CHƯƠNG I: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO ACI 318-08 VÀ 22TCN 272-05 I. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THEO ACI 318-8 .1 Phương pháp tính toán. Kết cấu bê tông cốt thép được tính toán thiết kế theo phương pháp trạng thái giới hạn. các trạng thái giới hạn được phân chia thành: Trạng thái giới hạn về khả năng chụi lực (bao gồm về cường độ: không bị phá hủy;không bị mất ổn định từng bô phận hoặc tổng thể kết cấu; không bị phá hỏng từng bộ phận dẫn tới phá hỏng công trình; không hình thành các khớp dẻo, không xuất hiện biến dạng dẻo,đảm bảo chụi được hiện tượng mỏi do tác động của tải trọng lặp lại nhiều lần) dưới tác dụng của tải trọng có kể đến các hệ số tải trọng (tải trọng tính toán).
Trạng thái giới hạn về biến dạng (thực chất là chuyển vị của kết cấu) trong thời gian sử dụng của tải trọng sử dụng (tải trọng tiêu chuẩn), xuất hiện các vết nứt va mở rộng các vết nứt ở vùng bê tông chịu kéo; kể cả các dao động bất lợi trong quá trình vận hành, sử dụng công trình. Ngoài ra,công trình còn phải được tính toán theo trạng thái giới hạn đặc bie6t5ve62 khả năng chống lại các tải trọng đặc biệt như động đất, cháy, nổ, va chạm của các kết cấu di dộng, an mòn vật liệu trong môi trường xâm thực. Điều kiện an toàn cho kết cấu được biểu diễn theo biểu thức sau: U ϕ Trong đó: U:là tải trọng tác dụng được tính toán từ các tổ hợp lực; :là độ bền của cấu kiện bê tông cốt thép; Φ:là hệ số giảm độ bền, phụ thuộc vào trạng thái biến dạng của kết cấu (theo các tiêu chuẩn từ 1999 trở về trước, Φ phụ thuộc vào các dạng chịu lực của cấu kiện) Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của ACI dựa trên nguyên tắc của phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn về cường độ. Mức an toàn của kết cấu được phản ánh thông qua các thong số về độ lớn,phương thức tác động và tổ hợp các loại tải trọng.Quan điểm về mức độ an toàn va độ tin cậy trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của AIC được thể hiện thong qua các hệ số tải trọng và hệ số giảm 7 độ bền ϕ.
Mối quan hệ tương tác giữa các hệ số sẽ tạo thành độ an toàn tổng thể của kết cấu và được xác định theo biểu thức sau: 1 D L Trong đó: SF thể hiện mức độ an toàn tổng thể của kết cấu; Φ là hệ số giảm độ bền; và là các hệ số tải trọng tương ứng với tĩnh tải D và hoạt tải L tác dụng lên công trình. Các hệ số tải trọng được xác định trên cơ sở các tổ hợp lực thực tế dùng trong quá tính toán thiết kế công trình. Hệ số giảm độ bền Φ thể hiện mức độ an toàn của kết cấu trê cơ sở so sánh khả năng chụi lực của kết cấu bê tông cốt thép va ngoại lực tác dụng. Khả năng chụi lực của ấu kiện ( với cấu kiện chụi uốn) phụ thuộc vào các đặc trưng cơ học của vật liệu, kích thước tiết diện và các điều kiện biên khác về lien kết,….Khả năng chụi lực thiết kế (Φ ) được xác định bằng cách nhân khả năng chụi lực thệ tế với hệ số giảm độ bền Φ.
