Cách quản lý thiết kế móng cọc như thế nào?

Đài cọc là gì?

Đài cọc là một tấm bê tông được sử dụng rộng rãi trong nền móng của các tòa nhà, cầu, công trình biển và các cơ sở hạ tầng nặng khác, nơi điều kiện đất không lý tưởng cho móng nông. Chức năng chính của nó là phân phối tải trọng từ kết cấu bên trên vào các cọc, từ đó truyền tải trọng đến các lớp đất hoặc đá sâu hơn, ổn định hơn.   

Chúng ta có thể phân biệt các loại cọc theo một số tiêu chí  

•    Dựa trên vật liệu (Bê tông, thép, gỗ, ...)   
•    Dựa trên phương pháp thi công (Đóng, khoan nhồi, neo, v.v.)   
•    Dựa trên chức năng (Cọc chống, ma sát, cọc làm việc đồng thời chống và ma sat, v.v.)   
•    Các loại đặc biệt (Cọc micro, cọc ván, ...)   

Thiết kế chính xác của cọc đặc biệt quan trọng để xác minh độ lún, sau đó được tính đến trong thiết kế của kết cấu bên trên. Thiết kế chủ yếu phụ thuộc vào môi trường, tức là đất và độ lún tối đa yêu cầu (được quy định theo loại kết cấu bên trên và thiết kế tổng thể). Đây thường là trách nhiệm của kỹ sư địa kỹ thuật.   

Bây giờ, chúng ta sẽ quay lại một chút về thiết kế đài cọc. Như đã đề cập, đài cọc thường được thiết kế bằng bê tông cốt thép, và đó là nơi kỹ sư kết cấu tham gia vào, vì họ cần thiết kế đài cọc để chống lại các lực từ kết cấu bên trên và xác định cách các lực được phân phối đến từng cọc.   

Thiết kế đài cọc như thế nào?

Nói chung, chúng ta có một số điểm cần xem xét ảnh hưởng đến kết quả tổng thể:   

•    Vật liệu: Thông thường được làm bằng bê tông cốt thép.   
•    Độ dày: Độ dày của móng đài cọc phụ thuộc vào tải trọng mà nó cần chịu và khoảng cách giữa các cọc.   
•    Hình dạng và kích thước: Hình dạng và kích thước được xác định bởi sự sắp xếp của các cọc và tính chất của tải trọng từ kết cấu. Các hình dạng phổ biến bao gồm hình chữ nhật, hình vuông và hình tam giác.   
•    Cốt thép đài cọc: Cốt thép đầy đủ được cung cấp để xử lý các mô men uốn và lực cắt.   
•    Căn chỉnh: Căn chỉnh và định vị chính xác của cọc là rất quan trọng trong quá trình thi công để đảm bảo rằng đài cọc có thể truyền tải trọng một cách hiệu quả.   

Phương pháp thực nghiệm và Phương pháp giằng chống (Strut-and-Tie Method)

Đơn giản nhất là bắt đầu với các hướng dẫn dựa trên mối quan hệ thực nghiệm giữa sự căn chỉnh cọc, độ dày, kích thước và những thứ khác, sau đó tiến hành thiết kế cốt thép bằng Phương pháp giằng chống.   

Phương pháp giằng chống (STM) là một phương pháp thiết kế được sử dụng trong kỹ thuật kết cấu, đặc biệt là cho thiết kế kết cấu bê tông cốt thép. Nó đặc biệt hữu ích để phân tích và thiết kế các vùng của kết cấu bê tông, nơi các giả định truyền thống của lý thuyết dầm không áp dụng, chẳng hạn như các khu vực có phân bố ứng suất phức tạp, như các vùng gián đoạn (vùng D) được tìm thấy xung quanh các lỗ mở, giá đỡ và điểm tác dụng tải trọng. STM đơn giản hóa các mô hình ứng suất phức tạp thành một mô hình bao gồm các phần tử lý tưởng đơn giản: giằng, neo và nút.   

