Xy dùng Ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ DÇm Bª t«ng cèt thÐp Dù øng lùc theo 22tcn 272 01 b»ng phÇn mÒm Mathcad

• 
  Sinh viªn thùc hiÖn: - §ç Ngäc Quúnh; Chu ViÖt QuÕ;
  

• 
  Gi¶ng viªn h­íng dÉn: Th.s §µo Duy L©m
  

§èi víi c¸c c«ng ty t­ vÊn thiÕt kÕ CÇu §­êng viÖc lËp th­ viÖn c¸c b¶n vÏ mÉu, c¸c b¶n tÝnh mÉu nh­ c¸c b¶n tÝnh dÇm I, dÇm T, super – T, mè trô… víi c¸c th«ng sè ®Çu vµo cã thÓ thay ®æi ®Ó linh ho¹t ¸p dông cho nhiÒu c«ng tr×nh lµ nhu cÇu cÊp b¸ch nh»m môc ®Ých c«ng nghiÖp ho¸, tù ®éng ho¸ qu¸ tr×nh thiÕt kÕ, gi¶m bít thêi gian vµ khèi l­îng thiÕt kÕ. Cho ®Õn nay sè l­îng b¶n tÝnh ®­îc lËp ®· t­¬ng ®èi nhiÒu tuy nhiªn chóng cã ®Æc ®iÓm chung lµ cßn ch­a ®­îc chuÈn ho¸, thiÕu tÝnh ®ång bé, thèng nhÊt h¬n n÷a phÇn lín ®­îc x©y dùng trªn c¬ së quy tr×nh cò 22 TCN 18 – 79.

Tiªu chuÈn 22 TCN 272 – 01 biªn so¹n dùa trªn c¬ së tiªu chuÈn AASHTO LRFD – 1998 cña Hoa Kú xuÊt ph¸t tõ yªu cÇu thèng nhÊt ho¸ hÖ thèng tiªu chuÈn, qui tr×nh cña ngµnh Giao th«ng VËn t¶i vµ ®¸p øng nhu cÇu phï hîp quèc tÕ, ®­îc ban hµnh tõ n¨m 2001 vµ chÝnh thøc ¸p dông trªn toµn quèc tõ n¨m 2005 tuy nhiªn do néi dung cã rÊt nhiÒu ®iÓm míi nªn sè l­îng kü s­ cã thÓ n¾m v÷ng ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ theo tiªu chuÈn nµy lµ ch­a nhiÒu, ®Æc biÖt lµ sè l­îng b¶n tÝnh x©y dùng trªn c¬ së tiªu chuÈn míi nµy cßn rÊt Ýt. ViÖc nghiªn cøu n¾m b¾t tiªu chuÈn míi 22TCN 272 – 01 vµ lËp hÖ thèng c¸c b¶n tÝnh theo tiªu chuÈn nµy lµ yªu cÇu cÊp thiÕt ®èi víi c¸c kü s­ thiÕt kÕ còng nh­ c¸c sinh viªn chuyªn ngµnh CÇu §­êng.

VÒ ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n, phÇn lín c¸c b¶n tÝnh tr­íc ®©y ®­îc x©y dùng trªn nÒn ch­¬ng tr×nh Excel. Tuy nhiªn gÇn ®©y t¹i nhiÒu n­íc trªn thÕ giíi nh­ Hoa Kú, NhËt, Anh... c¸c kü s­ ®· chuyÓn sang sö dông réng r·i ch­¬ng tr×nh Math Cad ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ c¸c bµi to¸n kü thuËt. Víi nhiÒu c«ng cô m¹nh, ch­¬ng tr×nh nµy thÓ hiÖn ­u ®iÓm v­ît tréi so víi c¸c ch­¬ng tr×nh th«ng dông kh¸c ë kh¶ n¨ng tÝnh to¸n tr×nh bµy, nã hç trî tèi ®a cho viÖc sö dông m¸y tÝnh lµm c«ng cô thiÕt kÕ, xuÊt ra c¸c v¨n b¶n mµ ng­êi ®äc hiÓu ®­îc c¸c b¶n tÝnh còng nh­ c¸c c«ng thøc tÝnh mét c¸ch t­êng minh nhÊt.

