CÁC KHÁI NIỆM TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU

Một phần thuộc dự án biện soạn handbook THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

Bậc chịu lửa

Bậc chịu lửa của công trình được quy định trong QCVN 03:2012/BXD phụ thuộc cấp công trình

Bậc chịu lửa của công trình ảnh hưởng đến một số cấu tạo của kết cấu như chiều dày lớp bảo vệ bê tông và kích thước tối thiểu của cấu kiện theo QCVN 06:2020/BXD phụ lục F


Cấp công trình

Công trình được phân thành các cấp khác nhau phụ thuộc phân loại, quy mô (số tầng, diện tích) và được quy định trong QCVN 03:2012/BXD, được làm rõ và điều chỉnh trong các thông tư 03/2016/TT-BXD và 07/2019/TT-BXD

Cấp công trình ảnh hưởng đến Bậc chịu lửaNiên hạn sử dụng của công trình, từ đó dẫn đến các yêu cầu cấu tạo và hệ số độ tin cậy của tải trọng gió khi tính toán, thiết kế công trình


Chuyển vị lệch tầng

Chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng, theo TCVN 9386:2012 là hiệu của các chuyển vị ngang trung bình ds tại trần và sàn của tầng

Khi thiết kế kết cấu, chúng ta cần hạn chế chuyển vị lệch tầng trong giá trị cho phép để tránh hư hỏng các vật liệu chèn giữa khung bê tông cốt thép.

Theo TCVN 5574:2018 bảng M.4 phụ lục M, tỉ lệ giữa chuyển vị lệch tầng ds dưới tác dụng của tải trọng gió và chiều cao tầng hs cần thỏa mãn 

  • ds / hs < 1 / 500 đối với tường ngăn bằng gạch, bằng bê tông thạch cao, bằng panel bê tông cốt thép
  • ds / hs < 1 / 700 đối với tường (ốp đá tự nhiên) làm bằng gạch ceramic

Theo TCVN 9386:2012 mục 4.4.3.2 phụ thuộc vào cấp dẻo và loại vật liệu, được trình bày sơ lược như dưới dây


Chuyển vị đỉnh công trình

Chuyển vị theo phương ngang của đỉnh công trình so với vị trí ban đầu

Khi thiết kế kết cấu, chúng ta cần hạn chế chuyển vị đỉnh trong giá trị cho phép để đảm bảo kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi.

Theo TCVN 5574:2018 bảng M.4 phụ lục M, tỉ lệ giữa chuyển vị ngang của đỉnh công trình D dưới tác dụng của tải trọng gió và chiều cao tính đến đỉnh công trình kể từ mặt móng H cần thỏa mãn D / H < 1 / 500

Do TCVN 9386:2012 cho phép kết cấu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi nên tiêu chuẩn này không hạn chế chuyển vị đỉnh công trình


Dạng địa hình

Khi gió thổi qua các bề mặt, ma sát giữa nó và bề mặt làm cho sự phân bố vận tốc của nó thay đổi; vùng tiếp xúc gần với bề mặt gọi là vùng biên và có vận tốc bé hơn so với các vùng phía trên, điều này tương tự như khái niệm dòng chảy Reynold trong thủy lực.

"Độ nhám" của bề mặt khác nhau dẫn đến ma sát giữa dòng không khí (gió) với bề mặt khác nhau và dẫn đến sự thay đổi khác nhau của vận tốc gió tại vùng biên. Để đánh giá "độ nhám" của bề mặt và từ đó xác định vận tốc gió tại vùng biên, người ta phân địa hình ra các dạng khác nhau phụ thuộc đặc điểm của nó.

TCVN 2737:1995 mục 6.5 chia địa hình ra làm 3 dạng:

  • Địa hình dạng A là địa hình trống trải, không có hoặc có rất ít vật cản cao không quá 1.5m (bờ biển thoáng, mặt sông, hồ lớn, đồng muối, cánh đồng không có cây cao ...)
  • Địa hình dạng B là địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m (vùng ngoại ô ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa hoặc rừng non, vùng trồng cây thưa ...)
  • Địa hình dạng C là địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m trở lên (trong thành phố, vùng rừng rậm)

Công trình được xem là thuộc dạng địa hình nào nếu tính chất của dạng địa hình đó không thay đổi trong khoảng cách 30h khi h < 60m và 2km khi h > 60m tính từ mặt đón gió của công trình, h là chiều cao công trình

Do giữa các dạng địa hình khác nhau sẽ có vận tốc gió ở bề mặt khác nhau và dẫn đến tải trọng gió tác dụng khác nhau lên công trình (giữa địa hình A và C chênh nhau gần 2 lần) do đó khi thiết kế người kỹ sư cần dựa vào đặc điểm của địa hình để lựa chọn dạng địa hình chính xác nhằm xác định đúng tải trọng gió tác dụng lên công trình.

 

 


Hàm lượng cốt thép

Hàm lượng cốt thép (ký thiệu µ) là tỉ lệ giữa diện tích tiết diện cốt thép và diện tích tiết diện bê tông.

