Strut and Tie Model-Bạn có biết ? -Phần 1

I.Nguồn gốc mô hình giàn ảo

Mô hình giàn ảo(STM) là một phương pháp thiết kế các cấu kiện bê tông cốt thép một cách linh hoạt, đường bao thấp( lower-bound). STM được sử dụng rộng rãi để thiết kế các vùng cấu kiện kết cấu bị gián đoạn bởi 1 tải trọng và/hoặc sự không liên tục về kích thước hình học. Sự gián đoạn do tải trọng và kích thước hình học tạo ra phân bố biến dạng dạng phi tuyến( non-linear)  phát triển trong vùng đó. Kết quả, các mặt cắt phẳng không thể giả thiết vẫn phẳng trong các vùng gián đoạn( disturbed) do sự không liên tục. Do đó, phương pháp thiết kế mặt cắt dựa vào lý thuyết dầm cổ điển mà giả thiết mặt cắt phẳng vẫn phẳng không phù hợp để thiết kế cho các vùng gián đoạn (disturbed region) hay còn gọi là vùng D. Do đó, việc thiết kế vùng D phải được thực hiện trên 1 vùng chứ không trên 1 mặt cắt và mô hình STM sẽ giúp chúng ta thiết kế vùng D một cách đơn giản.

Hình 1: Mô hình giàn ảo(STM) của dầm

Mô hình giàn ảo có thể áp dụng cho bất kỳ cấu kiện kết cấu nào với bất kỳ tải trọng và điều kiện biên nào.

Sự linh hoạt của STM có thể giúp người thiết kế đưa ra những mô hình phù hợp nhưng cũng có thế khiến họ gặp phải nhiều sự sai lầm trong mô hình. STM đã tỏ ra cực kỳ hữu ích và cung cấp phương pháp  thiết kế an toàn trong các trường hợp áp dụng phương pháp mặt cắt là quá phức tạp hoặc thậm chí bị nghi vấn về tính đúng sai ( ví dụ đầu dầm cắt khấc super-T).

II. Giới thiệu về mô hình giàn ảo (STM)

2.1 Vùng gián đoạn của dầm

Mô hình giàn ảo chủ yếu sử dụng để thiết kế cho các vùng D ( D ký hiệu viết tắt của disturbed hoặc disconnectivity ) - xảy ra ở vùng lân cận của tải trọng hoặc vùng gián đoạn hình học mặt cắt. Ở hình dưới đây, tải trọng và gối là vùng gián đoạn mà làm gián đoạn các vùng của cấu kiện dầm ở các vị trí lân cận đó. Vùng D có thể kể đến ví dụ như các góc của kết cấu khung, các đầu cắt khấc, các khe hở, công son....

 

Hình 2: Quỹ đạo ứng suất trong vùng B và vùng D của một cấu kiện chịu uốn

Vùng B (B ký hiệu của beam hoặc Bernoulli) nằm giữa các vùng D như hình 2. Các mặt cắt phẳng vẫn phẳng trong vùng B theo các nguyên lý chính của lý thuyết dầm ám chỉ biến dạng phân bố tuyến tính theo chiều cao mặt cắt. Do đó, dầm chịu ảnh hưởng bởi ứng xử mặt cắt và thiết kế có thể được tiến hành trên 1 mặt cắt bởi 1 mặt cắt cơ bản ( Thiết kế mặt cắt). Với thiết kế chịu uốn của 1 vùng B, các ứng suất nén ( được thể hiện bằng các đường nét liền trong hình 2) thông thường sẽ được giả thiết tác động trên một khối ứng suất hình chữ nhật trong khi ứng suất kéo( được thể hiện bằng nét đứt trong hình 2) được giả thiết chịu lực bằng các thanh thép dọc. 

