Là một kỹ sư kết cấu trước đây, tôi đã tự đặt câu hỏi: "Liệu có thực sự khả thi khi giải quyết bất kỳ bài toán thi công tường bê tông cốt thép nào trong phần mềm FEA một cách hiệu quả, kinh tế và an toàn không?" Sau khi suy nghĩ, tôi quyết định điều tốt nhất nên làm là dựa ý kiến của mình trên dữ liệu thực tế. Vì vậy, tôi đã thực hiện một thí nghiệm ngắn.
Trong bài viết, tôi sẽ chỉ ra rằng việc sử dụng phân tích tuyến tính bảo thủ và không kinh tế có thể gây ra những vấn đề khó chịu với vết nứt và đánh giá thấp bê tông chịu nén. Chúng ta cũng sẽ xem xét việc tối ưu hóa và nơi bạn có thể tiết kiệm vật liệu khi thiết kế tường bê tông cốt thép.
Tóm lại, tôi sẽ so sánh hai phương pháp tiếp cận thiết kế tường.
- Phân tích tuyến tính 2D – Vật liệu được định nghĩa tuyến tính, bạn có thể kỳ vọng hành vi giống nhau khi chịu nén và chịu kéo (Sự đơn giản hóa đó không phù hợp với thực tế, đặc biệt đối với bê tông).
- CSFM (Phương pháp trường ứng suất tương thích) – Được tích hợp trong IDEA StatiCa Detail. Trong loại phân tích này, bạn có thể kỳ vọng rằng bê tông sẽ bị loại trừ khi chịu kéo, và độ cứng thực tế của cốt thép chịu kéo sẽ được sử dụng, bao gồm cả tính toán bề rộng vết nứt.
Trường hợp nghiên cứu
Tôi đã cố gắng chọn một tình huống thực tế mà nhiều kỹ sư gặp phải. Tôi tập trung vào một tòa nhà nhiều tầng điển hình. Hai tầng đầu tiên được thiết kế từ tường bê tông cốt thép có lỗ mở.
Phần còn lại của kết cấu là khung bê tông (cột bê tông cốt thép + dầm bê tông cốt thép) với tường xây. Để kiểm tra thêm, chúng ta sẽ tập trung vào tường mặt tiền có lối vào garage. Để có cái nhìn rõ hơn, xem bản vẽ bên dưới.
Để so sánh, tôi đã tạo hai mô hình 2D. Mô hình đầu tiên được mô hình hóa trong phần mềm FEA, và mô hình thứ hai trong IDEA StatiCa Detail. Mô hình bên trái là từ phần mềm FEA và mô hình bên phải là từ Detail.
Các mô hình hoàn toàn giống nhau, và ý tôi là hình học, điều kiện biên, và tải trọng. Tôi sẽ không đi sâu vào mô tả chi tiết về các trường hợp tải trọng và xác định tổ hợp. Nhưng để bạn nắm được, bạn có thể xem hình ảnh sau. Ở đó, tổ hợp ULS được hiển thị (các giá trị tính bằng kN và kN/m).
Đáng chú ý là lực tới hạn từ tường bê tông cốt thép ở giữa và cả tải trọng từ ban công. Những yếu tố này sẽ có ảnh hưởng đáng kể nhất đến thiết kế của chúng ta.
Thiết kế theo phân tích tuyến tính 2D
Trong phần này, tôi sẽ thiết kế cốt thép và kiểm tra bê tông dựa trên kết quả từ phân tích tuyến tính. Tôi sẽ tích phân ứng suất kéo chính để xác định lực mà cốt thép phải chịu. Tôi sẽ sử dụng phương pháp này cho tổ hợp ULS, và tôi sẽ kiểm tra bề rộng vết nứt bằng cách giới hạn ứng suất trong cốt thép.
Trong hình dưới đây, chúng ta có thể thấy ứng suất kéo chính cho tổ hợp ULS và năm mặt cắt tường bê tông, mà tôi sẽ sử dụng để thiết kế cốt thép.
Việc kiểm tra các hướng (vectơ) của ứng suất chính cũng rất hữu ích để hiểu rõ hơn về dòng chảy ứng suất. Xem hình dưới đây để quan sát các hướng kéo.
