Tính toán kết cấu bê tông cốt thép hình 1. Đặt vấn đề. Kết cấu bê tông cốt thép là giải pháp thường được các nhà thiết kế lựa chọn nhiều hơn kết cấu bê tông cốt thép hình (sau đây gọi là “bê tông cốt thép cứng”) trong thiết kế các kết cáu chịu nén uốn. Lý do một phần bởi vì trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay chưa đề cập nhiều đến các quy định thiết kế hoặc vẫn tồn tại sự không thống nhất giữa các quy định của các tiêu chuẩn khác nhau ( kể cả các tiêu chuẩn nước ngoài); phần khác là sự lo ngại tính dẻo (ductility) của kết cấu bê tông cốt cứng kém hơn bê tông cốt thép thường, đặc biệt đối với các kết cấu công tỳinh trong vùng có động đất. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu, thực nghiệm cho thấy khi có cấu tạo hợp lý, kết cấu bê tông cốt cứng có khả năng chịu lực lớn, đồng thời có độ “dư” (redundancy) chịu lực trong trường hợp khi phần bê tông đã bị phá hoại dưới tác động động đất mạnh. 2. Sự làm việc của vật liệu của vật liệu trong kết cấu bê tông cốt cứng. 2.1.Phân tích mặt cắt thớ ( Fiber section analysis) Phân tích mặt cắt thớ là một phương pháp số rất thích hợp để xác định khả năng chịu lực mặt cắt và độ cứng kết cấu, nó tránh được việc phải sử dụng các giả thiết đơn giản hoá trong các mô hình tính toán của ACI 318 (Tiêu chuẩn xây dựng của Viện Bê tông Mỹ - ACI 318 Building code American Concrete Institute) và AISC – LRFD (Tiêu chuẩn thiết kế theo tải trọng và hệ số chịu tải của Viện Thép xây dựng Mỹ - Load and Resistance Factor Design Specifications, American Institute Steel Construction). Phương pháp này chia mặt cắt kết cấu thành nhiều phần nhỏ, tại đó quan hệ giữa những cấu thử dựa trên mô hình ứng suất biến dạng dọc trục và mỗi phần tử đại diện cho một thớ vật liệu dọc theo kết cấu. Nhờ đó có thể gán các tính chất vật liệu (thép cốt cứng, bê tông, cốt thép thường) tương ứng cho từng phần tử mặt cắt một cách chính xác. Tuy vậy, phương pháp này cũng vẫn dựa vào giả thiết mặt cắt phẳng nhằm đảm bảo tính làm việc tương thích giữa các phần bê tông và thép. 2.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của thép và bê tông Mặt cắt kế cấu được chia thành ba phần riêng biệt: 1- Vùng bê tông không bị “bó” (unconfined concrete); 2- Vùng bê tông bị bó một phần (partially confined concrete) và 3 – vùng bê tông bị “bó” (confined concrete) nằm giữa các bản cánh của theóp cốt cứng. Theo đó mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của thép và bê tông được thể hiện trên các hình vẽ (Mander et al.1988, El –Tawil & Deierlein 1996, Richard & Abbott 1975) 2.3 Cường độ chịu nén của bê tông. Trong các công thức tính toán của ACI 318 và AISC – LRFD, cường độ chịu nén của bê tông f’c có sử dụng hệ số triết giảm 0.85 xét đến: 1- sai khác giữa sơ đồ ứng suất tính toán và thực tế; 2- sự khác biệt về kích thước hình học, cốt thép, điều kiện tải trọng...giữa bê tông của mẫu nén trụ và kết cấu bê tông thực tế; 3 – triết giảm cường độ bê tông do sai khác về độ đầm chặt, tỷ lệ nước/xi măng, điều kiện bảo dưỡng tại những phần khác nhau dọc theo kết cấu. Qua nghiên cứu thực nghiệm, nhiều tác giả khác nhau đã đưa ra hệ số triết giảm cường độ trong khoảng từ 0.7 ÷ 1.0. Với bê tông có cường độ 50 ÷ 117 MPa, Cusson and Paultre (1994) kiến nghị hệ số triết giảm trong khoảng 0.7 đối với bê tông có cường độ cao đến 1.0 đối với bê tông có cường độ thấp hơn; Collins et al. (1993): 0.77 ÷ 1.0, kiến nghị trị số 0.85 đối với bê tông có f’c < 41MPa; Yong et al. (1988) kiến nghị hệ số 0.92 áp dụng cho bê tông có cường độ từ trung dến cao (75 ÷ 90Mpa); trong khi Martinez et al. (1984) sử dụng hệ số 0.85 cho bê tông có cường độ thấp đến trung (25 ÷ 70Mpa). Nghiên cứu của Ibrahim và MacGregor (1997) đã cho kết quả ứng suất nén lớn nhất của bê tông giảm đi khi cường độ mẫu nén trụ tăng lên, từ đó kiến nghị trị số lớn nhất là 0.85 và nhỏ nhất là 0.725 ứng với bê tông có cường độ lớn hơn 100MPa. Các kết quả nghiên cứu cũng cho
1