XuÊt ph¸t tõ yªu cÇu thùc tÕ kÓ trªn, §Ò tµi ®­îc thùc hiÖn víi môc ®Ých nghiªn cøu vÒ lý thuyÕt tÝnh to¸n cÇu bª t«ng cèt thÐp (BTCT) dù øng lùc (D¦L) nhÞp gi¶n ®¬n theo 22TCN 272 – 01 tõ ®ã hoµn thiÖn c¸c s¬ ®å tÝnh to¸n ®ång thêi t×m hiÓu, sö dông phÇn mÒm MathCAD ®Ó lËp mét b¶n tÝnh mÉu dÇm I liªn hîp BTCT D¦L.
I.øng dông MathCAD tÝnh to¸n thiÕt kÕ cÇu

MathCAD lµ mét lo¹i ch­­¬ng tr×nh xö lý to¸n häc ®­­­îc ¸p dông rÊt réng r·i trªn thÕ giíi hiÖn nay. Víi MathCAD b¹n cã thÓ kh¸m ph¸ c¸c vÊn ®Ò vÒ ®Þnh h×nh ý t­­­ëng, ph©n tÝch d÷ liÖu, h×nh dung c¸c nÐt c¬ b¶n cña mét bµi kiÓm duyÖt vµ lùa chän ph­­­¬ng ¸n tèi ­­u vµ sau ®ã th× chøng minh, tr×nh bµy g¾n liÒn víi kÕt qu¶.

MathCAD cã thÓ thay thÕ b¶ng tÝnh Excel trong viÖc diÔn ®¹t c¸c b¶n tÝnh to¸n thiÕt kÕ ®èi t­îng c¬ khÝ hay x©y dùng cÇu ®­êng. Cho ®Õn nay ë ViÖt Nam ®· cã nhiÒu kü s­ sö dông c¸c b¶ng tÝnh Excel mét c¸ch thµnh th¹o vµ h÷u Ých trong c¸c tÝnh to¸n thiÕt kÕ cña m×nh, vÝ dô ®iÓn h×nh lµ c¸c b¶ng tÝnh thiÕt kÕ cÇu ®­êng, kÕt cÊu c¬ khÝ, kÕt cÊu nhµ … Tuy nhiªn phÇn diÔn d¶i c«ng thøc ph¶i nhê ®Õn c«ng cô Equation cña Microsoft Word ®Ó ®¸nh mét v¨n b¶n råi sau ®ã chÌn vµo b¶ng tÝnh Excel. ViÖc kiÓm tra tÝnh ®óng ®¾n trong b¶ng tÝnh Excel còng kh¸ phøc t¹p v× ph¶i dïng c¸c ký hiÖu vµ tªn gäi kh«ng quen thuéc, kh«ng gièng nh­ ë c¸c tµi liÖu kü thuËt th«ng th­êng.

Do MathCAD thùc sù sö dông c¸c ký hiÖu to¸n häc ®Ó biÓu diÔn c¸c c«ng thøc vµ kÕt qu¶ tÝnh to¸n nªn ng­êi kü s­ lu«n kiÓm so¸t ®­îc b¶ng tÝnh cña m×nh. H¬n n÷a ®Æc tÝnh râ rµng, t­êng minh cña c¸c c«ng thøc ®­îc ¸p dông, sÏ rÊt thuËn lîi cho c«ng t¸c thÈm ®Þnh kiÓm tra b¶ng tÝnh. MÆt kh¸c phÇn ®å ho¹ thÓ hiÖn râ rµng ®a d¹ng h¬n. §Æc biÖt nh÷ng tÝnh to¸n phøc t¹p nh­ gi¶i ph­¬ng tr×nh vi ph©n, gi¶i c¸c phÐp to¸n ma trËn, gi¶i c¸c bµi to¸n sè phøc, c¸c bµi to¸n tèi ­u ho¸…. ®Òu trë nªn t­êng tËn nhanh chãng dÔ kiÓm tra l¹i qu¸ tr×nh tÝnh to¸n còng nh­ kÕt qu¶.

