Phương pháp giàn ảo - Thiết kế dầm cao (EN 1992-1-1)

Phương pháp giàn ảo (STM) thiết kế các vùng gián đoạn (vùng D) của kết cấu bê tông - dầm cao, côngxon, đài cọc, vùng neo - nơi tiết diện phẳng không còn phẳng và lý thuyết dầm thông thường không áp dụng. Đường truyền lực được lý tưởng hóa thành một giàn gồm các THANH CHỐNG bê tông chịu nén và các THANH GIẰNG cốt thép chịu kéo gặp nhau tại các NÚT. Trang này trình bày phương pháp và các kiểm tra EN 1992-1-1 §6.5 đằng sau Tool tính dầm cao này: hình học giàn, cường độ thiết kế thanh chống và nút, cốt thép giằng, và giới hạn góc thanh chống.

Phương pháp giàn ảo (STM) là Tool Eurocode để thiết kế các phần của kết cấu bê tông nơi lý thuyết dầm thông thường không còn đúng. Trang này trình bày phương pháp và các kiểm tra EN 1992-1-1 §6.5 đằng sau Tool tính dầm cao: cách dựng giàn, và cách kiểm tra thanh chống, thanh giằng và nút.

Vùng B và vùng D

Một cấu kiện bê tông cốt thép có thể chia thành vùng B ("Bernoulli", nơi tiết diện phẳng vẫn phẳng và áp dụng thiết kế uốn/cắt thông thường) và vùng D("gián đoạn", nơi tải tập trung, gối, lỗ mở hoặc thay đổi tiết diện đột ngột làm rối loạn trường biến dạng). Vùng D kéo dài khoảng một chiều cao cấu kiện từ chỗ gián đoạn. Trong vùng D biến dạng phi tuyến, nên dùng STM - lý tưởng hóa dòng lực thành giàn. Dầm cao, côngxon, đài cọc, vai bò và vùng neo đều là vùng D.

Dầm cao như một giàn

Dầm cao (tỉ số nhịp/chiều cao $l/h$ nhỏ, khoảng $\le 3$ cho nhịp đơn giản theo EN 1992-1-1 §5.3.1) chủ yếu truyền tải bằng tác dụng thanh chống trực tiếp chứ không phải uốn. Với một tải tập trung giữa nhịp phía trên $P$, mô hình đơn giản nhất là giàn tam giác: hai thanh chống nén nghiêng từ dưới tải xuống mỗi gối, và một thanh giằng kéo ngang dọc đáy giữa các gối.

Theo tĩnh học (đối xứng):

với $\theta$ là góc nghiêng thanh chống so với phương ngang và $z$là cánh tay đòn trong giữa nút tải trên và thanh giằng dưới (thường lấy khoảng$0.6\text{-}0.8\,h$). Cánh tay đòn lớn hơn làm thanh chống dốc hơn và giảm lực thanh giằng.

Thiết kế thanh chống (§6.5.2)

Ứng suất thiết kế trong thanh chống không được vượt $\sigma_{Rd,\max}$. Không có kéo ngang thì $\sigma_{Rd,\max} = f_{cd}$; với thanh chống ở bê tông nứt hoặc có kéo ngang - thanh chống "hình chai" thường gặp trong dầm cao - giới hạn giảm:

Ứng suất tác dụng là lực thanh chống trên tiết diện: $\sigma = F_{strut}/(b\,w_s)$, với $b$ là bề dày cấu kiện và $w_s$ là bề rộng thanh chống xác định bởi hình học nút (chiều dài gối và chiều cao thanh giằng chiếu lên trục thanh chống).

Thiết kế nút (§6.5.4)

Nút được phân loại theo những gì gặp tại đó, mỗi loại có giới hạn ứng suất khác nhau$\sigma_{Rd,\max} = k\,\nu'\,f_{cd}$:

• CCC - chỉ giới hạn bởi thanh chống (ví dụ dưới tải tập trung); giới hạn cao nhất, k1 = 1.0.
• CCT - một thanh giằng neo (ví dụ nút gối: thanh chống + phản lực + giằng dưới); k2 = 0.85.
• CTT - hai hoặc nhiều thanh giằng neo; k3 = 0.75.

Hệ số giảm dần phản ánh việc giằng neo gây kéo ngang làm yếu nút. Với dầm cao, nút gối là nút CCT và ứng suất ép mặt $\sigma = R_A/(b\,a)$ (với chiều dài gối $a$) được kiểm tra với $k_2\,\nu'\,f_{cd}$.

Thiết kế thanh giằng (§6.5.3)

Thanh giằng là cốt thép, nên diện tích yêu cầu đơn giản là:

Quan trọng là thanh giằng phải được neo đầy đủ cho lực của nó tại các nút. Trong dầm cao toàn bộ lực giằng hiện diện ngay tại gối, nên cốt thép dưới phải được phát triển qua nút gối (thường bằng uốn móc hoặc bản neo) - không chỉ nối gần giữa nhịp.

Giới hạn góc thanh chống

Góc nghiêng thanh chống giữ trong giới hạn hợp lý để giàn thực tế - tương tự phương pháp cắt góc thanh chống thay đổi (§6.2.3), $1.0 \le \cot\theta \le 2.5$, tức$\theta$ khoảng $21.8^\circ$ đến $45^\circ$. Thanh chống quá thoải hàm ý lực giằng lớn phi thực tế; quá dốc làm quá ứng suất bê tông. Nếu hình học đẩy $\theta$ ra ngoài dải này, một thanh chống trực tiếp không phải đường truyền lực thực tế và cần xem lại mô hình hoặc tỉ lệ cấu kiện.

Vì sao phương pháp an toàn

STM là phương pháp dẻo cận dưới (tĩnh): nếu tìm được một giàn cân bằng hợp lệ trong đó mọi thanh chống, giằng và nút đều đủ khả năng thì khả năng thực tế ít nhất bằng mô hình. Kết quả phụ thuộc giàn được chọn - thực hành tốt là bám theo quỹ đạo ứng suất đàn hồi một cách hợp lý để kết cấu không cần biến dạng quá mức, và bổ sung cốt thép khống chế nứt tối thiểu bên cạnh các thanh giằng.

Câu hỏi thường gặp

Sẵn sàng thiết kế dầm cao? Dựng giàn ảo và chạy đầy đủ kiểm tra EN 1992-1-1 §6.5 - thanh chống, giằng và nút - với các bước suy diễn chi tiết.