Phân tích ảnh hưởng tường xây chèn đến ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có tầng yếu (soft story) chịu tải trọng động đất

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG * * *HỒ NGUYỄN VIẾT NAM PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TƯỜNG XÂY CHÈN ĐẾN ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU SOFT STORY CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LUẬN VĂN THẠ

TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG XÂY CHÈN ĐẾN ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU

Tổng quan nhà có tầng yếu trên thế giới và ở Việt Nam

Tầng yếu là một tầng trong một công trình có độ cứng theo phương ngang kém hơn so với tầng ngay trên hoặc tầng ngay dưới nó Trong một số tiêu chuẩn có định nghĩa về tầng yếu như UBC97 : “Tầng yếu là một tầng mà độ cứng theo phương ngang của nó nhỏ hơn 70% của độ cứng ngang của tầng ngay trên nó” hoặc trong ASCE: “Một tầng yếu là một tầng mà độ cứng theo phương ngang của nó nhỏ hơn 70% của độ cứng ngang của tầng ngay trên nó hoặc nhỏ hơn 80% của độ cứng trung bình của ba tầng bên trên” còn “Một tầng cực mềm là một tầng mà độ cứng theo phương ngang của nó nhỏ hơn 60% của độ cứng ngang của tầng ngay trên nó hoặc nhỏ hơn 70% của độ cứng trung bình của ba tầng bên trên” Độ cứng theo phương ngang của một tầng có thể được tính theo công thức của một số tác giả Trung Quốc:

Ki = (GiAwi + 0.12GiAci) / hi (1.1) Trong đó:Awi: diện tích mặt cắt vách tầng thứ i;

Aci: diện tích mặt cắt cột tầng thứ i;

Gi: mô đun biến dạng cắt của bê tông tầng thứ i; hi: chiều cao tầng thứ i

Về cơ bản, một tầng yếu có sức kháng cắt và độ dẻo của các cấu kiện chịu lực chính theo phương ngang (khả năng phân tán năng lượng) không thích hợp do chúng chịu biến dạng lớn dẫn đến sự hình thành các khớp dẻo khi công trình chịu tác động của tải trọng động đất Hầu như, (nhưng không hoàn toàn), vị trí thông thường của tầng yếu là ở sàn tầng trệt của công trình Đó là bởi vì nhiều công trình được thiết kế để có được một không gian mở lớn Hình 1.1 giới thiệu dạng công trình có tầng yếu thường gặp

Nguồn: Tạp chí khoa học kiến trúc – xây dựng, Nguyễn Thị Thanh Hòa

Hình 1.1 Một số dạng công trình có tầng yếu

Dạng công trình có sơ đồ kết cấu như hình 1a là các công trình rất hay gặp trong các đô thị Đặc điểm của dạng nhà này là tầng trệt được thiết kế có chiều cao lớn hơn các tầng bên trên Đó thường là các công trình tổ hợp đa chức năng, các văn phòng hoặc chung cư Tầng trệt được thiết kế cao để dùng làm cửa hàng, ngân hàng… có thể để trống do ý muốn của người thiết kế kiến trúc hoặc do yêu cầu cảnh quan môi trường thành phố hoặc khu vực xây dựng để tổ chức các không gian mở Việc tăng chiều cao làm giảm độ cứng đơn vị của tầng khi mà một số tầng dưới có tiết diện ngang thường không thay đổi Có thể thấy ở các chung cư được xây dựng trong thời gian gần đây ở Linh Đàm, Định Công hay Mỹ Đình… Các tòa nhà này có đặc điểm là tầng trệt làm cửa hàng, chỗ để xe máy…có chiều cao từ 4,2 - 4,5m trong khi các tầng điển hình thường có chiều cao 3,2 - 3,4m Các công trình có sơ đồ kết cấu như hình 1b thường là các công trình sử dụng không gian mở lớn ở tầng trệt để làm chỗ để xe ô tô hoặc các phòng lớn trong khách sạn (dùng làm phòng tổ chức hội thảo, hội nghị, chiêu đãi, phòng ăn lớn ) nên trên chiều cao khung có các chỗ thông nhịp, khung có thể không liên tục, các cấu kiện chịu lực theo phương đứng có thể bị thay đổi đột ngột (các cột chỉ xuất hiện từ các tầng trên, không có tường xây chèn), hoặc việc sử dụng gara ở các tầng dưới cùng của công trình dẫn đến thay đổi khẩu độ khung sử dụng làm không gian đỗ xe khiến tính liên tục của các cấu kiện chịu lực bị phá vỡ, các vách cứng có thể bị chia cắt và tạo nên sự thay đổi đột ngột về độ cứng ngang trên chiều cao nhà làm xuất hiện tầng yếu Điều này thể hiện rõ ở các khách sạn lớn hoặc công trình dạng tổ hợp

Dạng công trình có sơ đồ kết cấu như hình 1c là dạng khung chèn gạch không hoàn toàn thường gặp trong rất nhiều dạng công trình có số tầng tương đối thấp dân sự hoặc nhà hành chính thấp tầng Do các nhu cầu sử dụng mà tầng trệt có thể làm cao hơn các tầng trên và không gian bên dưới được mở rộng để làm các phòng lớn như cửa hàng, phòng sinh hoạt chung hay gara dẫn đến việc các tường ngăn bị giảm thiểu nên độ cứng bị giảm đáng kể hoặc khi tầng trệt sử dụng làm cửa hàng nên tường bao che bị thay thế bằng các tấm kính lớn không cung cấp sức kháng cắt cho công trình trong khi các tầng trên vẫn có các bức tường ngăn Đặc biệt, do kết cấu chịu lực chính thường có tiết diện không lớn nên các bức tường xây chiếm một tỷ lệ không nhỏ trong việc tạo nên độ cứng của công trình

Nguồn: Tạp chí khoa học kiến trúc – xây dựng, Nguyễn Thị Thanh Hoà

Hình 1.2 Kết cấu có tầng yếu

Các công trình có sơ đồ kết cấu như hình 1.1d là một dạng kết cấu tương đối phổ biến trên thế giới, đặc biệt là ở Hồng Kông là nơi có các hoạt động động đất tương tự Việt Nam và hiện ở Việt Nam đã được áp dụng cho một số công trình, một trong số đó là toà nhà 34 tầng Trung Hoà- Nhân Chính có tư vấn thiết kế là Hồng

Kông Kết cấu là sự phối hợp của kết cấu thuần vách cho các tầng bên trên và khung – vách cho các tầng dưới cùng sử dụng làm gara, cửa hàng siêu thị, văn phòng Do bị thay đổi đột ngột về độ cứng từ tầng có kết cấu khung lên tầng có kết cấu thuần vách nên hệ kết cấu phải dùng một kết cấu đặc biệt là kết cấu truyền có kích thước rất lớn Các bức tường xây ở các tầng dưới cũng bị giảm thiểu một cách triệt để góp phần làm giảm sức kháng cắt cho các tầng này

Dạng công trình có sơ đồ kết cấu như hình 1.1e cũng là một dạng của kết cấu có tầng yếu Có thể thấy ví dụ cho dạng này ở toà nhà 12 tầng số 14 Láng Hạ Một phần trong công trình được sử dụng làm đại sảnh cần không gian có chiều cao lớn do vậy đã có một phần dầm sàn bị cắt bớt, một số cột được làm thông tầng Xung quanh các tầng dưới là hệ thống cửa kính lớn không cung cấp khả năng kháng cắt Tầng trệt do vậy đã bị giảm đáng kể độ cứng theo phương ngang Biến dạng giữa các cột dưới tác dụng của tải trọng ngang không đều, các cột ngắn hấp thụ phần lớn năng lượng do chúng có độ cứng đơn vị lớn hơn nhiều cột dài, điều đó dẫn đến sự làm việc phức tạp và không hợp lý của hệ kết cấu

Từ những thiệt hại do kết cấu có tầng yếu, nhằm giảm thiểu các rủi ro đem lại, trên thế giới đã có nhiều cuộc khảo sát về kết cấu có tầng yếu trong các vùng có xảy ra động đất Các kết quả đã cho thấy tỷ lệ nhà có tầng yếu (đặc biệt là ở tầng 1) chiếm một lượng không nhỏ Một cuộc khảo sát ở Santa Clara là một thành phố lớn thứ ba ở bang California của trường đại học San Jose (Mỹ) đã cho thấy tỷ lệ nhà có tầng yếu dao động trong khoảng 27-44%, trung bình là 36% (cá biệt có nơi đến 53%) Việt Nam tuy chưa có được các cuộc khảo sát tương tự nhưng theo đánh giá chủ quan và từ các ví dụ phân tích trên thì cũng như nhiều nước khác trên thế giới, nhà có tầng yếu ở Việt Nam cũng chiếm một tỷ lệ tương tự

Qua những phân tích trên, có thể thấy rằng hầu như (nhưng không hoàn toàn), vị trí thông thường của tầng yếu là tầng thứ nhất của công trình với nguyên nhân là do các công trình được thiết kế để có một không gian mở ở tầng thứ nhất để có thể sử dụng cho các mục đích cộng đồng Do đó, tầng thứ nhất có thể bao gồm không gian mở lớn giữa các cột mà không có được sức kháng cắt thích hợp hoặc (và) có chiều cao lớn làm giảm độ cứng của các cấu kiện chịu lực Tầng thứ nhất là tầng chịu các tải trọng đứng lớn nhất, khi chịu chuyển vị lớn dưới tác dụng của tải trọng động đất gây nên hiện tượng tập trung ứng suất cục bộ tại tầng này Đó là nguyên nhân chính dẫn đến sự phá hoại của các công trình có tầng yếu.