MathCAD ®ang thay thÕ cho viÖc sö dông phæ biÕn viÕt b»ng tay vµ tÝnh tay vµ nã ®ang thay thÕ mét sè c¸ch sö dông Word trong viÖc chuÈn bÞ b¸o c¸o. MathCAD lµ tæ hîp v¨n b¶n giao diÖn cña b¶ng tÝnh Excel víi nh÷ng c¸i mµ ta muèn nh×n thÊy ë Word. Nã gióp cho c¸c kü s­ kh¶ n¨ng thÊy ®­îc kiÓu c«ng thøc trªn mµn h×nh chÝnh x¸c gièng hÖt nh­ trªn mét v¨n b¶n. KiÓu c«ng thøc MathCAD cã thÓ sö dông nh­ lµ phÐp to¸n trªn giÊy.

Ngoµi kÕt qu¶ tÝnh to¸n thu ®­îc th× MathCAD cßn cã thÓ cho phÐp biÓu diÔn c¸c kÕt qu¶ nµy trªn h×nh vÏ, biÓu ®å, ®å thÞ mét c¸ch chÝnh x¸c. NÕu nh­ tÝnh to¸n thiÕt kÕ thay ®æi sè liÖu th× kÕt qu¶ còng nh­ biÓu ®å, h×nh vÏ tù ®éng thay ®æi theo t­¬ng øng.

Trong MathCAD b¹n cã thÓ lËp c¸c ch­­¬ng tr×nh ®Ó tÝnh to¸n. Kh¸c víi c¸c ch­­¬ng tr×nh lËp b»ng c¸c ng«n ng÷ kh¸c, trong khi lËp tr×nh b¹n Ýt khi dïng tíi c¸c tõ ch×a kho¸ vµ cã thÓ dïng c¸c c«ng thøc to¸n häc th«ng th­­êng. Ngoµi ra b¹n kh«ng ph¶i m· ho¸ c¸c file exe ®Ó ch¹y, mµ nh÷ng ®o¹n ch­¬ng tr×nh b¹n viÕt trªn v¨n b¶n MathCAD lËp tøc cho ra c¸c kÕt qu¶ t­¬ng øng trªn ®ã vµ b¹n hoµn toµn cã thÓ kiÓm so¸t ®­­îc néi dung cña chóng.

• 
  TriÕt lý thiÕt kÕ cña Tiªu chuÈn nµy ®­îc cô thÓ ho¸ b»ng hai kh¸i niÖm:
  

• 
  Tr¹ng th¸i giíi h¹n vÒ c­êng ®é I, II, III
  
• 
  Tr¹ng th¸i giíi h¹n ®Æc biÖt
  
• 
  Tr¹ng th¸i giíi h¹n sö dông
  
• 
  Tr¹ng th¸i giíi h¹n mái
  

Nguyªn lý chung ®Ó tÝnh to¸n kÕt cÊu cÇu lµ: søc kh¸ng cña cÇu tuú theo vËt liÖu vµ cÊu t¹o ph¶i lín h¬n hiÖu øng cña t¶i träng t¸c dông lªn cÇu, ®ã lµ:

Cô thÓ ho¸, ®èi víi mäi tr¹ng th¸i giíi h¹n ph¶i tho¶ m·n bÊt ph­¬ng tr×nh sau:

víi ý nghÜa tæng c¸c t¸c ®éng cã thÓ x¶y ra trong t×nh huèng cô thÓ ®Òu ph¶i nhá h¬n søc kh¸ng cña kÕt cÊu ®­îc thiÕt kÕ. §©y chÝnh lµ yÕu tè c¬ b¶n cña ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ cÇu theo hÖ sè t¶i träng vµ hÖ sè søc kh¸ng (Load and Resistance Factor Design).