Trong tính toán thiết kế điều kiện sau đây cần được thỏa mãn: Tiêu chuẩn ACI 318-08 cho phép tính toán và thiết kế các cấu kiện không chỉ trong trường hợp phá hoại dẻo mà cả trong trường hợp phá hoại dòn. Trong trường hợp đó, hệ số giảm độ bền được xác định theo hàm nội suy tuyến tính cho trong các tiêu chuẩn hiện hành. Các giả thiết của phương pháp tính toán theo cường độ của ACI 318 Nguyên tắc tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của ACI hiện nay được dựa trên trang thái giới hạn về khả năng chịu lực của cấu kiện. Các giả thiết cơ bản dùng trong tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-08: Giả thiết 1: Biến dạng trong cốt thép và bê tông tỷ lệ thuận với khoảng cách trục trung hòa dến các điểm xác định biến dạng và ứng suất.
Giả thiết 2: Biến dạng cực hạn tại mép biên vùng bê tông chiụ nén được lấy bằng 0. Giả thiết 3: Ứng suất trong cốt thép nhỏ hơn cường độ của cốt thép được tính toán bằng tích số của và. Đối với trường hợp biến dạng của cốt thép 8 lớn hơn / thì ứng suất trong cốt thép không phụ thuộc biến dạng và lấy bằng. Giả thiết 4: Bỏ qua cường độ chịu kéo của bê tông trong tính toán các cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn Giả thiết 5: Phân bố ứng suất của bê tông vùng chịu nén được giả thiết là hình chữ nhật, hình thang, parapol hoặc bất kì hình dạng nào phù hợp với kết quả thí nghiệm đáng tin cậy.
Hầu hết các tài liệu tính toán kết cấu bê tông đều sử dụng giả thiết dạng phân bố ứng suất là hình chữ nhật và chấp nhận dạng parapol. Giả thiết 6: Các yêu cầu đặt ra ở giả thiết thứ 5 được thỏa mãn bằng cách sử dụng phân bố ứng suất bê tông vùng nén dạng chữ nhật phân bố đều bằng 0.85 ′ với chiều cao vùng chịu nén a= c kể từ vùng nén. Hệ số lấy bằng 0.85 với cường độ ′ nhỏ hơn hoặc bằng 4000 psi và sẽ giảm với tỉ lệ 0.05 cho mỗi 1000 psi của cường độ ′ vượt quá 4000 psi, nhưng không được lấy nhỏ hơn 0. Các hệ số tải trọng và hệ số giảm độ bền I.1 Các hệ số tải trọng Các hệ số tải trọng và hệ số giảm độ bền trong các tiêu chuẩn thiết kế từ ACI 318-99 trở về trước không có sự thay đổi nhiều.
Tiêu chuẩn mới năm 2002 có sự thay đổi nhưng cơ bản là thay đổi về giá trị các hệ số và áp dụng chúng trong tính toán thiết kế. Để có cơ sở vận dụng và đánh giá, các hệ số theo tiêu chuẩn ACI 318-02 được trình bày ở bảng 2-1 dưới đây. Bảng 2-1: Thay đổi của các hệ số tải trọng của tiêu chuẩn ACI 318-02 Trường hợp tải trọng Tổ hợp các hệ số tải trọng U = 1,4D + 1,7L Trường hợp cơ bản (D + L) U = 1,2(D + F + T) +1,6(L + H) +0,5( hoặc S hoặc R) U = 0,75(1,4D + 1,7L) + (1,6W hoặc 1,0E) Trường hợp có tải trọng gió (W) hoặc lực động đất (E) U = 0,9D + (1,6W hoặc 1,0E) Khi có tải trọng do có áp lực U = 1,4D + 1,7L + 1,7H đất (H) 9 Tải trọng nhiệt độ, lún, từ U = 0,75(1,4D + 1,4T + 1,7L) nhưng không nhỏ hơn giá biến, co ngót của bê tông (T) trị U = 1,4(D +T) U = 1,4D + 1,7L + 1,4F Tải trọng do chất lỏng tác dụng (F) U = 0,9D + 1,4F Trong các tổ hợp tải trọng nêu trên, D là kí hiệu tĩnh tải, L là hoạt tải, W là tải trọng gió, là hoạt tải trên mái che, S là tải trọng tuyết, R tải trọng do mưa, E là tải trọng do lực động đất, F là tải trọng do chất lỏng, nước, T là tải trọng do nhiệt độ. Hệ số giảm độ bền Hệ số giảm độ bền theo tiêu chuẩn ACI 318-99 được xác định theo các dạng chịu lực của cấu kiện.