Sự làm việc của tầng yếu dưới tác dụng của tải trọng động đất

Dưới tác dụng của tải trọng đứng như tĩnh tải và hoạt tải sử dụng, tải trọng được truyền xuống chân công trình qua các đường truyền tải theo con đường ngắn nhất Với các dạng kết cấu như hình 1.1a, 1.1c, 1.1e thì không có gì bất thường trong cách truyền tải so với các kết cấu thông thường Tuy nhiên, với như trên hình 1.1b và 1.1d, tại các điểm đứt gãy của đường truyền tải sẽ xuất hiện sự thay đổi đột ngột về cường độ và độ cứng Có sự tập trung ứng suất đáng kể tại các vị trí này Trong thiết kế phải lường trước được sự tích luỹ về biến dạng trong quá trình xây dựng công trình gây nên biến dạng tăng dần để có sự phân tích hợp lý, đánh giá đúng sự phân phối nội lực lên các cấu kiện và phần tải trọng truyền xuống chân công trình a) Khung đều đặn trên chiều cao b)Khung có tầng yếu

Hình 1.3 Sơ đồ biến dạng của khung dưới tác dụng của tải trọng động đất Đối với tải trọng ngang là tải trọng động đất, trong quá trình gây chấn động lên công trình, sự dịch chuyển nền do động đất sẽ gây nên sự tập trung ứng suất cục bộ tại “những điểm yếu” trong hệ kết cấu Những điểm yếu này thường được tạo bởi những vị trí thay đổi đột ngột về độ cứng và độ bền Những hư hỏng kết cấu trầm trọng mà nhiều công trình hiện đại đã trải qua trong những trận động đất gần đây minh hoạ cho tầm quan trọng của việc tránh những thay đổi đột ngột trong độ bền và độ cứng ngang Một ví dụ thông thường của những ảnh hưởng gây thiệt hại mà những sự không liên tục này có thể tạo ra là trong trường hợp khi công trình có tầng yếu Qua sự xem xét kỹ những sự hư hỏng do động đất cũng như những kết quả của quá trình nghiên cứu phân tích đã chỉ ra những hệ kết cấu với một tầng yếu có thể dẫn tới nhiều vấn đề nghiêm trọng trong suốt quá trình chịu tác động của chấn động nền do động đất gây ra Nhiều ví dụ minh họa những hư hỏng đó và qua đó nhấn mạnh việc cần phải tránh để xuất hiện tầng yếu bằng cách tạo nên sự phân bố đều đặn về độ mềm dẻo, cường độ và khối lượng trong công trình Đối với kết cấu không có tầng yếu (có sự phân bố đều đặn về về độ cứng và cường độ trên chiều cao như trên hình 1.3a), dưới tác dụng của tải trọng động đất, kết cấu không có sự tập trung ứng suất đột ngột và biến dạng lớn tại một tầng nào đó Năng lượng sinh ra do tải trọng động đất được phân đều cho các cấu kiện của hệ kết cấu hấp thụ (phân tán) và truyền xuống nền đất qua các cấu kiện chịu lực Còn đối với kết cấu có tầng yếu (không có được sự phân bố đều đặn về về độ cứng và cường độ trên chiều cao như trên hình 1.3b), công trình sẽ làm việc khác với thông thường dưới tác động của tải trọng động đất Tình hình sẽ trở nên nghiêm trọng hơn khi kết cấu làm việc trong giai đoạn không đàn hồi (giai đoạn đàn dẻo), do biến dạng tập trung ở tầng yếu là nơi phần lớn năng lượng sẽ được hấp thụ, phần cứng bên trên tầng yếu sẽ hấp thụ rất ít (lúc này có thể coi sơ đồ làm việc như một khối cứng nằm trên đệm giảm chấn) Sự phân bố tải trọng ngang đơn giản theo các quy định của tiêu chuẩn kháng chấn chỉ có thể áp dụng cho một số loại kết cấu không có sự thay đổi độ cứng đột ngột trên chiều cao và kết cấu chỉ hấp thụ tốt năng lượng địa chấn khi chúng có được tính đều đặn và liên tục Do vậy, kết cấu có tầng yếu cần phải được phân tích và cấu tạo một cách phù hợp

Trên thế giới đã có nhiều cuộc khảo sát sự phá hoại của kết cấu nhà có tầng yếu qua những trận động đất trong các năm gần đây Dưới đây là một số dạng phá hoại của nhà có kết cấu tầng yếu:

Hình 1.4 Sơ đồ biến dạng và làm việc của khung không có tường chèn ở tầng trệt

Tổng quan về hệ tường trong công trình xây dựng

Tường nhà là một trong những bộ phận cấu tạo của một công trình kiến trúc Tường thẳng đứng, nằm từ nền móng cho đến mái của công trình nhà ở Tường có nhiều chức năng, quan trọng nhất là kết cấu bao che, ngăn cách giữa các không gian xây dựng với nhau Tường cũng đóng vai trò chịu lực trong những dự án chịu lực lớn Khái quát hơn, tường là “rào chắn” ngăn cách không gian sống của bạn cách biệt với môi trường bên ngoài Tường là bộ phận cực kỳ quan trọng trong tổng thể của nhà ở

Hình 1.5 Tường xây gạch trong công trình xây dựng

Loại tường nhà được sử dụng nhiều nhất ở các công trình nhà phố, nhà ống, nhà dân dụng là tường gạch Vậy, vai trò chính của tường trong các công trình xây dựng là gì?

– Thứ nhất, tường đóng vai trò giới hạn, phân cách không gian bên ngoài và bên trong, tạo nên không gian chức năng được sử dụng của các phòng, của toàn bộ ngôi nhà Chẳng hạn như bức tường ngăn cách giữa phòng khách và phòng ngủ, tường ngăn cách phân chia không gian giữa phòng khách và phòng bếp, nhà ăn

Hiện nay, một số công trình dự án nhà có diện tích nhỏ, khi phân chia không gian phòng khách và nhà ăn, hay sử dụng vách ngăn để thay thế, chủ yếu là để tiết kiệm diện tích, trang trí thêm cho không gian

– Tường là một trong những bộ phận tham gia vào kết cấu chịu lực của ngôi nhà Nó giữ chức năng tương tự như một phần kết cấu trong xây dựng nhà cửa Ngoài ra, tường còn đóng vai trò thể hiện tính thẩm mỹ nổi bật của công trình xây dựng Các bức tường trong nhà được sơn màu hay tô vôi đẹp đẽ Một số trường hợp gia chủ còn lựa chọn decor trang trí nội thất tường nhà hoặc sử dụng giấy dán tường, decal dán tường với mục đích khiến cho bức tường “vô hồn” trở nên lộng lẫy, tinh xảo, hiện đại hoặc sang trọng hơn

Bởi vai trò của tường nhà rất quan trọng nên kỹ thuật xây tường cần được chú ý Cần đảm bảo nguyên vật liệu, kết cấu, kỹ thuật xây tường bền vững, tạo độ cứng, tính ổn định, tính thẩm mỹ chung cho toàn bộ công trình, đem lại “thành quả” lý tường nhất.