Theo TCVN hàm lượng cốt thép được tính bằng  As / (b*ho) trong đó hlà chiều cao làm việc của tiết diện. Tuy nhiên trong đa số trường hợp xác định theo công thức này gây rắc rối đặc biệt là đối với trường hợp bố trí cốt thép theo chu vi. Do đó gần đúng có thể xác định bằng As / (b*h)

Chúng ta cần khống chế hàm lượng cốt thép của các cấu kiện trong khoảng µmin (hàm lượng cốt thép tối thiểu) và µmax (hàm lượng cốt thép tối đa):

  • Khi tính ra được lượng cốt thép mà tương ứng với nó hàm lượng cốt thép bé hơn µmin thì chúng ta phải dùng lượng thép tương ứng với µmin để bố trí cho cấu kiện
  • Ngược lại nếu tính ra được lượng cốt thép mà tương ứng với nó hàm lượng cốt thép lớn hơn µmax thì chúng ta cần thực hiện các biện pháp (tăng tiết diện của cấu kiện, tăng cấp bền của bê tông và cốt thép v.v..) để giảm lượng cốt thép tính toán

Hàm lượng cốt thép giới hạn được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế:

  • Thiết kế kết cấu BTCT TCVN 5574:2018 mục 10.3.3.1
  • Thiết kế công trình chịu động đất TCVN 9386:2012, phụ thuộc loại cấu kiện và cấp dẻo sử dụng

 


Hiệu ứng bậc 2 (P-Delta)

Hiệu ứng bậc 2 là sự xét đến nội lực gia tăng trong cấu kiện do tác dụng lệch trục của tải trọng thẳng đứng. Được đề cập đến trong TCVN 9386:2012 mục 4.4.2.2.(2)

Dưới tác dụng của tải trọng động đất và do sự cho phép làm việc ngoài giới hạn đàn hồi, kết cấu thường có chuyển vị ngang lớn, các tải trọng thẳng đứng do đó không nằm ở vị trí ban đầu mà chuyển dịch sang vị trí mới làm gia tăng nội lực trong các cấu kiện do tác dụng lệch trục.

Hiệu ứng bậc 2 (P-Delta) được đánh giá thông qua hệ số độ nhạy θ = (Ptot * dr)/(Vtot * h) trong đó:

  • Ptot là tổng trọng lực tại tầng đang xét và tất cả các tầng ở trên nó
  • Vtot là tổng lực cắt tầng do động đất gây ra tại tầng đang xét
  • dr là chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng
  • h là chiều cao tầng đang xét

Công thức xác định θ có thể viết lại như sau: θ = q * drif * (Ptot/Vtot) trong đó q là hệ số ứng xử của kết cấu, drif là chuyển vị lệch tầng (chuyển vị tương đối chia cho chiều cao tầng) được lấy trong mô hình phân tích đàn hồi dưới tác dụng của phổ thiết kế

Điều kiện khống kế hiệu ứng bậc 2 phụ thuộc giá trị hệ số độ nhạy θ :

  • Khi θ ≤ 0.1 : không cần xét đến hiệu ứng bậc 2
  • Khi 0.1 < θ ≤ 0.2 : các hiệu ứng bậc 2 có thể được xét đến một cách gần đúng bằng cách nhân các hệ quả tác động với hệ số bằng 1/(1-θ)
  • Giá trị θ không được lớn hơn 0.3

Để hạn các hiệu ứng bậc 2 ở mức thấp nhất, hệ kết cấu cần được thiết kế với độ cứng ngang lớn, khi đó giá trị drif sẽ giảm xuống kéo theo sự giảm xuống của giá trị θ

 


Kiểm tra tổng thể công trình

Trước khi thiết kế chi tiết, chúng ta cần tiến hành kiểm tra tổng thể công trình. Khi một trong các điều kiện về tổng thể không thỏa mãn cần tiến hành thay đổi phương án kết cấu cho đến khi thỏa mãn tất cả các điều kiện. 

Do ảnh hưởng đến phương án kết cấu nên việc kiểm tra tổng thể công trình cần được kiểm tra đầu tiên sau khi hoàn thiện mô hình tính toán.

Các điều kiện cần kiểm tra bao gồm:

 


Lớp bê tông bảo vệ

Theo TCVN 5574:2018 mục 10.3.1 - Lớp bê tông bảo vệ cốt thép được cân nhắc để đảm bảo các điều kiện:

  • Sự làm việc đồng thời của cốt thép và bê tông
  • Sự neo cốt thép trong bê tông và khả nằng bố trí các mối nối của các chi tiết cốt thép
  • Tính toàn vẹn của cốt thép dưới tác động của môi trường xung quanh (kể cả khi có môi trường xâm thực)
  • Khả năng chịu lửa của kết cấu

Lớp bê tông bảo vệ trong mọi trường hợp không được bé hơn đường kính cốt thép

Ở Việt Nam, chúng ta có 3 văn bản quy định về lớp bê tông bảo vệ, bao gồm:

  • TCVN 5574:2018 tại mục 10.3.1.2
  • TCVN 9346:2012 (Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển) tại bảng 1 mục 4
  • QCVN 06:2020/BXD phụ lục F

Bảng dưới là giá trị tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ theo TCVN 5574:2012


Niên hạn sử dụng

Niên hạn sử dụng của công trình được quy định trong QCVN 03:2012/BXD phụ thuộc cấp công trình

Niên hạn sử dụng của công trình ảnh hưởng đến việc xác định hệ số độ tin cậy của tải trọng gió theo QCVN 02:2009/BXD, ví dụ đối với công trình có niên hạn 50 năm thì hệ số độ tin cậy của tải trọng gió là 1.2, đối với công trình có niên hạn 100 năm thì hệ số độ tin cậy của tải trọng gió là 1.37


Thành phần dài hạn và ngắn hạn của hoạt tải

Do bê tông có tính từ biến và co ngót, nên một số hệ quả tác động như độ võng và vết nứt thay đổi và gia tăng theo thời gian; do đó trong tính toán độ võng và vết nứt đối với tải trọng tạm thời (hoạt tải) cần chia ra các thành phần dài hạn và ngắn hạn.

Trong bảng 3 của TCVN 2737:1995  có liệt kê giá trị toàn phần và phần dài hạn, phần ngắn hạn được hiểu là bằng giá trị toàn phần trừ đi phần dài hạn

 

 


0397 306 689