Strut and Tie Model - Bạn có biết? Phần 2

II. Tổng quan về mô hình STM

2.1 Cơ sở mô hình STM

Các quy tắc tạo ra các cơ sở của các mô hình STM phải đảm bảo rằng việc thiết kế kết cấu là thiên về an toàn ( thiết kế có biên an toàn thấp hơn). Một thiết kế mô hình STM thỏa mãn điều kiện trên nếu (1): mô hình giàn cân bằng với các ngoại lực và (2):các thành phần bê tông có đủ sức chịu biến dạng để tạo ra sự phân bố lực như giả thiết(Schlaich et al.,1987). Việc neo cốt thép phù hợp là yêu cầu để kiểm tra. Thêm vào đó, các lực nén trong bê tông được phân tích bằng mô hình STM phải không được vượt quá các cường độ bê tông tính toán, và các lực kéo trong mô hình STM phải không được vượt quá các sức kháng kéo tính toán . Nếu tất cả các điều kiện trên được thỏa mãn, thì việc áp dụng các bước thiết kế STM sẽ là một thiết kế thiên về an toàn ( thiết kế với biên giới hạn thấp hơn).

Mỗi một mô hình STM bao gồm 3 thành phần: các thanh chịu nén, các thanh chịu kéo và các nút. Một mô hình STM cơ bản sẽ biểu thị dòng dịch chuyển của các lực qua một dầm giản đơn được biểu thị trong hình 4. Sau khi tính toán các phản lực ngoài và xác định các kích thước hình học của mô hình STM, các nội lực trong các bộ phận của mô hình giàn ảo sẽ được tính toán từ phương pháp tĩnh học. Các thành phần chịu nén được gọi là các thanh nén, các thành phần chịu kéo được gọi là các thanh kéo. Các thanh nén và kéo được biểu thị bằng các đường nét đứt và đường nét liền tương ứng, trong hình 4 . Các thanh kéo và nén giao nhau tại các vùng gọi là các nút. Do sự tập trung ứng suất bởi các thành phần của giàn giao nhau, các nút là các vùng có ứng suất cao nhất của một bộ phận kết cấu.

Hình 4: Thanh chịu nén ( strut), thanh chịu kéo (Tie ) và nút (Node) trong một mô hình STM

Khi phát triển một mô hình STM, vị trí các thanh nén và kéo nên được lý tưởng hóa dựa vào các dòng lực xác định bằng phân tích đàn hồi. Việc bố trí các thanh nén và kéo theo các dòng lực đàn hồi đảm bảo việc tính toán thiết kế thiên về an toàn với hạn chế nứt nhỏ nhất tại các cấp tải trọng sử dụng( Bergmeister et al.,1993). Phần này sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau.

Mô hình STM cuối cùng được điều chỉnh cho phù hợp với các kích thước hình học và sự phân bố ứng suất mà có thể bắt gặp trong thiết kế các vùng D. Sự linh hoạt này vừa là lợi thế nhất nhưng cũng là khó khăn nhất của việc áp dụng mô hình STM. Chính vì vậy mô hình STM được sử dụng thường dẫn đến sự hoài nghi cũng như là nhầm lẫn cho các kỹ sư: Không có một mô hình STM chính xác hoàn toàn cho bất kỳ một kết cấu đặc biệt nào cả. Tuy nhiên,nếu các nguyên tắc đưa ra tìm được một lời giải có đường bao vật liệu thấp hơn, thì các kỹ sư có thể đảm bảo rằng đó là một thiết kế an toàn. Mong muốn giảm thiểu tối đa sự không chắc chắn trong mô hình STM và xây dựng ra các bước thiết kế STM chuẩn xác trong một văn phòng thiết kế là điều dễ hiểu. Do đó chuỗi bài viết này giúp các kỹ sư nắm bắt được các bước thiết kế STM để có thể áp dụng trong thiết kế các bộ phận kết cấu cầu.

2.2 Các thanh chịu nén dạng lăng trụ và các thanh chịu nén dạng hình chai

Các thanh nén được gọi là các thanh nén dạng hình lăng trụ( Prismatic strut) hoặc dạng hình chai(Bottle-shaped strut) phụ thuộc vào sự phân bố đều của trường ứng suất tại vị trí xét. Trong hình 5, Các thanh nén dạng hình lăng trụ tập trung tại các vùng mà ứng suất phân bố khá đều, như vùng phía trên cùng của một cấu kiện chịu mô men uốn dương. Các thanh nén dạng chai xuất hiện tại các vùng mà ứng suất nén không thể  phát triển theo phương ngang. Các thanh nén xiên trong dầm có dạng hình chai. Sự phát triển các ứng suất nén tạo ra các ứng suất kéo ngang đối với các thanh nén, gây ra các vết nứt xiên trong cấu kiện. Các ứng suất kéo này làm giảm hiệu quả của bê tông được mô hình bằng thanh nén. Các cốt thép thẳng góc được bố trí tại vùng lân cận của các thanh nén dạng hình chai để chịu các lực kéo, tăng cường độ cho thanh nén và kiểm soát sự phát triển của các vết nứt. Mặc dù các thanh nén dạng chai thường được lý tưởng hóa thành các thanh nén dạng lăng trụ(hình 5), nhưng các ảnh hưởng của các ứng suất kéo ngang phải  được xem xét đến.

Hình 5: Thanh nén dạng lăng trụ và thanh nén dạng chai trong một mô hình STM

2.3 Trình tự thiết kế mô hình giàn ảo( STM)

1. Phân chia các vùng B và D: Xác định các vùng kết cấu có ứng xử dầm cao hoặc  toàn bộ kết cấu nên được thiết kế sử dụng STM.

2. Xác định các trường hợp tải trọng: Tính toán các tải trọng tính toán tác động lên bộ phận kết cấu, nếu cần thiết, ta có thể đơn giản hóa các giả thiết để xây dựng  một trường hợp tải trọng tác dụng phù hợp với một mô hình STM.

3. Phân tích bộ phận kết cấu: Tính toán các phản lực gối với giả thiết ứng xử đàn hồi tuyến tính.

4. Xác định kích thước cấu kiện sử dụng kiểm toán trạng thái sử dụng chịu cắt : xác định kích thước hình học sơ bộ của bộ phận kết cấu sử dụng kiểm toán khả trạng chịu cắt.

5. Phát triển mô hình STM: Xác định vị trí các thanh nén và thanh kéo để biểu thị các dòng lực trong bộ phận kết cấu, và xác định các lực trong các thanh nén và thanh kéo.

6. Xác định kích thước thanh kéo: Xác định cốt thép cần thiết chịu lực trong mỗi thanh kéo.

7. Kiểm tra cường độ nút: Xác định các kích thước hình học của các nút tới hạn, và đảm bảo cường độ của mỗi mặt đủ để kháng lại các lực tác dụng được xác định từ việc phân tích mô hình STM.

8. Xác định lượng cốt thép kiểm soát nứt: Xác định rõ lượng cốt thép kiếm soát vết nứt cần thiết để hạn chế các vết nứt chéo gây ra bởi ứng suất kéo ngang trong các thanh nén dạng chai.

9. Cung cấp chiều neo cần thiết cho các thanh kéo: Đảm bảo cốt thép được neo đúng tại các vùng nút.

Trong bài viết sau, chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về các bước thiết kế mô hình STM nếu trên! Các bạn theo dõi blog để cập nhật bài viết mới nhất!

Download Ví dụ giàn ảo