XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÊ TÔNG CỐT THÉP 2008 (BTCT2008)
PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC THIẾT KẾ THEO TCXDVN 356-2005

SVTH: Đặng Ngọc Cảnh
Nguyễn Thị Thiện
Nguyễn Quốc Hùng
GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Thông

TÓM TẮT: Xây dựng phần mềm kết hợp với phần mềm SAP2000, ETAB để tính kết cấu
bê tông cốt thép (BTCT) theo Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam (TCXDVN). Phần mềm này
thực hiện các chức năng: Đọc các số liệu về kết cấu đã nhập vào SAP2000, ETAB và các
kết quả nội lực, tổ hợp nội lực, thiết kế cốt thép cho các cấu kiện bê tông cốt thép dạng
thanh và dạng tấm theo TCXDVN. Các chức năng nói trên được phần mềm thực hiện một
cách tự động và nhanh chóng. Khi dùng kết hợp phần mềm SAP2000, ETAB với phần
mềm này, chúng ta có thể thiết kế nhiều dạng kết cấu bê tông cốt thép phức tạp theo
TCXDVN hiện hành.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
- Hiện nay, nhu cầu xây dựng các kết cấu công trình có hình dạng và cấu tạo phức tạp
bằng vật liệu BTCT ở nước ta là rất lớn, và người thiết kế kết cấu hiện nay đang phải đối
mặt với nhiều khó khăn trong công tác thiết kế, đặc biệt là do thiếu các phần mềm thiết kế
các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo TCXDVN. Vì vậy, việc xây dựng các phần mềm
thiết kế các dạng kết cấu BTCT phức tạp theo TCXDVN đang trở thành một nhiệm vụ
mang tính thiết thực, nhằm giải quyết phần nào các khó khăn trong công tác thiết kế kết
cấu. Đó chính là ý tưởng xuất phát của chúng tôi khi tiến hành xây dựng phần mềm có tên
“Bê tông cốt thép 2008 (BTCT 2008)” kết hợp với phần mềm SAP2000, ETAB để tính kết
cấu BTCT theo TCXDVN. Thiết kế kết cấu BTCT thường gồm ba công đoạn tính toán
chính, được tiến hành lần lượt theo qui trình thể hiện ở hình 1.
Bắt đầu
Chọn sơ bộ vật liệu, hình dạng, kích thước các bộ phận kết cấu
-Xác định sơ đồ kết cấu
-Tính nội lực, ứng suất và chuyển vị tại của kết cấu

STRAND, SAFE,… Các phần mềm này đều là những phần mềm tính kết cấu chuyên
nghiệp, có khả năng tính được gần như bất cứ dạng kết cấu công trình từ đơn giản đến
phức tạp mà ta có thể gặp trong thực tế. Tuy nhiên, do đó là những phần mềm của nước
ngoài và thường đến tay người sử dụng Việt Nam theo những con đường không chính thức
nên phần tổ hợp kết quả nội lực, phần tính toán lượng cốt thép và kiểm tra hàm lượng cốt
thép của các phần mềm này hoàn toàn không theo các qui định trong TCXDVN.
- Sự cần thiết cần phải có một phần mềm kết hợp với SAP2000, ETAB để thiết kế kết cấu
BTCT theo TCXDVN:
Phần mềm SAP2000, ETAB là một phần mềm chuyên dụng để phân tích và thiết kế các
kết cấu xây dựng của hãng CSI (Mỹ). Đây là một phần mềm cực mạnh, đa năng, có thể
phân tích nội lực và thiết kế cho hầu hết các dạng kết cấu công trình có thể gặp trong thực
tế. Phần mềm này hiện nay được rất nhiều kỹ sư trên khắp thế giới sử dụng để thiết kế các
công trình xây dựng. Do vậy, phần mềm SAP2000, ETAB đã được chọn để giảng dạy
(không chính thức) cho sinh viên tại Khoa Xây dựng Ngành DD&CN, Ngành Cầu
đường, của Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.
Tuy nhiên, hiện tại SAP2000, ETAB chưa có phần tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện
BTCT theo TCXDVN. Vì vậy, để các kỹ sư và sinh viên ngành Xây dựng có thể sử dụng
SAP2000, ETAB thiết kế các kết cấu xây dựng tại Việt Nam, chúng ta cần phải xây dựng
thêm một phần mềm liên kết với SAP2000, ETAB (được đặt tên là BTCT 2008), nhằm sử
dụng các số liệu về kết cấu đã nhập cho SAP2000, ETAB và kết quả nội lực do SAP2000,
ETAB tính được để tiếp tục thực hiện công đoạn tổ hợp nội lực và thiết kế cấu kiện BTCT
theo TCXDVN một cách tự động.
II. CƠ SỞ KHOA HỌC-PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Cơ sở lý thuyết:
- Xem vật liệu bê tông là vật liệu đàn hồi dẻo, lấy giai đoạn III
a
làm cơ sở tính toán(giai
đoạn III
a
là giai đoạn ứng suất trong vùng nén đạt đến giới hạn cường độ chịu nén R