Các yêu cầu khi thiết kế và xây dựng tường nhà

Các yêu cầu khi thiết kế và xây dựng tường cần được tính toán số liệu chính xác, sai số ở mức thấp nhất Ở trong kết cấu nhà dân dụng, tường chiếm khoảng 40 – 65% trọng lượng vật liệu hoàn thiện của cả tòa nhà Nếu xét ở yếu tố chi phí, tường nhà chiếm khoảng 20 – 40% trong tổng thể chi phí xây dựng Chính vì lẽ đó, việc chọn lựa vật liệu làm tường nhà phải đủ chuyên nghiệp, hợp lý, kết cấu tường đúng cách Chỉ có như vậy, sau khi hoàn thiện xong công trình mới đem lại ngôi nhà đẹp, bền vững như ý muốn

Dựa trên vai trò, chức năng của tường nhà, thiết kế và xây dựng tường cần đáp ứng các yêu cầu về cường độ chịu lực, yêu cầu về độ cứng và độ bền của tường, yêu cầu tăng khả năng chịu lực của tường và một số yêu cầu chi tiết về việc chọn vật liệu xây dựng tường

1.4.1 Yêu cầu về cường độ chịu lực

Yêu cầu về cường độ chịu lực của tường tương đương với chiều dài tường cần đảm bảo chịu được tác động của lực Trọng lượng bản thân của tường, trọng lượng của sàn và mái truyền từ trên xuống chân tường Tường phải chịu được lực đẩy ngang của gió, mưa, bão và các chấn động từ bên ngoài, chấn động từ điều kiện thời tiết và cả yếu tố con người

Hình 1.6 Tường gạch không nung trong công trình dân dụng

1.4.2 Yêu cầu về độ cứng và độ bền của tường

Yêu cầu về độ cứng và độ bền của tường là các vấn đề liên quan đến Mác vật liệu sức chịu tải nền đất cũng như móng tường kết hợp với chiều cao, độ dày và chiều dài của tường nhà Đồng thời, độ cứng và độ bền của tường nhà còn liên quan đến kỹ thuật thi công, kiểu cách khối xây và mạch vữa, đảm bảo đầy đủ số liệu tính toán của tường nhà

1.4.3 Yêu cầu tăng khả năng chịu lực của tường

Khả năng chịu lực của tường có thể được tăng cường bằng một số vật liệu xây dựng Cụ thể như lanh tô, giằng tường, trụ tường Kết hợp với vật liệu này thật khéo trong thiết kế, thi công xây dựng công trình nhà ở sẽ giúp tường nhà của bạn chịu được lực tốt hơn

1.4.4 Yêu cầu về vật liệu xây tường đảm bảo chất lượng

Yêu cầu về vật liệu xây tường dựa trên nhu cầu sử dụng cũng như quy luật thay đổi nhiệt độ của môi trường, thời tiết để chọn vật liệu có bề dày và cấu tạo phù hợp, tránh trường hợp xây tường bị nứt, gây ra các vết rạn, ảnh hưởng đến “tuổi thọ” của công trình nhà ở

Có rất nhiều loại vật liệu xây tường với nhiều kiểu dáng, đặc điểm và tính chất khác nhau, đặc biệt trong nền công nghệ phát triển như hiện nay Việc xuất hiện nhiều loại gạch xây tường giúp cho khách hàng có thể lựa chọn những loại gạch phù hợp nhất với từng công trình xây dựng.

Các loại tường xây trong công trình xây dựng

Có nhiều loại tường xây được sử dụng trong xây dựng công trình Tường xây là phần bền nhất của bất kỳ tòa nhà hoặc cấu trúc nào Chúng cung cấp sức mạnh, độ bền cho cấu trúc và cũng giúp kiểm soát nhiệt độ trong nhà và ngoài trời Nó ngăn cách một tòa nhà với thế giới bên ngoài Dựa trên loại đơn vị riêng lẻ được sử dụng cho tường xây và chức năng của chúng, các loại tường xây là:

Tường xây chịu lực được xây dựng bằng gạch, đá hoặc khối bê tông Những bức tường này trực tiếp chuyển tải từ mái nhà đến nền móng Những bức tường này có thể là ngoại thất cũng như các bức tường bên trong Hệ thống xây dựng với các bức tường chịu tải là kinh tế hơn hệ thống với các cấu trúc khung

Hình 1.7 Tường gạch chịu lực Độ dày của tường chịu lực dựa trên số lượng tải từ mái nó phải chịu Ví dụ, một bức tường chịu tải chỉ với một tầng trệt có thể có các bức tường bên ngoài là 230mm, trong khi với một hoặc nhiều tầng trên nó, dựa trên loại chiếm, độ dày của nó có thể được tăng lên Các bức tường chịu tải có thể được gia cố hoặc tường xây không có cốt thép

Tường xây gia cố có thể là tường chịu lực hoặc tường không chịu tải Việc sử dụng cốt thép trong các bức tường giúp nó chịu được lực căng và tải trọng nén lớn Các bức tường xây không được gia cố dễ bị nứt và hỏng dưới tải trọng nén lớn và trong trận động đất Chúng có rất ít khả năng chịu được các lực bên trong khi mưa to và gió lớn Các vết nứt cũng phát triển trong các bức tường xây không được gia cố do áp lực đất hoặc độ lún của nền móng

Hình 1.8 Tường xây cốt thép Để khắc phục những vấn đề như vậy, tường xây được gia cố được sử dụng Gia cố trong các bức tường theo các khoảng yêu cầu cả theo chiều ngang và chiều dọc được sử dụng Kích thước của cốt thép, số lượng và khoảng cách của chúng được xác định dựa trên tải trọng trên tường và điều kiện kết cấu

Tường xây rỗng được sử dụng để ngăn hơi ẩm vào bên trong tòa nhà bằng cách cung cấp không gian rỗng giữa mặt ngoài và mặt trong của tường Những bức tường này cũng giúp kiểm soát nhiệt độ bên trong tòa nhà từ bức tường bên ngoài vì không gian rỗng hạn chế nhiệt đi qua tường

Khi bức tường tiếp xúc với độ ẩm trong một thời gian duy trì và xâm nhập qua mặt ngoài, nước đến khoang hoặc không gian rỗng và chảy xuống Sau đó, chúng được dẫn lưu qua các lỗ khóc ra bên ngoài tòa nhà Những không gian rỗng này có thể được phủ một lớp chống thấm nước hoặc chống ẩm để tiếp tục giảm độ ẩm

Những bức tường này được xây dựng với hai hoặc nhiều đơn vị như đá hoặc gạch và gạch rỗng Kiểu xây tường xây này được thực hiện để có diện mạo tốt hơn với nền kinh tế

1.5.5 Tường xây sau dự ứng lực

Tường xây sau dự ứng lực được xây dựng để tăng cường các bức tường xây chống lại các lực có thể gây căng thẳng trong tường như lực động đất hoặc lực gió Những bức tường này được xây dựng từ cấp độ móng và thanh dự ứng lực được neo vào nền móng Ngoài ra có thể sử dụng gạch bông gió để xây tường rào, mục đích thông gió, làm đẹp cảnh quan cho ngôi nhà.

Tóm tắt chương 1

Kết cấu khung BTCT có tường xây chèn gồm hai cấu kiện có đặc trưng cơ lý rất khác nhau Tường xây chèn có độ cứng ngang lớn nhưng độ bền thấp, đặc tính dòn, ngược lại khung BTCT có độ cứng ngang nhỏ hơn nhưng độ dẻo lớn hơn nhiều lần TXC Khi khung bê tông cốt thép có tường xây chèn (KXC) chịu tải ngang, do có độ cứng lớn hơn nhiều lần khung BTCT nên tỉ lệ tiếp nhận lực ngang của TXC lớn hơn khung BTCT và phá hủy sớm (nứt, ép vỡ cục bộ) do độ bền thấp Thực tế đã cho thấy khi TXC bị nứt, phá hủy cục bộ thì TXC vẫn còn ảnh hưởng đáng kể đến khung BTCT

Nghiên cứu ứng xử và đề xuất mô hình tính của khung có TXC với các điều kiện biên khác nhau (đầy đủ, không đầy đủ) trong giai đoạn đàn hồi và sau đàn hồi, để xuất một dạng TXC cải tiến nâng cao khả năng chịu tải trọng ngang và phân tích ứng xử khi chịu tải trọng động đất của khung có và không có TXC là nội dung chính của luận văn

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TƯỜNG XÂY CHÈN ĐẾN ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI

Tầng yếu

Một tầng cao hơn những tầng khác, hoặc một tầng yếu hơn những tầng khác

Có tầng yếu hoặc tầng yếu nếu chiều cao của tầng đó lớn hơn tầng trên hoặc tầng dưới ít nhất 15%; hoặc nếu nó có ít hơn ít nhất 30% số cột trong trường hợp hệ khung, hoặc ít nhất 30% chiều cao toàn bộ kết cấu hoặc chiều dài tường chèn trong trường hợp hệ thống tường hoặc tường chèn, hoặc nếu theo tính toán kỹ thuật khác hoặc xấp xỉ tầng dường như có độ cứng hoặc độ bền bên thấp hơn 30% Sự bất thường này thường được tìm thấy trong các tòa nhà mà tầng đầu tiên (trệt) được sử dụng để làm chỗ đậu xe, cửa hàng hoặc văn phòng

Nguồn: A Charleson, Seismic Design for Architects, Architectural Press 2008

Hình 2.1 Minh họa kết cấu có tầng yếu

Hình 2.2 Tầng yếu trong một tòa nhà bê tông cốt thép, New Zealand

Hình 2.3 Tầng yếu trong các tòa nhà bê tông cốt thép, Ấn Độ

Bệnh viện Olive View bị thiệt hại nghiêm trọng ở San Fernando, California năm 1971, do các bức tường chống cắt bằng bê tông cốt thép không liên tục được che mờ trên bản vẽ mặt cắt dọc Một lớp khung bê tông cốt thép cứng hai tầng yếu hỗ trợ kết cấu khung tường chịu cắt cứng ở trên Thiệt hại nghiêm trọng xảy ra ở phần sàn mềm