Sự phân bố biến dạng trên chiều cao kết cấu trong các vùng D là phi tuyến, và các giả thiết được sử dụng trong các bước tính toán thiết kế dùng phương pháp mặt cắt là không phù hợp nữa. Theo quy tắc St.Venant, sự phân tích ứng suất đàn hồi cho thấy rằng sự phân bố ứng suất tuyến tính có thể được giả thiết tại vị trí cách vị trí gián đoạn về hình học hoặc tải trọng một đoạn bằng chiều cao kết cấu. Nói cách khác, sự phân bố ứng suất phi tuyến xuất hiện trong khoảng chiều cao của kết cấu tính từ vị trí gián đoạn(SChlaich và cộng sự 1987). Do đó, các vùng D được giả thiết mở rộng ra một khoảng xấp xỉ d tính từ tải trọng tác dụng đến các phản lực gối trong hình 2, trong đó d là khoảng cách mép trên cùng chịu nén đến cốt thép dọc chủ.

Nhìn chung, một vùng của một bộ phận kết cấu được giả thiết chịu ảnh hưởng lớn bởi ứng xử phi tuyến khi bước chịu cắt a nhỏ hơn 2-2.5 lần chiều cao kết cấu d( a< 2d-2.5d). Bước chịu cắt a là khoảng cách từ tải trọng tác dụng đến gối trong các kết cấu giản đơn. Khoảng cách giữa tải trọng tác dụng và gối phải trong hình 2 chỉ bằng 2 lần chiều cao kết cấu. Do đó, bước chịu cắt phải gồm toàn bộ vùng D và sẽ chịu ảnh hưởng bởi ứng xử phi tuyến và thường được gọi là ứng xử dầm cao trong việc nhận biết đặc tính tương đối thiếu sót của bước chịu cắt trong việc so sánh với chiều cao kết cấu. Các bộ phận kết cấu thể hiện ứng xử như vậy thường được coi là các dầm cao hoặc các kết cấu cao. Các vùng dầm cao đòi hỏi phải sử dụng mô hình STM được giải thích sau đây. Trong hình 2, khoảng cách giữa tải trọng tác dụng và gối trái bằng 5 lần chiều cao dầm. Mặc dù bước chịu cắt bên trái bao gồm các vùng D, nhưng nó sẽ chịu ảnh hưởng lớn bởi ứng xử mặt cắt và do đó có thể được thiết kế sử dụng các phương pháp mặt cắt. Dĩ nhiên, sự chuyển tiếp từ ứng xử mặt cắt đến ứng xử dầm cao diễn ra từ từ, tuy nhiên việc áp dụng quy tắc St.Venant để xác định ứng xử của mỗi vùng trong một bộ phận kết cấu sẽ là một tính toán hợp lý. 

Ứng xử của một dầm cao có thể được mô tả bằng việc xem xét cơ chế truyền tải trọng giữa tải trọng tác dụng đến gối. Ứng xử của vùng dầm cao trong hình 2 chịu ảnh hưởng lớn bởi tổ hợp đường tác dụng hình vòm và đường tác dụng hình giàn giữa tải trọng P và gối phải. Trong quá trình phát triển mô hình STM, đường tác dụng hình vòm hoặc đường truyền tải trọng trực tiếp có thể được thay thế bởi thanh strut chéo( đường nét đứt) được thấy trong hình 3(a). Các thành phần chịu kéo ( các thanh tie) được ký hiệu bằng đường nét liền dọc theo phía dưới của dầm trong hình 3(a) phải cân bằng với lực đẩy trong các thanh nén xiên. Trong một mô hình STM, đường tác dụng hình giàn, hay đường truyền tải trọng không trực tiếp, được thay thế bằng mô hình giàn hai tấm bao gồm một thanh kéo đứng như được thấy trong hình 3(b).    

Hình 3: a, Một tấm ( one panel) - tác động vòm

             b, Hai tấm ( two panel) - tác động giàn

Hướng dẫn cài đặt phần mềm Cast-Tính toán cục bộ

Link download document