Trong các bảng sau, bạn có thể thấy thiết kế cốt thép theo Eurocode. Đối với tổ hợp tựa thường xuyên, ứng suất trong thanh thép được giới hạn ở 200 MPa. Đây là phương pháp tương tự theo EN 1992-2 điều 8.10.3 (104).
Dựa trên đó, tôi đã tạo ra một sơ đồ cốt thép có thể gửi cho người vẽ bản vẽ. Tôi đã thiết kế cốt thép tối thiểu ∅10 mm; 200x200 mm trên cả hai bề mặt và một số cốt thép bổ sung như đã xác định ở trên. Đặc biệt đáng chú ý là cốt thép phía trên lối vào garage, 4 x ∅25 mm.
Và đó là tất cả. Thiết kế cốt thép đã hoàn thành. Bây giờ tôi sẽ chỉ kiểm tra chính thức ứng suất nén trong bê tông. Tôi muốn thiết kế tường từ C25/30, vì vậy đối với ULS, ứng suất tối đa sẽ là fcd = 1.0*25/1.5 = 16.67 MPa (theo EN 1992-1-1, 3.1.6 (1)).
Như bạn có thể thấy, không có vấn đề gì với ứng suất trong bê tông. Chỉ có một đỉnh ứng suất ở góc sắc, và ngay cả điều đó cũng thấp hơn giới hạn.
Tại thời điểm này, công việc của kỹ sư kết cấu sử dụng phương pháp này đã hoàn thành. Họ có thể về nhà nghỉ ngơi (hoặc bắt đầu thiết kế các tường bê tông cốt thép khác), nhưng chúng ta sẽ so sánh những kết quả này với CSFM trong IDEA StatiCa Detail (phần mềm không chỉ được thiết kế như một công cụ tính toán tường bê tông).
Thiết kế trong IDEA StatiCa Detail
Trong IDEA StatiCa Detail, tôi đã tạo cùng một mô hình thi công tường bê tông cốt thép (bao gồm cốt thép đã thiết kế) như bạn có thể thấy trong đoạn trước.
Trước khi chạy tính toán và so sánh kết quả trong từng mặt cắt tường bê tông, hãy sử dụng một công cụ thiết kế khác – phân tích tuyến tính, đây là công cụ tiền thiết kế. Kết quả cho thấy sự phù hợp của các mô hình. Bạn có thể thấy rằng các hướng (vectơ) của ứng suất kéo chính giống nhau cũng như bê tông chịu nén.
Được rồi, người ta có thể nói công việc đã xong...
Nhưng khoan đã! Tôi chạy phân tích và chương trình cho tôi thấy rằng toàn bộ phần tải trọng cho tổ hợp ULS không thể được áp dụng! Và có vẻ như nó thất bại do cường độ của bê tông! Nhưng với phương pháp tuyến tính bảo thủ của tôi thì không có vấn đề gì. Chuyện gì đang xảy ra ở đây?
Thực ra, lý do tại sao nó thất bại là hiệu ứng mềm hóa do nén. Về cơ bản, điều đó có nghĩa là cường độ của bê tông bị ảnh hưởng bởi các vết nứt ngang bị giảm xuống.
Hãy nhớ lại các hướng (vectơ) của ứng suất kéo chính. Trong vùng tới hạn, vết nứt gây ra kéo vuông góc với thanh chống nén. Hiệu ứng này, ví dụ, được giới thiệu cho phương pháp mô hình thanh chống - giằng đối với các nút trong EN 1992-1-1, 6.5.4 là các hệ số k1, k2, và k3, hoặc trong ACI 318-19, 23.9.2 là hệ số βn .
Trong IDEA StatiCa Detail, chúng tôi giới thiệu hiệu ứng này là hệ số kc2 cho mỗi phần tử hữu hạn. Vì vậy, đối với ví dụ của chúng ta, bản đồ hiệu ứng mềm hóa do nén trông như thế này:
Được rồi, điều đó có nghĩa gì với chúng ta? Chúng ta cần tăng cấp bê tông từ C25/30 lên C30/37 và tính toán lại mô hình. Với sửa đổi này, kết quả cho ULS trông ổn. Toàn bộ phần tải trọng có thể được áp dụng, và các kiểm tra ULS đều đạt.