b chiều rộng tiết diện chữ nhật
e tương ứng là khoảng cách từ điểm đặt lực dọc
N
đến hợp lực trong cốt thép
chịu kéo A
s

h chiều cao của tiết diện chữ nhật
h
0
chiều cao làm việc của tiết diện
x chiều cao vùng bê tông chịu nén
ξ chiều cao tương đối của vùng bê tông chịu nén, bằng x/h
0



đặc trưng vùng bê tông chịu nén, được xác định theo công thức (26) hoặc
(56) TCXDVN 356-2005
Ngoại lực và nội lực
M Momen uốn
N Lực dọc
Các đặc trưng vật liệu
R
b
cường độ chịu nén tính toán dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái giới
hạn thứ nhất (TTGHI)
R
bt
cường độ chịu kéo tính toán dọc trục của bê tông ứng với các TTGHI.


A
b

R
sc

A'
sR
b

A
bR
s

A
sh

b

h

- Khi tính toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm cần kể đến độ lệch tâm ngẫu
nhiên ban đầu, cũng như ảnh hưởng của độ cong đến khả năng chịu lực của cấu kiện.
- Việc tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm tiết diện chữ nhật cần được thực hiện :
+ khi = x/h
o
 
R
theo điều kiện:





'
b 0 sc s 0
Ne R bx h 0,5x R A h a'
   
(3)
Trong đó, chiều cao vùng chịu nén được xác định theo công thức:

'
s s sc s b
N R A R A R bx
  
(4)

A
s

a

a'

A
'
sx

N

e
'

e

R
b
Hình 3: Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc với trục dọc
cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm khi tính theo độ bền
+ khi = x/h
o
> 
R

M R S S
  

(7)

Hình 4: Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện
bê tông cốt thép trong trường hợp nén lệch tâm xiên tính toán tiết diện theo độ bền
I-I – là mặt phẳng song song với mặt phẳng tác dụng của mô men uốn, hoặc mặt phẳng đi
qua điểm đặt của lực dọc và hợp của các nội lực kéo, nén; A – điểm đặt hợp lực trong cốt
thép chịu nén và trong bê tông vùng chịu nén; B – điểm đặt của hợp lực trong cốt thép chịu
kéo; C – điểm đặt ngoại lực

Trong công thức (7):

M: là mô men do lực dọc N đối với trục song song với đường thẳng giới hạn vùng
chịu nén và đi qua:
+ trọng tâm tiết diện các thanh cốt thép dọc chịu kéo nhiều nhất hoặc chịu nén ít nhất
khi cấu kiện chịu nén lệch tâm
+ điểm thuộc vùng chịu nén, nằm cách xa đường thẳng giới hạn vùng chịu nén hơn cả
khi cấu kiện chịu kéo lệch tâm

S
b
: mô men tĩnh của diện tích tiết diện vùng bê tông chịu nén đối với các trục tương
ứng trong các trục nêu trên.