Hình 2.4 Bệnh viện Olive View

Hình 2.5 Một số tòa nhà khung gỗ tầng yếu đã bị hư hại trong trận động đất Northridge 1994 và trận động đất Loma Prieta, California năm 1989

Các tòa nhà khung gỗ có tầng yếu thường phổ biến ở các khu vực ngoại ô của California và Tây Bắc Thái Bình Dương, Hoa Kỳ Trong hầu hết các trường hợp, đây là các tòa nhà chung cư dân cư và tầng trệt được sử dụng làm bãi đậu xe

Hình 2.6 Một số tòa nhà hỗn hợp có người ở với các cửa hàng ở tầng trệt đã bị hư hại nghiêm trọng hoặc bị sập trong trận động đất ở Bhuj, Ấn Độ năm 2001

Tầng trệt được sử dụng để đậu xe trong nhiều tòa nhà khung bê tông cốt thép ở các thành phố của Ấn Độ Nhiều tòa nhà thuộc loại này đã bị hư hại hoặc sụp đổ nghiêm trọng trong trận động đất Bhuj năm 2001 Ảnh bên trái cho thấy một tòa nhà có tầng trệt mở liền kề với một tòa nhà tương tự bị mất tầng trệt do hiệu ứng tầng yếu; Ảnh bên phải cho thấy thiệt hại lớn ở các cột ở tầng trệt do trận động đất, cũng do cơ chế tầng yếu

Hình 2.7 Tòa nhà khung bê tông cốt thép ở các thành phố của Ấn Độ

Ứng xử đàn hồi

Dựa trên nghiên cứu thực nghiệm, năm 1960 Polyakov đã đề xuất quy đổi tương đương tường xây chèn trong khung bằng một thanh chéo chịu nén thuần túy, nổi từ điểm đặt lực đến góc đối diện (hình 2.8) Phương pháp quy đổi tương đương này đã giúp đưa bài toán phức tạp thời bấy giờ là kết cấu gồm khung (phần tử thanh) và tường xây chèn (phần tử tấm) với đặc tính cơ lý khác nhau (vật liệu khác nhau) về bài toán đơn giản chỉ gồm phần tử thanh và có thể giải dễ dàng theo cơ học kết cấu

Hình 2.8 Mô hình quy đổi TXC thành thanh chéo tương đương

Mô hình này dựa trên một số giả thuyết: (i) TXC là đồng nhất và đẳng hướng; (ii) Nút khung cứng, không bị biến dạng; (iii) TXC và khung xung quanh tiếp xúc kin khít bốn mặt Độ cứng tương đương của thanh chéo được xác định thông qua biến dạng và được xác định bằng công thức thực nghiệm như sau:

 Biến dạng của thanh chéo; l': Chiều dài của tường xây chèn; h: Chiều cao của tường xây chèn; t: Bề dày của tường xây chèn; P: Lực ngang tác dụng tại nút

Polyakov là người đặt nền tảng cho mô hình quy đổi tương đương TXC thành thanh chéo, tạo dễ dàng trong tính toán, xác định nội lực trong khung với sai số chấp nhận được trong các bài toán thiết kế kỹ thuật Công thức của Polyakov được tích hợp trong tiêu chuẩn Liên xô trước đây CHHII-62

Tiếp nối nghiên cứu của Polyakov, năm 1962 dựa trên thực nghiệm và định hướng các tham số phỏng theo cơ sở lý thuyết dầm trên nền đàn hồi, Smith và Carter đề xuất xác định thanh chéo tương đương thông qua bề rộng hiệu dụng Wo của dài TXC chịu nén (hình 2.9) dựa trên quan hệ rút ra từ thực nghiệm (hình 2.10) như sau:

 h l : Thông số diễn tả quan hệ độ cứng giữa khung (cột, dầm) và tường xây chèn tương tự thông số đặc trưng độ cứng của bài toán dầm trên nền đàn hồi được xác định như sau:

Ew: Mô dun đàn hồi của TXC; d: Chiều dài đường chéo của TXC; Ef: Mô đun đàn hồi của khung (bê tông); Ic Độ cứng chống uốn của cột; Ib: Độ cứng chống uốn của dầm; h: Chiều cao của khung; l Chiều dài của khung; 0 góc giữa đường chéo TXC và phương ngang

Hình 2.9 Mô hình quy đổi TXC thành thanh chéo tương đương của Smith và Carter

Phân bố lực tại góc TXC được Smith và cộng sự giả thuyết tuân theo quy luật tam giác (hình 2.10) Bề rộng thanh chéo tương đương được xác định là cạnh huyền của tam giác vuông tạo bởi hai cạnh là chiều dài đoạn tiếp xúc an và đ

W0 =   h + l (2.5) Công thức của Smith và cộng sự được tích hợp trong tiêu chuẩn Canada - CSA

Nguồn: Smith, B.S and Carter, C., "A Method of Analysis for Infilled Frames"

Hình 2.10 Đường cong thực nghiệm quan hệ giữa n và anh

Nguồn: Smith, B.S and Carter, C., "A Method of Analysis for Infilled Frames"

Hình 2.11 Giả thuyết phân bố lực tại góc TXC của Smith và cộng sự

Nghiên cứu thực nghiệm của Mainstone vào năm 1971 dựa trên nền tảng nghiên cứu của Smith Thông qua số liệu thực nghiệm trên số lượng mẫu khá đầy đủ; Ông đã lập được các đường cong thích hợp biểu diễn tương tác giữa bề rộng thanh chéo chịu nén tương đương và độ cứng liên quan của TXC và khung

Công thức đề xuất xác định bề rộng thanh chéo tương đương của Mainstone:

Ew: Mô đun đàn hồi của TXC; t: Chiều dài đường chéo của TXC; Ef Mô đun đàn hồi của khung (bê tông); Ic: Độ cứng chống uốn của cột; h: Chiều cao của khung; I: Chiều dài của khung; 4 góc giữa đường chéo TXC và phương ngang

Nguồn: Mainstone, R J., "On the Stiffness and Strength of Infilled Frames"

Hình 2.12 Các tham số TXC trong nghiên cứu Điểm khác biệt rõ nét trong công thức xác định bề rộng thanh chéo tương đương của Mainstone so với Smith là chỉ có một tham số  h trong công thức Điều này cho thấy ảnh hưởng của dầm trong việc tạo thành bể rộng thanh chéo tương đương (dải tường hiệu dụng chịu nén) theo ông là không đáng kể Công thức của Mainstone được tích hợp trong FEMA 356-2000

Nguồn: Mainstone, R J., "On the Stiffness and Strength of Infilled Frames"

Hình 2.13 Các giá trị độ cứng thực nghiệm

Ứng xử sau đàn hồi

Mô hình ba thanh chéo tương đương của Chrysostomou và cộng sự (hình 2.14) đề xuất năm 2002 cho phép mô phỏng tương tác giữa TXC và khung xung quanh thông qua thanh chéo thứ hai và ba đặt tại vị trí dự kiến hình thành khớp dẻo trong đầm (l) và cột (h)

Nguồn: Chrysostomou et al., “A Six-Strut Model for Nonlinear Dynamic Analysis of

Hình 2.14 Mô hình ba thanh chéo tương đương

Mô hình này là một cải tiến đáng kể so với mô hình một thanh chéo tương đương, bản chất của mô hình là tăng điểm tiếp xúc giữa thanh chéo tương đương và khung thay vì chỉ mô phỏng bằng một đường trục thanh Do có kể đến sự suy giảm độ cứng và cường độ của tường xây chèn nên tương đối thích hợp cho mô phỏng phản ứng của kết cấu khung có tường xây chèn dưới tác động của động đất

Trên cơ sở mô hình của Chrysostomou và cộng sự, năm 2007 Crisafulli và Carr đã phát triển và so sánh các dạng mô hình (model) thanh chéo tương đương 1 thanh (model A), 2 thanh (model B) và 3 thanh (model C) (hình 2.15)

Nguồn: Crisafulli, J F., and Carr, A J., "Proposed Macro-Model for The Analysis of Infilled Frame Structures"

Hình 2.15 Mô hình 1, 2 và 3 thanh chéo tượng dương

Trong mô hình, chiều dài đoạn tiếp xúc 2 giữa tường xây chèn và cột được xác định theo công thức Smith h 2 h z  

Ams: Bề rộng thanh chéo tương đương của TXC; z: Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa cột và TXC;   h ; h : Giá trị xác định theo công thức Smith