Theo tiêu chuẩn ban hành năm 2002, hệ số này được xác định trên cơ sở trạng thái biến dạng của tiết diện tính toán hoặc độ cao tương đối của vùng bê tông chịu nén theo giả thiết là hình chữ nhật (giả thiết của Whitney). Hệ số giảm độ bền được quy định trong bảng 2-2: Bảng 2-2: Hệ số giảm độ bền theo các tiêu chuẩn ACI 318 năm 1999 và 2002: Loại cấu kiện ACI 318-99 Loại cấu kiện ACI 318-02 Dầm sàn chịu uốn 0,9 Cấu kiện phá hoại dẻo 0,90 Cột cốt đai lò xo 0,75 Cấu kiện (lò xo) phá hoại dòn 0,70 Cột cốt đai thường 0,70 Cấu kiện khác phá hoại dòn 0,65 Cấu kiện chịu cắt, xoắn 0,85 Cấu kiện chịu cắt, xoắn 0,75 Cấu kiện không có neo 0,70 Cấu kiện chịu lực trừ neo 0,70 Cấu kiện vùng neo 0,85 Cấu kiện vùng neo 0,85 Cấu kiện bê tông không thép 0,65 Cấu kiện bê tông không thép 0,55 Các tiêu chuẩn ACI trở về trước 2002 đều xác định giá trị các hệ số giảm độ bền theo các cấu kiện chịu lực như nén dọc trục, uốn hoặc kết hợp nén uốn. Trong tiêu chuẩn mới, các hệ số này được xác định trên cơ sở điều kiện biến dạng tại mặt cắt tính toán theo độ bền của cấu kiện. Trong trường hợp phá hoại dòn, hệ số giảm độ bền có giá trị nhỏ hơn do tính dẻo của bê tông kém hơn và chịu lực thực tế lớn hơn các cấu kiện trong trường hợp phá hoại dẻo.
Hệ số đối với các cấu kiện có cốt đai lò xo lớn hơn cấu kiện cốt đai thường vì độ dẻo và khả năng chống nứt dọc tôt hơn. 10 Quan hệ biến đổi của hệ số giảm độ bền đối với thép có cường độ 60.000 psi theo biến dạng của thép chịu kéo tai mặt cắt và chiều cao tương đối của bê tông vùng chịu nén c/ được xác định theo biểu đồ từ tiêu chuẩn ACI 318-08 như sau: = 0 ,5 7 + 6 7 t 0 .9 0 Ð ai lò x o 0 ,7 0 0 ,6 5 Ð ai th u n g t Phá h i V ù n g ch u y n ti p Phá ho i dòn d o t = 0 ,0 0 2 t = 0 ,0 0 2 = 0,600 = 0.375 Nội suy theo (c/ ) Đai lò xo: = 0,37 + 0,2/(c/ ) Đai thường: : = 0,23 + 0,25/(c/ ) Hình 2-1: Biểu đồ xác định hệ số giảm độ bền theo tiêu chuẩn ACI 318-08 Hệ số giảm độ bền có thể xác định theo biến dạng tại tiết diện tính toán. Trong thực tế tính toán, hệ số được xác định theo tỉ số c/ như sau: - Khi c/ < 0,375, thuộc trường hợp phá hoại dẻo: = 0,90. - Khi c/ > 0,60, thuộc trường hợp phá hoại dòn: = 0,65 (hoặc 0,70); - Khi 0,375 < c/ <0,60, thuộc trường hợp chuyển tiếp, hệ số được xác định như sau: = 0,23 + 0,25/(c/ ) với cấu kiện có cốt đai thường; = 0,37 + 0,2/(c/ ) với cấu kiện có cốt đai lò xo.