- Thông tin thêm về kiểm tra ULS trong Mô tả chung về kết quả ULS trong Detail application
Nhưng, có một vấn đề khác, lần này với kiểm tra SLS. Vết nứt và giới hạn ứng suất không đủ. Một lần nữa, làm sao có thể có vấn đề với vết nứt?! Chúng ta đã sử dụng phương pháp bảo thủ để thiết kế cốt thép.
- Thông tin thêm về kiểm tra SLS trong Mô tả chung về kết quả SLS trong Detail application
Có vẻ như mặc dù chúng ta đã thiết kế cốt thép tương đối mạnh phía trên lỗ mở garage, các vết nứt đã hình thành trong khoảng không gian giữa trần và lỗ mở, nơi chỉ có cốt thép làm từ thanh 10 mm được thiết kế. Hình ảnh cũng cho thấy rằng cốt thép mạnh phía trên lỗ mở không được sử dụng nhiều.
Nếu chúng ta xem xét ứng suất trong cốt thép cho SLS – tổ hợp đặc trưng, chúng ta sẽ thấy rằng tình huống tương tự với hệ số sử dụng thấp cũng xảy ra, ví dụ, phía trên lỗ mở ban công (mặt cắt 3). Và chúng ta cũng có thể thấy lý do tại sao kiểm tra giới hạn ứng suất không đủ. Đó là vì σlim = 400 MPa.
Bây giờ các lựa chọn là gì? Chúng ta có thể giảm cốt thép ở các mặt cắt 1, 3 và 5. Nhưng mặt khác, chúng ta cần bổ sung thêm vào vùng tới hạn.
Các thay đổi như sau:
- Mặt cắt 1 - 4x∅25 => 4x∅16
- Mặt cắt 3 - 5x∅12 => 3x∅12
- Mặt cắt 5 - 4x∅16 => 4x∅14
- Mặt cắt 1 - +2x4x∅14
Sau khi thêm 2x4 thanh thép dài 3,0 m giữa trần và lỗ mở garage, và giảm các phần đã đề cập ở trên, tất cả các kiểm tra đều đạt. Chúng ta có thể về nhà nghỉ ngơi, cũng như kỹ sư kết cấu đã sử dụng phương pháp tuyến tính. Nhưng, chúng ta có thể sẽ nghỉ ngơi lâu hơn vì chúng ta có thể sẽ không gặp khó khăn trong việc giải thích tại sao các vết nứt xuất hiện phía trên lỗ mở garage.
Kết luận
Có sự khác biệt đáng kể giữa hai phương pháp này. Trong phương pháp tuyến tính 2D, chúng ta đã đánh giá thấp bê tông, đánh giá quá cao một số cốt thép, và không phát hiện được vị trí vết nứt tiềm năng. Nguyên nhân là sự phân phối lại không chính xác giữa kéo (cốt thép) và nén (bê tông) trong mô hình tuyến tính.
Vì vậy, để trả lời câu hỏi đầu tiên của bài viết này. Không, không thể giải quyết bất kỳ bài toán thi công tường bê tông cốt thép nào trong phần mềm FEA của bạn một cách hiệu quả, kinh tế và an toàn. Tốt hơn nhiều khi sử dụng một công cụ tính toán tường bê tông tinh vi hơn như IDEA StatiCa Detail với CSFM được tích hợp trong đó.
- Xem hội thảo trực tuyến Kiểm tra tiêu chuẩn tường và dầm sâu
Một lưu ý cuối cùng tôi muốn chia sẻ với bạn. Tôi phải thừa nhận rằng ban đầu, tôi muốn cung cấp cho bạn sự so sánh giữa ba phương pháp. Tuyến tính 2D, CSFM, và mô hình thanh chống - giằng. Nhưng phương pháp được đề cập cuối cùng tốn nhiều thời gian đến mức tôi không thể tạo ra một mô hình hoạt động đủ tốt trước khi tôi muốn xuất bản bài đăng blog này.