Dựa trên các mô hình Chrysostomou và cộng sự, Crisafulli và Carr đồng thời kết hợp xác định bề rộng thanh chéo tương đương Ams thông qua chiều dài đường chéo d của TXC, đưa ra khái niệm nút ảo (dummy node) để mô phỏng các điểm tiếp xúc giữa khung và TXC, Smyrou và cộng sự vào năm 2011 đã mô phỏng ứng xử của khung chèn có kể đến ứng xử kéo (cắt) của TXC thông qua độ cứng của lò xo đặt tại tâm TXC (hình 2.16)

Nguồn: Smyrou, E., et al., "Implementation and verification of a masonry panel model for nonlinear dynamic analysis of infilled RC frames"

Hình 2.16 Mô hình thanh chéo nén — kéo tương đương Smyrou

Mô hình Smyrou và cộng sự, Crisafulli và Carr, Chrysostomou và cộng sự đều dựa trên nền tảng tiết diện của thanh chéo tương đương được xác định bằng công thức Smith và cải tiến tăng thêm 2 điểm tiếp xúc giữa khung và TXC thay vì một điểm tiếp xúc là trục thanh chéo tương đương nên kết quả tiệm cận với ứng xử thật hơn

Trong thực tế dưới tác động của tải trọng ngang, TXC trong khung sớm bị nứt do độ bền thấp và ứng xử chi phối của hệ là sau đàn hồi Năm 2005 Ibarra và cộng sự đã đề xuất mô hình tam tuyến tính (hình 2.17) dựa trên thực nghiệm để mô phỏng ứng xử sau đàn hồi của khung có TXC

Nguồn: Ibarra, L F., Medina, R A and Krawinkler, H., "Hysteretic models that incorporate strength and stiffness deterioration"

Hình 2.17 Mô hình tam tuyến tính của Ibarra và cộng sự

Trong mô hình này, TXC được quy đổi thành thanh chéo với bề rộng tương đương xác định theo công thức của Smith và Carter với K là độ cứng ban đầu khi TXC chưa bị nứt Ke=2(EmWt/L)(cos0) 2 Sau khi nứt, độ cứng của hệ giảm thành aKc, nhưng lực vẫn tiếp tục tăng đến khi TXC bị phá hủy cục bộ, cắt hoặc trượt Giá trị cực đại của lực được Dolsek và Fajfar [18] đề xuất xác định như sau

Lin là chiều dài của TXC; fip là cường độ nén của TXC; t là bề dày của TXC

Phát triển trên mô hình tam tuyến tính của Ibarra và cộng sự, năm 2010 Rodrigues và cộng sự [19] đã đề xuất ứng xử khung có TXC theo quy luật đa tuyến tỉnh (hình 1.11) gồm 9 thông số như sau:

1 Fc: Lực khi nút, 2 dc: chuyển vị tương ứng khi nứt

3 Fy: Lực khi chảy, 4 dy: chuyển vị tương ứng khi chảy

5 Fcr: Lực tới hạn, 6, dcr: chuyển vị tương ứng khi đạt lực tới hạn

7 Fu: Lực phá hủy, 8 du: chuyển vị tương ứng khi phá hủy

Nguồn: Rodrigues, H., Varum, H., and Costa, A., “Simplified Macro Model for

Hình 2.18 Mô hình đa tuyến tính của Rodrigues và cộng sự

Phản ứng của khung có tường xây chèn dưới tác động của động đất

Khi động đất xảy ra, một lượng lớn năng lượng được giải phóng trong một thời gian ngắn tại một điểm nào đó trong lòng đất (chấn tiêu) Năng lượng này lan truyền đến mặt đất nơi có công trình xây dựng dưới dạng các sóng địa chấn Các sóng này gây ra chuyển động nền đất với gia tốc ao(t) làm công trình xây dựng trên nó dao động theo tạo ra lực quán tính tác dụng lên công trình Như vậy đối với bài toán động đất, tải trọng động (ngoại lực) tác dụng lên công trình chính là lực quán tính, và lực này làm phát sinh nội lực (biến dạng) trong kết cấu xây dựng Nếu nội lực xuất hiện vượt quá giới hạn chịu đựng của kết cấu, công trình bị hư hỏng cục bộ, thậm chí sụp đổ gây tổn thất lớn cho sinh mạng và tài sản con người đang sử dụng công trình

Khả năng chịu động đất của hệ kết cấu được đánh giá qua nhiều yếu tố Ngoài yếu tố chính là hệ kết cấu phải đủ độ cứng để chịu được tải trọng quán tính ngang (tải trọng quán tính đứng bé thường được bỏ qua), hệ kết cấu còn phải có khả năng phân tán, tiêu giảm năng lượng động đất thì mới hiệu quả và tiết kiệm Thực tế cho thấy một số công trình không được thiết kế chịu động đất song vẫn tồn tại và thậm chí ít hư hại khi động đất xảy ra Đó là do xuất hiện biến dạng dẻo và sự phân tán năng lượng trong công trình bao gồm kết cấu chịu lực và không chịu lực Điều này chứng minh rằng khi thiết kế công trình chịu động đất mà chỉ xét làm việc trong giai đoạn đàn hồi là tốn kém, không hợp lý và chưa hẳn an toàn Vì công trình được thiết kế chỉ làm việc trong miền đàn hồi để chịu tác động của động đất với độ lớn xác định mà thực tế khi xảy ra động đất có cấp độ lớn hơn, công trình lại không có khả năng biến dạng dẻo, phân tán năng lượng tất yếu sẽ bị phá hủy, sụp đổ Hiện có hai quan điểm về tính toán công trình chịu tác động động đất

+ Quan điểm thứ nhất: Nội lực xuất hiện trong các cấu kiện chịu lực chính của công trình nhỏ hơn giới hạn đàn hồi

+ Quan điểm thứ hai: Cho phép nội lực xuất hiện trong các cấu kiện chịu lực vượt quá giai đoạn đàn hồi đến cấp độ theo một chuẩn quy ước nào đó

Trong thực tế, các công trình bê tông cốt thép dưới tác động của tải trọng động đất đều xuất hiện vết nứt với các mức độ khác nhau, kết cấu thực tế đã làm việc ngoài miền đàn hồi, do vậy việc thiết kế công trình làm việc “hoàn toàn đàn hồi” là không phản ánh đúng ứng xử thật của kết cấu và lãng phí Quan điểm thứ hai là quan điểm hiện đại, được hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế ngày nay đều sử dụng như UBC97, Eurocode 8

2.4.1 Phản ứng sau đàn hồi của khung có TXC

Nhiều thực nghiệm (20-24, 27-28] cho thấy đặc tính nổi trội của KXC là tuy tường xây chèn trong khung có độ bền nhỏ, và sớm bị nứt khi chịu tải trọng ngang nhưng độ cứng của KXC, vốn lớn hơn nhiều lần khung không chén tương ứng, không suy giảm đột ngột mà vẫn suy giảm tuần tự (hình 2.19) Một trong những nguyên nhân như đã đề cập là do “hiệu ứng bỏ" của TXC trong khung TXC bản thân là phần tử tấm, tương tác với khung thông qua các dải tiếp xúc và ban đầu các dải tiếp xúc tạo thành thanh chéo sơ cấp chịu nén nỗi tử góc đặt lực đến góc đối diện Trong quá trình chịu tải, khi TXC nứt hay nói cách khác, thanh chéo (dải nén) sơ cấp suy giảm độ cứng, một dải nén thứ cấp khác sẽ hình thành trong TXC tiếp tục hỗ trợ khung chịu lực ngang Đường cong lực - chuyển vị theo chu kỳ tăng, giảm tải trọng và đổi chiều là đường cong trễ của KXC

Nguồn: D L K Quoc, B C Thanh, N V Yen, “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của khung BTCT có tường xây chèn không đầy đủ bằng gạch bê tông khi chưng áp

AAC dưới tác động của tải trọng ngang"

Hình 2.19 Đường cong trễ thực nghiệm của KXC

2.4.2 Độ dẻo chuyển vị thẳng Độ dẻo chuyển vị thẳng là một đại lượng đặc trưng cho mức độ tiêu tán năng lượng động đất của kết cấu Quan điểm trong luận văn này theo tiêu chí tưởng xây chèn trong khung được phép nứt, thậm chí hư hỏng khi động đất xảy ra, và do TXC không phải là kết cấu chịu lực chính của công trình nên tùy mức độ hư hỏng sau động đất sẽ được tiến hành sửa chữa hoặc thay thế (xây mới) Theo quan điểm này, tưởng xây chèn sẽ là “thành trì" đầu tiên động đất phải vượt qua và “tổn hao” năng lượng trước khi tác động rõ rệt đến kết cấu khung là kết cấu chịu lực chính

Như vậy, để chịu được lực quán tính lớn nhất Fmax tác động lên hệ tại thời điểm t khi công trình dao động với gia tốc nền nào đó, công trình phải dao động trong miền đàn hồi hoặc công trình chỉ cần chịu được lực tác động nhỏ hơn Ft,max khi có khả năng biến dạng dẻo Khả năng biến dạng dẻo của kết cấu được đặc trưng qua độ dẻo (độ dẻo biến dạng, độ dẻo uốn, độ dẻo chuyển vị ) Trong phạm vi luận văn, giới thiệu độ dẻo chuyển vị thẳng là đại lượng thích hợp nhất để đánh giá khung có tường xây chèn chịu tác động của động đất