Sau khi nghiªn cøu lý thuyÕt tÝnh to¸n cÇu BTCT D¦L. Chóng t«i ®· hÖ thèng ho¸ qu¸ tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ mét cÇu BTCT D¦L nhÞp gi¶n ®¬n theo 8 s¬ ®å sau:

• 
  S¬ ®å c¸c b­íc thiÕt kÕ chÝnh
  

• 
  S¬ ®å tæng quan thiÕt kÕ kÕt cÊu nhÞp
  

Ch­¬ng tr×nh ®­îc lËp ®Ó tÝnh to¸n kÕt cÊu nhÞp dÇm I BTCT D¦L kÐo tr­íc theo c¸c hÖ thèng s¬ ®å tÝnh to¸n nh­ ®· tr×nh bµy ë phÇn trªn.

Quy ­íc sö dông:

+ NhËp sè liÖu vµo c¸c « mµu vµng

+ Di chuyÓn ®Õn phÇn tÝnh duyÖt nÕu tÊt c¶ c¸c môc ®Òu hiÖn "Dat" lµ thiÕt kÕ tháa m·n. NÕu hiÖn "Khong dat" th× cÇn thay ®æi sè liÖu ®Çu vµo(kÝch th­íc dÇm, ®Æc tr­ng vËt liÖu...). Tuy nhiªn nÕu c¸c gi¸ trÞ néi lùc, øng suÊt qu¸ nhá so víi c¸c gi¸ trÞ giíi h¹n th× cÇn thay ®æi sè liÖu thiÕt kÕ ®· nhËp ®Ó cã mét thiÕt kÕ tèi ­u.

NhËp sè liÖu thiÕt kÕ

§Ò tµi ®· x©y dùng ®­­îc hÖ thèng s¬ ®å tÝnh vµ b¶n tÝnh kh¸ ®Çy ®ñ, hoµn chØnh. Tuy nhiªn do thùc hiÖn bëi nh÷ng sinh viªn b­­íc ®Çu tham gia nghiªn cøu khoa häc l¹i trong mét thêi gian h¹n chÕ nªn ch­­¬ng tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ nµy kh«ng tr¸nh khái mét vµi thiÕu sãt, trong thêi gian tíi nhãm NCKH sÏ cè g¾ng hoµn thiÖn h¬n n÷a mét sè h¹ng môc cña ch­­¬ng tr×nh thiÕt kÕ nh­ tÝnh duyÖt c¾t xo¾n kÕt hîp, tÝnh co ngãt tõ biÕn... Ngoµi ra nhãm còng tiÕp tôc x©y dùng c¸c ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n cho mét sè d¹ng dÇm kh¸c nh­ dÇm T, Super T, dÇm hép, dÇm b¶n nhÞp gi¶n ®¬n ... ®Ó gãp phÇn h×nh thµnh bé ch­¬ng tr×nh thiÕt kÕ mÉu theo 22TCN 272-01 trªn nÒn phÇn mÒm MathCAD.

1. Tiªu chuÈn thiÕt kÕ cÇu 22TCN 272-01. Bé Giao th«ng vËn t¶i.

2. Søc bÒn vËt liÖu - Vò §×nh Lai - NXB Giao th«ng vËn t¶i

3. C¬ häc kÕt cÊu - Lª V¨n Quý - NXB Giao th«ng vËn t¶i

4. CÇu Bª t«ng cèt thÐp nhÞp gi¶n ®¬n. PGS.TS. NguyÔn ViÕt Trung, TS. Hoµng Hµ. NXB Giao th«ng vËn t¶i, 2003.

5. C¸c vÝ dô tÝnh to¸n CÇu Bª t«ng cèt thÐp nhÞp gi¶n ®¬n theo Tiªu chuÈn míi 22TCN 272-01. PGS.TS. NguyÔn ViÕt Trung, TS. Hoµng Hµ, Ths. §µo Duy L©m. NXB X©y Dùng, 2004.

6. ThiÕt kÕ kÕt cÊu bª t«ng cèt thÐp hiÖn ®¹i theo Tiªu chuÈn ACI. PGS.TS NguyÔn ViÕt Trung. NXB Giao th«ng vËn t¶i, 2000.

7. Load and Resistance Factor Design. American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO, Washington, D.C., 1998.