanh chịu nén trong mô hình giàn ảo phẳng của dầm cao, theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb. Nghiên cứu của đề tài bổ sung thêm cơ sở phƣơng pháp luận cho tính toán, thiết kế theo mô hình giàn ảo, kết quả lý thuyết đƣợc kiểm tra bằng thực nghiệm, kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy mô hình giàn ảo cho kết quả rất phù hợp đối với dầm cao. Attaulllah Shah, Ehsanul Haq, et al đã nghiên cứu đề tài “Analysis and Design of Disturbed Regions in Concrete Structures” [11] đƣợc đăng tải trên trang web Science Direct, năm 2011. Nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tra phƣơng pháp mô hình giào ảo trong một số vùng cục bộ của kết cấu gồm các thí nghiệm trên dầm cao, trụ cầu và vai cột.
Kết quả nghiêm cứu thực nghiệm chứng tỏ phƣơng pháp mô hình giàn ảo cho kết quả phù hợp với kết quả tính toán theo lý thuyết. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay kỹ thuật dự ứng lực đƣợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình, riêng đối với kết cấu bê tông dự ứng lực, dạng kết cấu đƣợc sử dụng nhiều trong xây dựng các công trình giao thông nhƣ dầm dự ứng lực căng trƣớc I, T, Super T, hoặc các dạng căng sau nhƣ dầm I, T, dầm thi công theo phƣơng pháp đúc hẫng,. Việc áp dụng phƣơng pháp mô hình giàn ảo trong tính toán các bộ phận chịu lực cục bộ tiêu biểu nhƣ vùng neo cáp gặp rất nhiều khó khăn và hạn chế. Những vùng cục bộ có thể đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa gần đúng về sự làm việc của vùng này.
Tuy nhiên, việc phân tích bằng phần tử hữu hạn sẽ tốn nhiều thời gian và công sức, kết quả tính toán thƣờng chỉ để kiểm tra, không tận dụng đƣợc nhiều trong thiết kế. Do đó, trong luận văn này sẽ nghiên cứu áp dụng mô hình giàn ảo để tính toán kết cấu tại vùng neo cáp trong đầu dầm I căng sau cải tiến, nội dung tập trung vào các vấn đề sau: Luận văn thạc sĩ Trang 5 Thông qua mô hình toán học bằng phƣơng pháp giải tích sẽ tính toán thiết kế vùng neo bằng phƣơng pháp lý thuyết đàn hồi theo các trƣờng hợp căng cáp. Xây dựng mô hình giàn ảo dựa trên bức tranh ứng suất theo các trƣờng hợp căng cáp, phân tích để lựa chọn mô hình giàn ảo hợp lý. Kiểm tra kết quả tính toán của phƣơng pháp mô hình giàn ảo bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm thƣơng mại hóa.
Trong luận văn này sử dụng phần mềm Ansys để mô phỏng vùng neo. Nội dung thực hiện gồm xác định sự phân bố ứng suất trong vùng neo, kiểm tra lại việc bố trí cốt thép của mô hình giàn ảo bằng các mô hình gồm mô hình đàn hồi và mô hình đàn dẻo có và không có xét đến cốt thép. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Về lý thuyết Tổng quan về đặc điểm chịu lực của kết cấu bê tông dự ứng lực sẽ tập trung vào các vấn đề sau.