Nguồn: Amr, S Elnashai and Luigi Di Sarno, "Fundamentals of Earthquake

Fu,int: Lực cực hạn của KXC; Fy,inf Lực chảy của KXC; Fu,f Lực cực hạn của khung không chén tương ứng; Fy,f: Lực chảy của khung không chèn tương ứng

Hình 2.20 Định nghĩa chuyển vị chảy và chuyển vị cực hạn Độ dẻo chuyển vị thẳng của KXC xác định như sau:

  ,inf: Độ dẻo chuyển vị thẳng của khung có tường xây chèn

 u : Chuyển vị ngang cực hạn quy ước của khung có tường xây chèn

 y : Chuyển vị ngang khi chảy quy ước của khung có tường xây chèn

Giá trị các chuyển vị giới hạn quy ước Au,f, Ay,f, Au,inf, Ay,inf được nhiều tác giả kiến nghị xác định theo nhiều cách, trong luận văn đề xuất xác định theo hình 2.34 và tham khảo theo tiêu chuẩn ACI 374.2R-13

2.4.3 Hệ số giảm lực tác động (hệ số ứng xử của kết cấu)

Hiện nay để tiện dụng trong tính toán, thiết kế công trình, thay vì tính toán kết cấu ngoài miền đàn hồi, nhiều tiêu chuẩn cho phép tính toán kết cấu trong miền đàn hồi với lực tác động nhỏ hơn với các điều kiện yêu cầu để kết cấu có khả năng biến dạng dẻo Tỉ số giữa lực tác động (F.) và lực thiết kế (Fa) trong một số tiêu chuẩn của Mỹ, Canada gọi là hệ số giảm lực tác động (K), trong tiêu chuẩn việt nam TCVN 9386-1(2012) và Châu âu EN-1998 gọi là hệ số ứng xử (q) e d q K F

So với khung BTCT không chèn, khung BTCT xây chèn có độ cứng lớn hơn nhiều lần nên chu kỳ dao động khá bé Blume đã cho thấy đối với kết cấu có chu kỳ dao động nhỏ (độ cứng lớn) sự suy giảm độ cứng làm giảm khả năng tiêu tán năng lượng khi làm việc ngoài miền đàn hồi tuân theo quy luật cân bằng năng lượng sau: “Dưới tác động của động đất, thể năng của hệ không đàn hồi cân bằng với thể năng của hệ đàn hồi tương ứng"

Trên hình 2.35 thể hiện đường OAD (liền nét), OEH (đứt nét) là sơ đồ đàn dẻo lý tưởng của khung có tường xây chèn và khung không chèn tương ứng TXC được xem là cấu kiện phi kết cấu và sự hư hỏng (nút) của nó chỉ làm suy giảm độ cứng mà không quyết định sự phá hủy của KXC cho đến khi khung phá hủy

+ Thế năng không đàn hồi của khung có TXC: (diện tích của hình OACDL) + Thế năng đàn hồi của hệ kết cấu

⇔ S(KCDL) = S(ABC) : (diện tích của hình OABCK) (2.12)

Nguồn: Blume, J.A, "The Dynamic Behavior of Multistory Building with Various

Hình 2.21 Phản ứng đàn hồi và đàn hồi – dẻo theo giả thuyết cân bằng năng lượng của Blume của kết cấu có một bậc tự do

Mô hình phản ứng của khung xây chèn dưới tác động của động đất trên hình 2.21 cho thấy tường xây chèn ngoài việc nâng cao chuyển vị chảy của khung còn là thành trì đầu tiên ngăn chặn tác động của động đất, làm suy giảm lực động đất trước khi nó tác động vào khung - hệ chịu lực chính của công trình

Từ (2.11) & (2.12) suy ra giá trị A3

Giải phương trình (2.84) xác định được hệ số ứng xử q của khung có TXC

2.4.4 Xác định hệ số ứng xử q của khung có tường xây chèn theo TCVN

9386- 1(2012) “Thiết kế công trình chịu động đất

Giá trị hệ số ứng xử 4 của công trình bê tông cốt thép xây chèn có xét đến ảnh hưởng của độ cản nhớt khác 5% được xác định theo công thức sau:

Trong đó: kw: Hệ số đặc trưng dạng phá hoại (kw=1 đối với hệ khung) qo: Giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, tra theo bảng 5.1-TCVN 9386-1 Đối với hệ khung BTCT thông thưởng q 0 =3  u / l

Ảnh hưởng của tường chèn tới phản ứng của các dầm khung

Khi có tường chèn trong mặt phẳng khung, các lực tương tác khung - tường chèn đã làm thay đổi ứng xử của các cấu kiện khung Các kết quả thí nghiệm trên các hệ khung BTCT có tường chèn đã cho thấy, khi có tường chèn các cột khung thường bị phá hoại uốn hoặc cắt ở hai đầu mút hoặc ở giữa nhịp, còn các dầm khung thường bị cứng lên và rất ít khi bị phá hoại uốn hoặc cắt Ở các khung BTCT được thiết kế theo quan niệm kháng chấn hiện nay, trong đa số trường hợp không quan sát thấy các khe nứt (uốn và cắt) đáng kể ở dầm khi có tường chèn, trái ngược hoàn toàn với các khung trống đối chứng Kết luận chung được rút ra từ các công trình nghiên cứu là sự tương tác khung - tường chèn đã làm cản trở biến dạng dầm khung và đây chính là nguyên nhân chủ yếu làm dầm khung có ứng xử cứng hơn Nhiều tác giả đã gọi hiện tượng này là hiệu ứng bó (confinement effect) do tường chèn gây ra

Như đã đề cập tới ở trên, theo quan niệm kháng chấn hiện nay, dầm có vai trò rất quan trọng trong việc kiểm soát cơ cấu phá hoại dẻo của khung Sự thay đổi ứng xử của dầm khung khi có xét tới lực tương tác với các tường chèn sẽ có ảnh hưởng như thế nào tới việc thỏa mãn điều kiện được thiết lập mà không xét tới lực tương tác này? Để làm rõ vấn đề quan trọng này, phần sau đây sẽ đề cập tới các nghiên cứu về ảnh hưởng của tường chèn tới độ cứng của dầm khung, biểu thị qua độ cong và khả năng chịu uốn của nó, trong các giai đoạn khác nhau dưới tác động động đất

Xét một khung BTCT không có tường chèn (khung trống), một tầng một nhịp, có sơ đồ hình học và chất tải như trong Hình 2.22 Ở sơ đồ này, ngoại lực H sẽ gây ra mômen uốn tại tiết diện đầu mút C của dầm:

= I l (2.25) a) Khung trống; b) Khung có tường chèn; c) Sơ đồ tính toán khung xét tới tương tác với tường chèn

Hình 2.22 Các sơ đồ tính toán khung Tương ứng với mômen uốn này, độ cong của dầm tại đầu mút C sẽ có giá trị:

Khi có tường chèn, theo phương pháp mô hình vĩ mô một dải chéo, sơ đồ tính toán khung chèn đang xét được cho trong Hình 2.22 Với sơ đồ tính toán này, dưới tác động của lực ngang H, trong dải chéo tương đương tiết diện wmtm sẽ phát sinh lực nén Rm Trong điều kiện này, có thể thay sơ đồ tính toán khung chèn ở Hình 2.22b bằng một sơ đồ tính toán tương đương như trong Hình 2.22c, là một khung trống như Hình 2.22a nhưng chịu lực tác động bằng (H - Vm), trong đó Vm là hình chiếu theo phương ngang của lực nén Rm, biểu thị phần ngoại lực H do tường chèn chịu Với sơ đồ tính toán mới này, mômen uốn tại đầu mút C của dầm sẽ như sau:

+ (2.27) còn độ cong của dầm tại đầu mút C:

+ (2.28) trong đó EcIb là độ cứng chống uốn của dầm khung, còn ω là thông số xác định theo (2.28)

Như vậy, khi có tường chèn độ cong của trục dầm đã giảm xuống so với khi không có tường chèn Điều này có nghĩa là sự tương tác khung - tường chèn đã làm cho dầm khung cứng lên Nói cách khác, do xét tới tương tác khung - tường chèn dưới tác động ngang, độ cứng chống uốn của dầm đã tăng lên: EcIbm > EcIb, trong đó

Ibm là mômen quán tính của tiết diện dầm khung khi có xét tới tương tác với tường chèn (Ibm > Ib) Gọi dầm khung khi có xét tới tương tác với tường chèn là dầm tương đương Với độ cứng EcIbm mới này, độ cong của dầm khung tương đương tại đầu mút C khi chịu lực ngang H sẽ được xác định theo biểu thức tương tự:

Xét tỷ số giữa các thông số xác định theo (2.29) và (2.30), ta được hệ số kIb biểu thị sự gia tăng độ cứng chống uốn (mômen quán tính) của dầm khung tương đương khi có xét tới tương tác với tường chèn: bm m

Cân bằng các độ cong (3.6) và (3.7), ta được phương trình sau:

Từ (3.10), rút ra mối quan hệ sau:

Có thể thiết lập mối quan hệ giữa Vm và H từ việc cân bằng chuyển vị ngang của khung chèn dưới tác động của lực (H - Vm) ở sơ đồ Hình 2.22c với chuyển vị ngang của tường chèn do biến dạng dọc trục của dải chéo tương đương chịu lực Rm Dưới tác động của lực ngang (H - Vm), chuyển vị ngang của khung chèn ở cao trình trục dầm sẽ như sau:

+ (2.34) còn chuyển vị ngang của tường chèn trong khung dưới tác động của lực Rm: cos m m

 =  (2.35) trong đó Δmθ là chuyển vị nén dọc trục của dải chéo tương đương: w w cos m m m m m m m m m m m

Cân bằng các chuyển vị ngang xác định theo (2.34) và (2.36), ta thiết lập được mối quan hệ sau giữa các lực ngang H và Vm:

Từ đó, rút ra hệ số gia tăng mômen quán tính của dầm khung khi có xét tới tương tác với tường chèn kIb xác định theo (2.31):

Tại thời điểm cực hạn khi tường chèn bắt đầu mất khả năng chịu lực (n =1,0), bề rộng wm của dải chéo tương đương sẽ bằng wm0 Do đó, hệ số gia tăng độ cứng chống uốn của dầm khung khi có xét tới tương tác với tường chèn tại thời điểm tường chèn đạt độ bền cực hạn, sẽ được xác định theo biểu thức sau:

Theo (2.40), hệ số kIbu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: kích thước hình học của khung và tường chèn (l, h, tm, dm), mômen quán tính tiết diện cột và dầm khung (Ic,

Ib), bề rộng dải chéo tương đương (wm0), các tính năng cơ lý vật liệu bê tông và khối xây Để có một khái niệm định lượng về độ lớn của hệ số kIbu, giả thiết các mômen quán tính của cột (Ic) và của dầm (Ib), các đặc tính cơ lý của bê tông và khối xây, bề dày của tường chèn không thay đổi, kết quả tính toán theo (2.40) cho thấy, với các tỷ số hình dạng h/l thường gặp trong phạm vi từ 0,5 đến 1,0, hệ số kIbu thay đổi trong phạm vi từ 2,0 đến 3,6

Từ biểu thức (2.40) ta thấy, ở TTGH cực hạn của tường chèn, mômen quán tính của dầm khung khi có xét tới tương tác với tường chèn, đã được tăng lên kIbu lần: Ibmu= kIbuIb Điều này cũng có nghĩa là, ở TTGH cực hạn của tường chèn, chiều cao tiết diện của dầm khung sẽ có một trị số mới, gọi là chiều cao tiết diện tương đương được xác định theo biểu thức sau:

3 bmu b Ibu h =h k (2.41) Đối với các khung BTCT được thiết kế theo các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay (không xét tới tương tác với các tường chèn) đề cập tới ở trên, khả năng chịu uốn của các dầm khung theo chiều âm M Rb − và theo chiều dương M Rb + của tác động động đất trong phương đang xét (Hình 2.23), được xác định tương ứng theo các biểu thức Khi có xét tới tương tác với các tường chèn, do chiều cao của tiết diện dầm khung được gia tăng thành chiều cao tương đương hbmu, nên khả năng chịu uốn của dầm khung cũng sẽ được gia tăng tương ứng thành các trị số mới M Rbmu − và

Hình 2.23 Mô men uốn tại nút khung Trong trường hợp tổng quát, trong phương tác động động đất đang xét, tại một nút khung khi không xét tới tương tác với các tường chèn:

 (2.42) còn khi có xét tới tương tác với các tường chèn:

Như vậy, trong chiều tác động động đất đang xét và tại thời điểm cực hạn khi tường chèn bắt đầu mất khả năng chịu lực (n =1,0), tổng khả năng chịu uốn của các dầm ở một nút khung khi có xét tới tương tác với tường chèn, sẽ lớn hơn so với ở khung được thiết kế theo các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay (không xét tới tương tác với tường chèn), qua hệ số gia tăng khả năng chịu uốn của dầm như sau:

Tóm tắt chương 2

Kết cấu khung có tường xây chèn đã được nghiên cứu từ nửa cuối thế kỷ 20, khởi đầu bởi Polyakov qua để xuất thay thế tường xây chèn bằng một thanh chéo tương đương và xét ứng xử của kết cấu trong giai đoạn đàn hồi Ý Tưởng này sau đó được nhiều nhà nghiên cứu khác tiếp tục phát triển và mở rộng cho ứng xử sau đàn hồi với các mô hình cải tiến khác nhau như tam tuyến tính, đa tuyến tính, ba thanh chéo tương đương

Giải quyết bài toán khung có tường xây chèn bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cũng đạt được kết quả vượt bậc kể từ mô hình tính đầu tiên do Mallick và Severn (2) đề xuất năm 1967 Mô hình này chưa mô phỏng được tương tác giữa tường xây chèn và khung xung quanh (tường xây chèn và khung luôn dính với nhau trong quá trình chịu tải, không phù hợp với ứng xử thực tế là có thể tách rời nhau) nên chỉ phù hợp khi tải trọng nhỏ Hiện nay phương pháp PTHH sử dụng phần tử tiếp xúc (contact element) mô phỏng tương tác giữa TXC và khung về nguyên tắc có thể mô phỏng khá chính xác ứng xử của khung có tường xây chèn trong cả giai đoạn đàn hồi và sau đàn hồi, tuy nhiên tốn nhiều thời gian, tài nguyên máy và công sức nên áp dụng trong thực tiễn còn nhiều bất cập.

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TƯỜNG XÂY CHÈN ĐẾN ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG YẾU (SOFT STORY) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Thông tin mô hình phân tích

3.1.1 Mô hình và trường hợp phân tích Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là công trình mô phỏng chung cư có tường xây chèn điển hình chịu tải trọng động đất Công trình có quy mô 20 tầng nổi Kết cấu chịu lực chính là khung sàn bê tông cốt thép, bước nhịp điển hình từ 7m, chiều cao tầng điển hình và tầng yếu là 3.5m Sàn bê tông cốt thép điển hình dày 150mm, cặt cắt dầm, cột có kích thước tiết diện lần lượt là 300x600mm, 1000x1000mm Bê tông sử dụng trong công trình có cấp độ bền B30 Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đề ra, đề tài tiến hành phân tích đặc trưng động lực học của công trình (tần số và mode dao động) và phản ứng của công trình khi chịu tác động của tải trọng động đất với 05 trường hợp:

+ TH1: Không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán

+ TH2: Có xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và tầng 1 không có tường xây chèn ( xem xét là tầng yếu)

Hình 3.1 Mặt bằng mô hình phân tích

Hình 3.2 Mô hình 3D kết cấu công trình trường hợp điển hình

Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3

Trường hợp 4 Trường hợp 5 Hình 3.3 Mô hình kết cấu công trình trong 5 trường hợp phân tích

Mô hình khung BTCT có các chân cột được xem là ngàm cứng với móng Hình 3.2 trình bày mô hình kết cấu khung BTCT có tầng một là tầng yếu với chân cột là ngàm cứng do không xét tương tác SSI Tầng 1(TH2), tầng 5 (TH3), tầng 10 (TH4) và tầng 15 (TH5) không có các vách ngăn, trong khi các tầng trên có các vách ngăn làm việc cùng kết cấu Phần kết cấu khung BTCT được mô phỏng bằng các phần tử dầm và cột có trong phần mềm Etabs 2016 Các đặc trưng của vật liệu (bê tông và cốt thép) dùng cho việc mô phỏng các phần tử dầm và cột BTCT được trình bày trong phần Mô hình và trường hợp phân tích

Về khối lượng, tất cả khối lượng của công trình trong hai trường hợp phân tích được quy đổi như nhau (do tải trọng bản thân, hệ tường xây, hoạt tải…), do đó ma trận khối lượng của hai trường hợp phân tích là không thay đổi trong quá trình tính toán Đề tài tập trung vào sự ảnh hưởng của độ cứng hệ tường xây đến các đặc trưng động lực học của công trình (tần số, mode dao động) và phản ứng của công trình (nội lực, chuyển vị…) của hệ kết cấu công trình khi chịu tải trọng động