Để áp dụng Phương pháp giằng chống, hãy bắt đầu bằng cách phát triển mô hình giằng chống bằng cách tạo một mô hình giàn lý tưởng xấp xỉ dòng chảy của lực trong vùng D, bao gồm việc xác định vị trí và hướng của giằng, neo và nút. Sau đó, tính toán lực trong mỗi giằng và neo bằng cách phân tích mô hình giằng chống. Tiếp theo, đảm bảo rằng mỗi giằng, neo và nút có khả năng chịu các lực được tính toán bằng cách kiểm tra khả năng của giằng bê tông đối với nén, neo thép gia cường đối với kéo và nút đối với truyền lực.   

Phương pháp giằng chống là một công cụ mạnh mẽ trong kỹ thuật kết cấu, đặc biệt là cho các vùng phức tạp trong kết cấu bê tông. Tuy nhiên, nó có một số nhược điểm:   

•    Yêu cầu độ phức tạp và kỹ năng: Thiết kế bằng STM đòi hỏi trình độ chuyên môn và kinh nghiệm cao. Việc xác định mô hình ST ngay từ đầu có thể phức tạp và khó khăn đối với các kỹ sư.   
•    Tốn thời gian: Việc phát triển một mô hình giằng chống chính xác và thực hiện các tính toán cần thiết có thể tốn thời gian.   
•    Giả định đơn giản hóa: STM dựa trên các đơn giản hóa và lý tưởng hóa phân bố ứng suất thực tế. Những giả định này có thể không phản ánh hoàn hảo hành vi thực tế của kết cấu.   
•    Bản chất lặp đi lặp lại: Quá trình này có thể lặp đi lặp lại, yêu cầu nhiều điều chỉnh đối với mô hình để đạt được thiết kế chấp nhận được. Bản chất lặp đi lặp lại này có thể làm tăng độ phức tạp và thời gian cần thiết.   
•    Tính bảo thủ: Phương pháp này đôi khi có thể dẫn đến các thiết kế quá bảo thủ, dẫn đến việc sử dụng nhiều vật liệu hơn mức cần thiết, điều này có thể làm tăng chi phí.   
•    Không đủ phổ quát: Việc xác định mô hình ST chính xác cho các hình dạng không điển hình có thể khó khăn hoặc thậm chí không thể.   
•    Cần thêm các tính toán và xác minh khác, chẳng hạn như Khả năng chống cắt thủng và kiểm tra chi tiết.   

Phương pháp CSFM

Một lựa chọn thay thế có thể là sử dụng các phương pháp phần tử hữu hạn tiên tiến hơn như CSFM được triển khai trong IDEA StatiCa Detail.   

CSFM là viết tắt của Phương pháp trường ứng suất bê tông (Concrete Stress Field Method). Đây là một phương pháp được sử dụng trong kỹ thuật kết cấu để phân tích và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép. Phương pháp này dựa trên khái niệm trường ứng suất, đại diện cho sự phân bố ứng suất bên trong một phần tử bê tông. Nó tính đến sự tương tác giữa bê tông và cốt thép. Mặc dù đơn giản, phương pháp này cung cấp một mô tả rất thực tế về phản ứng của kết cấu bê tông cả ở Trạng thái giới hạn cường độ (ULS) và Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS). Tất cả các giả định cơ bản được giải thích trong bài viết CSFM explained.   

CSFM 2D đã được xác nhận, không chỉ bằng các xác minh lý thuyết và thực nghiệm, mà còn bằng các kết cấu hiện có và việc sử dụng chúng trong thực tế. Ví dụ: xem một số Nghiên cứu điển hình này.   

Ví dụ 1 - Đài cọc bê tông có neo

Trong ví dụ đầu tiên bên dưới, bạn có thể thấy thiết kế của đài cọc hai cọc bao gồm cả việc neo một cột thép. Thiết kế được thực hiện, bao gồm tất cả các đánh giá ULS và SLS, sử dụng CSFM 2D trong IDEA StatiCa Detail 2D. Trong hình, bạn có thể thấy mô hình cơ bản và kết quả tóm tắt. Quy trình mô hình hóa chi tiết và kết quả phức tạp cũng có thể được tìm thấy trong hội thảo trên web đã được phát trực tiếp.   

