Cốt thép chịu xoắn được thiết kế cho từng tổ hợp tải trọng thiết kế tại mỗi đài dọc theo chiều dài dầm. Các bước sau đây liên quan đến việc thiết kế cốt thép dọc và cốt thép chịu cắt cho một vị trí cụ thể do dầm xoắn:
- Xác định mô men xoắn tính toán, $T_u$.
- Xác định các thuộc tính của tiết diện.
- Xác định khả năng chịu xoắn cực hạn.
- Xác định cốt thép chịu xoắn yêu cầu.
Xác định mô men xoắn tính toán
Trong thiết kế cốt thép xoắn dầm, xoắn cho mỗi tổ hợp tải trọng tại một vị trí dầm cụ thể có được bằng cách tính các xoắn tương ứng cho các trường hợp tải trọng khác nhau với các hệ số tổ hợp tải trọng tương ứng.
Trong kết cấu siêu tĩnh, nơi có thể xảy ra sự phân bố lại lực xoắn trong cấu kiện do sự phân bố lại nội lực khi nứt, $T_{Ed}$ thiết kế được phép giảm theo tiêu chuẩn (EC2 6.3.1(2)). Tuy nhiên, chương trình không tự động phân phối lại nội lực và giảm $T_u$. Nếu muốn phân phối lại, người dùng nên giải phóng mức độ tự do xoắn (DOF) trong phần mềm có thể phân tích nội lực kết cấu.
Xác định các thuộc tính của tiết diện
Đối với thiết kế xoắn, các thuộc tính tiết diện đặc biệt, chẳng hạn như $A_k$, $t_{ef}$, $u$, $u_k$ và $z_i$, được tính toán. Các thuộc tính này được mô tả trong phần sau (EC2 6.3.2).
$A =$ Diện tích được bao bọc bởi chu vi ngoài của tiết diện bê tông
$A_k =$ Diện tích được bao quanh bởi đường tâm của vách chịu xoắn, trong đó đường tâm được định vị là 1 khoảng $t_{ef}/2$ từ bề mặt ngoài cùng của tiết diện.
$t_{ef}=$ Chiều dày vách chịu xoắn $=A/u$. Được lấy tối thiểu 2 lần khoảng cách giữa mép ngoài mặt dầm và trọng tâm cốt thép dọc.
$u =$ Chu vi ngoài cùng của tiết diện bê tông
$u_k =$ Chu vi của vùng $A_k$ đã định nghĩa ở trên
$z_i=$ Chiều dài vách i, được xác định bằng khoảng cách giữa các điểm nút của đường tâm vách chịu xoắn.
Khi tính toán các thuộc tính của phần liên quan đến cốt thép, chẳng hạn như $A_k$ và $u_k$, giả định rằng khoảng cách giữa đường tâm của thanh đai kín ngoài cùng và bề mặt bê tông ngoài cùng là 50mm. Điều này tương đương với khoảng bảo vệ 38mm và một đai kín 12mm. Với giả thiết này, các thuộc tính đặc biệt cho tiết diện dầm hình chữ nhật được cho như sau (EC2 6.3.2):
$A=bh$
$A_k=(b-t_{ef} )(h-t_{ef} )$
$u=2b+2h$
$u_k=2(b-t_{ef})+2(h-t_{ef} )$
$t_{ef}=A/u≥2×cover-to-center$
Trong đó, kích thước tiết diện $b, h$ và $c$ được thể hiện trong Hình 2-2.
Hình 2-2. Đai kín và kích thước tiết diện khi thiết kế chịu xoắn
Xác định khả năng chịu xoắn cực hạn
Xoắn trong tiết diện có thể được bỏ qua, với yêu cầu hàm lượng cốt thép chịu cắt tối thiểu (EC2.9.2.1.1), nếu điều kiện công thức sau thỏa mãn:
$T_{Ed}/T_{Rd,c} +V_{Ed}/V_{Rd,c} ≤1.0$ (EC2 6.3.2(5))
Trong đó $V_{Rd,c}$ được xác định ở mục tính độ bền chịu cắt và $T_{Rd,c}$ là mô men chịu xoắn nứt, được tính như sau:
$T_{Rd,c}=f_{ctd} f_{ef} 2A_k$ (EC2 6.3.2(1), 6.3.2(5))
Trong đó $t_{ef}$ và $f_{ctd}$ là cường độ bê tông chịu kéo thiết kế, xác định như sau:
$t_{ef}=A/u$ (EC2 6.3.2(1))
$f_{ctd}=α_{ct} f_{ctk0.05}/γ_c$ (EC2 Eq. 3.16)
Trong đó $A$ và $u$ đã được định nghĩa ở mục trước, $α_{ct}$ là hệ số kể đến ảnh hưởng dài hạn của bê tông chịu kéo, lấy bằng $1.0$ và $f_{ctk0.05}$ được tính như sau:
$f_{ctk0.05}=0.7f_{ctm}$ (EC2 Bảng 3.1)
Xác định cốt thép chịu xoắn
Nếu công thức ở mục trước được thỏa mãn, xoắn có thể được bỏ qua một cách an toàn (EC2 6.3.2(5)), với yêu cầu hàm lượng cốt thép chịu cắt tối thiểu. Trong trường hợp đó, chương trình báo cáo rằng không cần gia cố xoắn. Tuy nhiên, nếu công thức đó không thỏa mãn, giả thiết rằng sức kháng xoắn được cung cấp bởi đai kín, thép dọc, và vùng nén bê tông.
Nếu cốt thép chịu xoắn có dạng đai kín, lực cắt do mô men xoắn này, $V_t$, được tính toán trước, theo diện tích cốt thép đai yêu cầu như sau:
$A_t/s=V_t/(zf_{ywd} cotθ)$ (EC2 6.2.3(3))
$V_t=(h-t_{ef} ) (T_{Ed}-T_{con})/(2A_k )$ (EC2 6.3.2(1))
Cốt thép dọc yêu cầu chịu xoắn được tính như sau:
$T_{con}=(1-V_Ed/V_{Rd,c}) T_{Rd,c}$ (EC2 6.3.2(5))
$A_{sl}=T_{Ed}/(2A_k ) cotθ u_k/f_{yd}$ (EC2 6.3.2(3))
Trong đó $θ$ là góc của thanh chịu nén, giống như mô tả của dầm chịu cắt. Khi tính toán, lấy $θ$ bằng 45 độ.
Tiêu chuẩn cho phép lấy từ 21.8 đến 45 độ (EC2 6.2.3(2)), chương trình giả thiết lấy 45 độ.
Khi cốt thép chịu xoắn được yêu cầu, một giá trị giới hạn trên của tổ hợp lực $V_{Ed}$ và $T_{Ed}$ chịu bởi tiết diện không được vượt quá khả năng của thanh giàn bê tông hay kiểm tra công thức:
$T_{Ed}/T_{Rd,max} +V_{Ed}/V_{Rd,max} ≤1.0$ (EC2 6.3.2(4))
Trong đó T_{Rd,max}, sức kháng xoắn thiết kế lớn nhất:
$T_{Rd,max}=2να_{cw} f_cd A_k t_{ef} sinθcosθ$ (EC2 6.3.2(4))
Nếu công thức trên không thỏa, một thông báo phá hoại sẽ được đưa ra. Trong trường hợp đó, tiết diện bê tông nên được tăng kích thước.
