Dầm bê tông cốt thép (BTCT) là cấu kiện được sử dụng nhiều trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Nó làm việc thực tế thông thường ở trạng thái chịu uốn phẳng, tuy vậy, trong một số trường hợp đặc biệt nó vẫn chịu uốn không gian (uốn xiên). Hiện nay đã có nhiều nhà khoa học trên thế giới đưa ra phương pháp tính toán thiết kế cho dầm BTCT chịu uốn với nhiều phương pháp tính đơn giản, nhưng chúng chỉ có thể áp dụng cho các trường hợp dầm chịu uốn phẳng.
Như đã biết, đối với dầm BTCT chịu uốn phẳng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam về tính toán độ bền, độ cứng, trạng thái giới hạn sử dụng, độ võng, sự hình thành và phát triển vết nứt, từ biến, co ngót và các vấn đề liên quan khác [1, 2, 7, 8, 10, 11, 13]. Trên cơ sở đó, nhiều tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như TCVN 5574:2018, Eurocode 2, ACI 318 hay SP 63.13330.2018 đã xây dựng được hệ thống công thức tính toán tương đối hoàn chỉnh đối với các cấu kiện chịu uốn phẳng. Tuy nhiên, đối với trường hợp chịu uốn xiên, các quy định trong tiêu chuẩn còn hạn chế hoặc chủ yếu dựa trên các giả thiết đơn giản hóa và các hệ số hiệu chỉnh có nguồn gốc thực nghiệm, do đó phạm vi áp dụng chưa rộng và độ chính xác chưa thật sự cao.
Trong thực tế xây dựng, nhiều công trình như nhà dân dụng, nhà công nghiệp, công trình văn hóa, đền chùa, nhà thi đấu, nhà xưởng, kết cấu mái không gian... thường xuất hiện các cấu kiện dầm hoặc xà gồ chịu tải trọng lệch tâm hoặc tải trọng phân bố theo nhiều phương, dẫn đến trạng thái chịu uốn xiên. Đối với các cấu kiện này, nếu vẫn áp dụng các công thức tính toán của bài toán uốn phẳng sẽ không phản ánh đầy đủ trạng thái làm việc thực tế, có thể dẫn đến sai số trong đánh giá khả năng chịu lực cũng như mức độ an toàn của kết cấu.
Hiện nay, để giải quyết bài toán tính toán dầm BTCT chịu uốn xiên, nhiều tác giả đã áp dụng lý thuyết đàn hồi kết hợp với các giả thiết về phân bố ứng suất trong tiết diện, tiêu biểu như các nghiên cứu của Bruno Tasca de Linhares và các cộng sự [9, 12]. Ngoài ra, theo quan điểm tính toán đàn dẻo của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như ACI, SP 63.13330 và TCVN 5574:2018, bài toán thường được giải quyết bằng các phương pháp gần đúng, kết hợp với các giả thiết thực nghiệm hoặc quy đổi mô men uốn về các trục chính của tiết diện [4–6]. Mặc dù các phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và thuận tiện trong thiết kế, nhưng độ chính xác còn phụ thuộc nhiều vào giả thiết tính toán, đặc biệt đối với các trường hợp tiết diện chịu ứng suất phi tuyến hoặc có tỷ lệ cốt thép lớn.
Đối với các bài toán có hình dạng tiết diện phức tạp, bố trí cốt thép không đối xứng hoặc chịu tác dụng đồng thời của nhiều thành phần nội lực, phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) được xem là công cụ phân tích hiệu quả nhất. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình FEM đòi hỏi số lượng lớn phần tử, nhiều bậc tự do và hệ phương trình phi tuyến có kích thước lớn, làm tăng đáng kể thời gian tính toán cũng như yêu cầu về năng lực tính toán của máy tính.
Bên cạnh đó, việc lựa chọn mô hình vật liệu, điều kiện biên, tiêu chuẩn hội tụ và các thông số phi tuyến cũng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích. Mặc dù các phần mềm thương mại như SAP2000, ETABS, ABAQUS, ANSYS hay ATENA có thể hỗ trợ giải quyết bài toán này, nhưng người thiết kế thường khó kiểm soát đầy đủ bản chất cơ học của quá trình tính toán cũng như khó đánh giá mức độ tin cậy của kết quả nếu không có kinh nghiệm chuyên sâu.
Trong những năm gần đây, mô hình vật liệu phi tuyến dựa trên quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông và cốt thép đã được chứng minh là có khả năng mô phỏng sát hơn quá trình làm việc thực tế của cấu kiện BTCT, đặc biệt trong giai đoạn sau nứt và gần phá hoại. Việc áp dụng mô hình phi tuyến cho bài toán uốn xiên cho phép xác định trực tiếp vị trí trục trung hòa, phân bố ứng suất trong bê tông và cốt thép, đồng thời đánh giá đầy đủ sự tương tác giữa các thành phần mô men uốn theo hai phương. Đây là hướng tiếp cận có cơ sở cơ học rõ ràng và phù hợp với xu hướng phát triển của các phương pháp tính toán kết cấu hiện đại.
Bài báo này trình bày phương pháp tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng của dầm BTCT chịu uốn xiên trên cơ sở mô hình vật liệu phi tuyến, kết hợp áp dụng các quy định của tiêu chuẩn Nga SP 63.13330.2018 [16] và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018 [5]. Đối tượng nghiên cứu là dầm BTCT có tiết diện hình chữ nhật chịu uốn xiên, trong đó sự phân bố ứng suất trong bê tông và cốt thép được xác định theo quan hệ phi tuyến thay vì các giả thiết đàn hồi truyền thống. Thuật toán tính toán được xây dựng theo phương pháp lặp để đồng thời thỏa mãn các điều kiện cân bằng nội lực và tương thích biến dạng của tiết diện.
Các tác giả đã kết hợp cơ sở lý thuyết với việc xây dựng chương trình tính toán trên phần mềm Mathcad nhằm tự động hóa quá trình xác định trạng thái ứng suất – biến dạng và sức kháng uốn của tiết diện. So với phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp đề xuất có ưu điểm là thuật toán đơn giản, thời gian tính toán ngắn, dễ kiểm soát từng bước tính toán và thuận lợi cho việc ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật.
Đồng thời, phương pháp vẫn đảm bảo phản ánh được bản chất phi tuyến của vật liệu và có khả năng mở rộng để nghiên cứu các dạng tiết diện cũng như các điều kiện chịu lực phức tạp hơn trong tương lai. Cách tiếp cận tương tự cũng đã được một số tác giả áp dụng thành công trong nghiên cứu các cấu kiện sử dụng bê tông cốt sợi thép và cho kết quả phù hợp với thực nghiệm [14].
Xem chi tiết Bài nghiên cứu TẠI ĐÂY:
Buildata