S
si
: mô men tĩnh của diện tích thanh cốt thép dọc thứ i đối với trục tương ứng trong
các trục nói trên

(9)
Ngoài ra, để xác định vị trí biên vùng chịu nén khi nén lệch tâm xiên phải tuân thủ
thêm điều kiện: các điểm đặt của ngoại lực tác dụng dọc trục, của hợp lực nén trong bê
tông và cốt thép chịu nén, và của hợp lực trong cốt thép chịu kéo phải nằm trên một đường
thẳng. (Hình 4).
Ứng suất 
si
kèm theo dấu được tính toán theo công thức (9), khi đưa vào tính toán cần
tuân theo các điều kiện sau: R
si
 
si
 R
sci



i
: chiều cao tương đối vùng chịu nén của bê tông, = x/h
oi
, trong đó h
oi
là khoảng
cách từ trục đi qua trọng tâm tiết diện thanh cốt thứ i và song song với đường thẳng giới
hạn vùng chịu nén đến điểm xa nhất của vùng chịu nén (Hình 4)

chỉ số i là số thứ tự của thanh cốt thép đang xét
2.4. Vách cứng
Việc tính toán cốt thép và kiểm tra khả năng chịu lực cho vách cứng chưa được đề
cập cụ thể trong TCXDVN, phần mềm BTCT 2008 thực hiện việc tính toán cốt thép

Hình 5: Qui trình tính cốt thép vách cứng
u top u top
left top
left right
u top u top
right top
left right
P M
P (10)
2 L 0.5B 0.5B
P M
P (11)
2 L 0.5B 0.5B
 

 

 
 
 
 Hình 6: Phân phối nội lực trong vách

Hình 7: Chọn phần tử biên
b) Vẽ biểu đồ tương tác:
- Khái niệm biểu đồ tương tác:
Phương pháp này dựa trên một số giả thiết về sự làm việc của bê tông và cốt thép
để thiết lập trạng thái chịu lực giới hạn (N

max
= L
p

Hình 8: Qui trình vẽ biểu đồ tương tác vách cứng
III. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH BTCT-2008
1. Ý tưởng và cách thức hoạt động của chương trình
Sau khi đã nghiên cứu, phân tích tình hình một cách cẩn thận, chúng tôi đã xây dựng
được một phần mềm có tên “Bê tông cốt thép 2008 (BTCT 2008)” kết hợp với phần
mềm SAP2000, ETAB để tính kết cấu BTCT theo TCXDVN, các phần mềm này kết
hợp hoạt động theo sơ đồ bên dưới:
Bắt đầu
Chọn sơ bộ vật liêu, hình dạng, kết thước các bộ phận kết cấu.
-Khởi động Sap2000 (Etab)
-Nhập sơ đồ kết cấu và kết cấu và khai báo tải trọng (Loadcase)
-Khai báo tổ hợp nội lực (Combo)
-Tiến hành phân tích kết cấu (Analysis) để xác định nội lực, ứng suất,
chuyển vị của kết cấu.
-Xuất các số liệu đầu vào và tổ hợp nội lực ra file
-Đóng Sap2000, Etab
-Khởi động BTCT 2008
-Khai báo các file số liệu và file tổ hợp nội lực.
-Khai báo các thông số tính toán theo quy ước của BTCT 2008.
-Tiến hành xác định các tổ hợp nội lực bất lợi theo TCVN.
-Tính toán cốt thép trong các cấu kiện dạng thanh theo TCXDVN 356-2005
Kiểm tra hàm lượng cốt thép, tính
hợp lý của phương án,
-Tiến hành bố trí cốt thép và kiểm tra khả năng chịu lực
-Xuất kết quả phục vụ cho công tác khai triển bản vẽ
-Đóng BTCT 2008