Không phải mọi thứ (ví dụ: Làm thế nào để chúng ta tính toán thể tích bê tông cho đài cọc 3 cọc?) đều có thể được đơn giản hóa bằng cách kết hợp các nhiệm vụ 2D - đó là lý do tại sao chúng tôi đang phát triển CSFM 3D. Điều này hiện đang ở giai đoạn BETA và có sẵn công khai để bạn kiểm tra bằng liên kết này. Khi ngày càng có nhiều nghiên cứu xác minh được hoàn thành, chúng ta sẽ tiến gần hơn đến việc phát hành chính thức. Mặc dù chủ yếu kịch bản điển hình nhất sẽ tập trung vào neo và móng, bài viết này cung cấp cho bạn ý tưởng tốt về ứng dụng mở rộng của phương pháp 3D khi nó phát triển theo thời gian.   

Ví dụ 2 - Móng đài cọc bê tông hình tam giác

Trong hình tiếp theo bên dưới, bạn có thể thấy một ví dụ về thiết kế đài cọc hình tam giác với ba cọc, điều này có thể phù hợp với CSFM 3D vì việc đơn giản hóa thành giải pháp 2D sẽ không tương ứng với thực tế.

Với CSFM 3D, chúng ta sẽ không chỉ có thể thiết kế cốt thép chịu kéo và kiểm tra xem bê tông có thể truyền tải trọng nén một cách chính xác hay không, mà chúng ta còn có thể xem tải trọng được phân phối như thế nào đến từng cọc.   

Những ưu điểm lớn nhất của phương pháp CSFM và STM

•    Tự động hóa: Trong IDEA Statica, mô hình phần tử hữu hạn được tạo tự động. Không cần định nghĩa dài dòng về các ràng buộc, và so với STM, không cần phải biết trước hành vi của kết cấu.   
•    Biểu diễn ứng suất chính xác: Cung cấp biểu diễn chính xác hơn về phân bố ứng suất trong các vùng phức tạp, so với các phương pháp đơn giản hơn.   
•    Đủ phổ quát: Có thể được áp dụng cho một loạt các phần tử kết cấu và điều kiện tải trọng.   
•    Nâng cao an toàn: Giúp thiết kế các kết cấu an toàn hơn bằng cách dự đoán chính xác các chế độ hư hỏng tiềm ẩn.   

Khi nói đến thiết kế đài cọc bê tông, rõ ràng ngay từ cái nhìn đầu tiên, đài cọc là một trường hợp khác của vùng gián đoạn. Mặc dù chúng ta có một số nguyên tắc cơ bản trong các tiêu chuẩn và hướng dẫn về cách thức tiến hành, chúng ta cần hiểu rõ hơn về hành vi của kết cấu, đặc biệt nếu chúng ta xử lý các hình dạng và cách sắp xếp không điển hình. Ngoài ra, hơn cả các bộ phận khác của kết cấu, đài cọc đôi khi có thể là vấn đề khi chuyển sang nhiệm vụ 2D, và cần phải giải quyết vấn đề trong không gian để có phán đoán chính xác. Hơn nữa, thực tế đây là một phần của kết cấu mà phần còn lại của kết cấu đứng trên đó theo nghĩa đen khiến cho nhiệm vụ này càng trở nên quan trọng hơn và đòi hỏi sự chú ý xứng đáng.   

Cả CSFM và STM đều được sử dụng cho các vùng phức tạp trong kết cấu bê tông. Trong khi STM đơn giản hóa vùng thành mô hình giống như giàn với các thanh chống, thanh giằng và nút rời rạc, thì CSFM mô hình hóa phân bố ứng suất liên tục trong bê tông. Tóm lại, Phương pháp trường ứng suất bê tông (CSFM) được triển khai trong IDEA StatiCa Detail là một công cụ tinh vi để thiết kế và phân tích kết cấu bê tông cốt thép, cung cấp cái nhìn chi tiết về phân bố ứng suất và kết quả chính xác cho cả nhiệm vụ 2D và 3D.