Tính toán kết cấu bêt tông cốt thép có sử dụng lưới thép không gian 3 chiều (3D)Bằng
phương pháp phần tử hữu hạn (TS. Nguyễn Thành Công, Ths. Nguyễn Chí Thanh)
Tóm tắt:
Kết cấu bê tông cốt thép có sử dụng lưới thép không
(3D) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng. Kết cấu
bê tông cốt thép 3D có nhiều ưu điểm là khả năng chịu lực tốt, độ cứng
cao, chuyển vị và biến dạng rất lớn trước khi bị phá hoại, và có trọng
lượng nhẹ hơn các kết cấu BTCT truyền thống. Tuy nhiên, một khó
khăn trong quá trình ứng dụng nó là tính chất chịu lực rất phức tạp. Ở
nước ta hiện nay chưa có tiêu chuẩn, quy phạm dành cho thiết kế và
thi công công trình có sử dụng vật liệu này. Lý thuyết tính toán cũng
như sự nghiên cứu đầy đủ về kết cấu lưới thép không gian 3D được làm rõ sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi
trong thực tiễn. Phương pháp giải tích tỏ ra kém hiệu quả và chứa đựng nhiều sai số khi tính toán kết cấu BTCT3D.
Bài viết này trình bày về kết quả nghiên cứu kết cấu tấm BTCT 3D thông qua mô hình số và mô hình vật lý; xác
định phương pháp tính toán kết cấu tấm BTCT 3D phản ánh được thực tế làm việc của kết cấu.
1. Mở đầu:
Kết cấu tấm bê tông lưới thép không gian (3D) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng. Kết
tấm cấu bê tông lưới thép 3D có nhiều ưu điểm; Với ưu điểm nổi trội là khả năng chịu lực tốt, độ cứng cao, chuyển
vị và biến dạng rất lớn trước khi bị phá hoại. Việc bố trí cốt thép không gian 3D trong kết cấu bê tông nhằm mục
đính phân tán các điểm chịu ứng suất tập trung trên bê tông, làm tăng khả năng chịu lực của cấu kiện.
Loại kết cấu này nhẹ hơn so với tấm kết cấu bê tông cốt thép đặc cùng khả năng chịu lực. Kết cấu có thể
được sản xuất theo hướng công nghiệp hóa hàng loạt trong xưởng dưới sự hỗ trợ của hệ thống thiết bị tự động nên
chất lượng được kiểm soát chặt chẽ và có thể giảm đáng kể thời gian thi công.
Tuy nhiên, về lý thuyết tính toán thiết kế cho loại kết cấu này chưa thực sự phát triển tương xứng với khả
năng ứng dụng của nó. Việc thiết kế chủ yếu dựa vào các kết quả thí nghiệm mẫu trực tiếp. Một số phương pháp
giải tích như qui đổi kết cấu về dạng dầm hay tấm đặc tương đương cũng đã được phát triển, tuy nhiên chứa đựng
nhiều sai số tính toán, do việc xác định các đặc trưng về độ cứng tương đương chưa được chính xác [3].
Có thể thấy rằng sự không có mặt ở lớp bê tông giữa làm cho kết cấu nhẹ hơn, nhưng đồng thời khả năng
chịu cắt của kết cấu cũng bị giảm đi rất nhiều. Chính vì vậy, các thanh thép chéo có mục đích chính là chịu cắt và
ràng buộc độ cứng giữa 2 lớp bê tông cốt thép. Chúng làm cho cả hệ thống làm việc đồng thời, đặc biệt là khi kết
cấu tấm chịu uốn. Khi so sánh với một tấm đặc chịu uốn, ta thấy có thể sử dụng lý thuyết tấm uốn như bình

vữa bê tông mác 200-300, đá 1x2, hoặc bê tông cốt liệu nhỏ, ; có thể chia thành 2 loại: Bê tông phun và bê tông
thông thường.
2.2. Sợi thép
Sử dụng thép CT3 kéo nguội, cường độ chịu kéo R > 4000 Kg/cm
2
, đường kính từ (2,0¸4,0)mm, mật độ ô
lưới là (52´50)mm hoặc (100´100)mm; sợi thép được mạ kẽm để tăng khả năng chống rỉ sét
2.3. Lớp mốp (mushy polysteren)
Có đặc tính cách điện, cách nhiệt tốt, nhẹ, nhưng đủ cứng để đóng vai trò ván khuôn khi thực hiện đổ lớp bê
tông.
Các tấm này được mang đến công trường, lắp ghép và liên kết lại với nhau theo hình dáng kiến trúc công
trình thiết kế; sau đó tiến hành phun hoặc trát bê tông để trở thành một hệ toàn khối.
3. Phương pháp mô hình hình hóa và phân tích kết cấu tấm BTCT 3D
Phương pháp mô hình hóa và phân tích kết cấu được chọn dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Khi
nghiên cứu ứng xử của các mẫu kết cấu tấm 3D, các mô hình sau được phát triển đồng thời: Một là mô hình phần
tử khối cho phần vật liệu bê tông và phần tử thanh cho các thanh thép làm việc đồng thời. Hai là mô hình phần tử
vỏ cho phần bản bê tông, phần tử thanh cho các thanh thép và sườn bê tông làm việc đồng thời với nhau. Hai mô
hình tính toán này cho kết quả khá sát với sự làm việc thực tế của kết cấu, sai số tương đối giữa chúng là không
nhiều. Mô hình tính thứ hai, dùng phần tử vỏ mô hình hóa bản bê tông sử dụng hợp lý hơn dùng mô hình phần tử
khối vì khối lượng tính toán của phần tử vỏ nhỏ hơn khối lượng tính toán của phần tử khối nhiều, và quan trọng
hơn là kết quả của mô hình này cho ta là nội lực đơn vị (mô men uốn, lực màng, lực cắt), còn mô hình phần tử
khối thì chỉ cho kết quả là ứng suất. Khi kiểm toán về mặt độ bền của bản bê tông, người ta cần nội lực chứ không
cần ứng suất. Vì vậy, chọn mô hình nghiên cứu ứng xử của các mẫu kết cấu tấm 3D là mô hình phần tử vỏ cho
phần bản bê tông, phần tử thanh cho các thanh thép và sườn bê tông làm việc đồng thời với nhau [1]. Các phần tử
thanh làm việc tiếp xúc với phần tử vỏ; để tương thích về chuyển vị giữa hai loại phần tử này ta dùng phần tử
thanh 2 điểm nút hoặc phần tử bậc cao 3 điểm nút tương ứng với việc khi sử dụng phần tử vỏ 4 hoặc 8 điểm nút.
4. Xây dựng chương trình phát sinh mô hình phần tử hữu hạn tính kết cấu tấm 3D
Như đã nêu ở trên, phương pháp PTHH được [1] lựa chọn để mô hình hóa và tính toán kết cấu tấm 3D; và
mô hình phần tử được lựa chọn là mô hình phần tử vỏ cho phần bản bê tông, phần tử thanh cho các thanh thép và
sườn bê tông làm việc đồng thời với nhau.