- Chương trình BTCT-2008 được viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Có khả xử lí
nhanh chóng những dữ liệu có dung lượng rất lớn (đặc biệt phù hợp với các kết cấu bê
tông cốt thép). Khả năng đồ hoạ mạnh mẽ của ngôn ngữ lập trình MATLAB được sử dụng
triệt để trong chương trình BTCT-2008.
- Chương trình được chạy độc lập, không cần MATLAB đi kèm.
- Có khả năng tính toán các kết cấu BTCT theo TCXDVN như đã nêu một cách chính
xác, đủ tin cậy, ổn định, nhanh chóng.
- Các kết quả chương trình BTCT-2008 xuất ra rất phong phú và chi tiết.
+ Các bảng tổ hợp nội lực.
+ Bảng tính cốt thép.
+ Chi tiết kết quả tính cốt thép, bố trí cốt thép.
+ Các biểu đồ minh hoạ,…
- Những nét đặc biệt của chương trình BTCT-2008:
+ Ngoài khả năng nhận dạng các tổ hợp nội lực được tổ hợp theo nguyên tắc “ADD” (tổ
hợp theo nguyên tắc cộng), chương trình còn có thể nhận dạng các tổ hợp nội lực được tổ
hợp theo nguyên tắc “SRSS”(tổ hợp theo nguyên tắc tổng bình phương, thường xuất hiện
khi tổ hợp tải thành phần động trọng gió và tải trọng động đất).
+ Chương trình cho phép bố trí cốt thép rất linh động (về số thanh, đường kính, số lớp)
trong cột, dầm, vách cứng nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cho công trình thiết kế. Tự động
vẽ mặt cắt bố trí thép đối với cột nén lệch tâm xiên.
+ Khi kiểm tra khả năng chiụ lực của phần tử cột nén lệch tâm phẳng, chương trình có khả
năng vẽ “Biểu đồ tương tác” ứng với mọi trường hợp bố trí cốt thép - minh hoạ một cách
trực quan về khả năng chịu lực của phẩn tử đó.
+ BTCT-2008 là phần mềm duy nhất hiện nay có khả năng xác định chính xác vị trí trục
trung hoà của cột nén lệch tâm xiên theo TCXDVN 356-2005. Từ đó, việc kiểm tra khả
năng chịu lực cột nén lệch tâm xiên là đạt độ chính xác 100%.
+ Việc bố trí cốt thép trong vách cứng theo nguyên tắc tập trung nhiều ở vùng biên được
thực hiện rất nhanh chóng và linh động. Chương trình sẽ vẽ biểu đồ tương tác ứng với từng
kiểu bố trí thép để kiểm tra khả năng chịu lực của vách.
5. Các chức năng chính

Về cơ bản, chương trình BTCT 2008 đã giải quyết tốt nhiệm vụ đề ra một cách chính
xác, nhanh chóng và thuận lợi. Với sự kết hợp của hai bộ phần mềm SAP2000, Etab và
BTCT 2008, chúng tôi hy vọng có thể tính toán thiết kế được hầu hết các dạng kết cấu
công trình có thể gặp trong thực tế xây dựng theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT hiện
hành của Việt Nam (TCXDVN 356-2005). Đây chính là giá trị thực tiễn cho thấy tính cấp
thiết của vấn đề này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. GS. Nguyễn Đình Cống. Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép. NXB Xây Dựng 2006.
2. PGS, TS. Phan Quang Minh, GS, TS. Ngô Thế Phong. GS, TS. Nguyễn Đình Cống. Kết
cấu bê tông cốt thép. NXB Khoa học và Kỹ thuật 2006.
3. TS. Nguyễn Trung Hoà. Kết cấu bê tông cốt thép theo quy phạm Hoa Kỳ.NXB Xây
Dựng 2003.
4. PGS, TS. Trần Mạnh Tuân. Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-
2002. NXB Xây Dựng 2005.
5. Lê Hoà Bình. Tính toán cốt thép cho vách cứng nhà cao tầng. Luận văn cao học, Đại
học Bách Khoa Tp.HCM 2001
6. ACI 318-2002 & PCA Notes on ACI 318-2002
7. TCXDVN 356-2005 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.NXB Xây
Dựng 2005
8. MATLAB® 7Programming Fundamentals. Matlab Central.
9. MATLAB® 7Programming Tips. Matlab Central.
10. MATLAB® 7Graphics. Matlab Central.