Khi phân tích ứng xử công trình chịu động đất theo miền thời gian, phương pháp tích phân trực tiếp phương trình chuyển động được áp dụng với dữ liệu gia tốc nền được tham khảo từ trận động đất Elcentro (1940) Chương trình phân tích kết cấu được sử dụng là phần mềm chuyên dụng ETABS

Hình 3.4 Khai báo gia tốc nền động đất vào trong mô hình

3.2 Đặc trưng vật liệu tường gạch xây

Thông số đặc trưng vật liệu của gạch bao gồm Module đàn hồi E và hệ số Poisson  được tính toán dựa theo TCVN 5573 – 2011 Kết cấu gạch đá và gạch đá cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế

Module đàn hồi của khối xây gạch không có cốt thép được tính theo Mục 7.2.1:

: là đặc trưng đàn hồi của khối xây không có cốt thép Với gạch đất sét  500

Rtb: là cường độ chịu nén trung bình của khối xây R tb =kR, k = 2

R: là cường độ chịu nén tính toán của khối xây gạch, tra theo Bảng 3.1

Bảng 3.1 Cường độ chịu nén tính toán, R, của khối xây gạch các loại

E0 = kRP0 2 1.4 1400 MPa  Hệ số Poisson của khối xây gạch được xác định từ lý thuyết đàn hồi dựa vào Module trượt G = 0.4E0 theo Mục 7.2.8, từ đó tính được:

Hình 3.5 Khai báo vật liệu tường gạch vào trong mô hình tính toán

Kết quả phân tích

3.3.1 Chu kỳ dao động của mô hình

Kết quả phân tích đặc trưng động lực học của công trình (chu kỳ và mode dao động) với 05 trường hợp được thể hiện trong bảng 3.1 Việc phân tích các đặc trưng động lực học của công trình dựa vào việc giải hệ phương trình trị riêng (phương trình tần số):

Về khối lượng, tất cả khối lượng của công trình trong 5 trường hợp phân tích được quy đổi như nhau (do tải trọng bản thân, hệ tường xây, hoạt tải…), do đó ma trận khối lượng của 5 trường hợp phân tích là không thay đổi trong quá trình tính toán Đề tài tập trung vào sự ảnh hưởng của độ cứng hệ tường xây có xét đến tầng yếu đến các đặc trưng động lực học của công trình và phản ứng của công trình của hệ kết cấu công trình khi chịu tải trọng động đất

Bảng 3.2 Chu kỳ dao động của các mode của công trình trong 5 trường hợp

Mode TH1 (s) TH2 (s) TH3 (s) TH4 (s) TH5 (s)

Hình 3.6 Chu kỳ dao động của công trình trong 5 trường hợp

Qua bảng tổng hợp 3.2 và hình 3.6 chu kỳ dao động của 5 trường hợp phân tích cho thấy chu kỳ dao động của trường hợp không xét độ cứng tường xây (TH1) lớn hơn rất nhiều so với các trường hợp có kể đến độ cứng tường xây, giá trị chênh lệch so với TH1 từ 41.54% đến 61.35%

Trong trường hợp công trình có kể đến trường xây chèn và tầng yếu thì vị trí của tầng yếu không ảnh hưởng nhiều đến chu kỳ dao động của công trình, giá trị chênh lệnh từ 0.21% đến 3.17%

3.3.2 Dạng dao động của công trình

Trường hợp 4 Trường hợp 5 Hình 3.7 Dạng dao động thứ nhất (mode 1) của công trình trong 5 trường hợp

Trường hợp 4 Trường hợp 5 Hình 3.8 Dạng dao động thứ hai (mode 2) của công trình trong 5 trường hợp

Trường hợp 4 Trường hợp 5 Hình 3.9 Dạng dao động thứ ba (mode 3) của công trình trong 5 trường hợp

Trường hợp 4 Trường hợp 5 Hình 3.10 Dạng dao động thứ bốn (mode 4) của công trình trong 5 trường hợp

Trường hợp 4 Trường hợp 5 Hình 3.11 Dạng dao động thứ năm (mode 5) của công trình trong 5 trường hợp

3.3.3 Phản ứng chuyển vị tầng

Hình 3.12 Chuyển vị tầng theo phương X của công trình trong 5 trường hợp

Hình 3.13 Chuyển vị tầng theo phương Y của công trình trong 5 trường hợp

Dựa vào hình 3.12 và hình 3.13 ta thấy:

- Chuyển vị đỉnh của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho chuyển vị lớn nhất, giá trị chênh lệch giữa TH1 và TH2, TH3, TH4, TH5 là rất lớn, cụ thế:

• Chênh lệch giữa TH1 và TH2 là từ 6.12% đến 65.38%

- Trường hợp khi công trình với mô hình phân tích có xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán thì giá trị chuyển vị đỉnh có giá trị gần như nhau, ít phụ thuộc vào vị trí tầng yếu

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét chuyển vị đỉnh tại tầng 20 thì khi bố trí tầng yếu tại vị trí tầng 5 sẽ cho chuyển vị đỉnh nhỏ nhất (vị trí khoảng 1/4H), khi bố trí tầng yếu tại vị trí tầng 15 sẽ cho chuyển vị đỉnh lớn nhất (vị trí khoảng 3/4H)

3.3.4 Phản ứng chuyển vị lệch tầng

Hình 3.14 Độ lệch tầng theo phương X của công trình trong 5 trường hợp

Hình 3.15 Độ lệch tầng theo phương Y của công trình trong 5 trường hợp

- Độ lệch tầng của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy độ lệch tầng là nhất, giá trị chênh lệch giữa TH1 và TH2, TH3, TH4, TH5 là rất lớn, cụ thế:

- Độ lệch tầng trong TH1 sẽ tăng tầng từ tầng 1 đến tầng 8 và giảm dần từ tầng

- Trường hợp khi công trình với mô hình phân tích có xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán thì giá trị độ lệch tầng có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào vị trí tầng yếu Tại các vị trí bố trí tầng yếu độ lệch tầng có bước nhảy lớn

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét độ lệch tầng tại các vị trí bố trí tầng yếu ta thấy khi tầng yếu bố trí tại tầng 10 (vị trí khoảng 1/2H) sẽ cho độ lệch tầng nhỏ nhất, khi bố trí tầng yếu tại tầng 5 (vị trí khoảng 1/4H) sẽ cho độ lệch tầng lớn nhất.

Phản ứng nội lực tác dụng lên tầng

Hình 3.16 Lực cắt lên tầng theo phương X của công trình trong 5 trường hợp

Hình 3.17 Lực cắt lên tầng theo phương Y của công trình trong 5 trường hợp

- Lực cắt lên tầng của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy lực cắt tầng nhỏ hơn trong khoảng từ tầng 1 đến tầng 6 và từ tầng 11 đến tầng 20 Riêng trong khoảng từ tầng 7 đến tầng 10 lại cho giá trị lớn hơn trường hợp khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và kể đến vị trí của tầng yếu Giá trị chênh lệch trên 28.48%

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét lực cắt tầng tại các vị trí bố trí tầng yếu ta thấy khi tầng yếu bố trí tại tầng 5 (vị trí khoảng 1/4H) sẽ cho lực cắt tầng nhỏ nhất, khi bố trí tầng yếu tại tầng 1 sẽ cho lực cắt tầng lớn nhất

- Dạng biểu đồ của lực cắt khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và vị trí tầng yếu cho biểu đồ gần như giống nhau

- Lực cắt lên tầng của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy lực cắt tầng nhỏ hơn trong khoảng từ tầng 1 đến tầng 6 và từ tầng 11 đến tầng 18 Riêng trong khoảng từ tầng 7 đến tầng 10 và từ tầng 19 đến tầng 20 lại cho giá trị lớn hơn trường hợp khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và kể đến vị trí của tầng yếu Giá trị chênh lệch trên 26.65%

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét lực cắt tầng tại các vị trí bố trí tầng yếu ta thấy khi tầng yếu bố trí tại tầng 15 (vị trí khoảng 3/4H) sẽ cho lực cắt tầng nhỏ nhất, khi bố trí tầng yếu tại tầng 10 (vị trí khoảng 1/2H) sẽ cho lực cắt tầng lớn nhất

- Dạng biểu đồ của lực cắt khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và vị trí tầng yếu cho biểu đồ gần như giống nhau

Hình 3.18 Moment xoắn lên tầng theo phương X của công trình trong 5 trường hợp

Hình 3.19 Moment xoắn lên tầng theo phương Y của công trình trong 5 trường hợp

- Moment xoắn lên tầng của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy moment xoắn tầng nhỏ hơn trong khoảng từ tầng 1 đến tầng 17 Riêng trong khoảng từ tầng

18 đến tầng 20 lại cho giá trị lớn hơn trường hợp khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và kể đến vị trí của tầng yếu Giá trị chênh lệch trên 43.69%

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét moment xoắn tầng tại các vị trí bố trí tầng yếu ta thấy khi tầng yếu bố trí tại tầng 5 (vị trí khoảng 1/4H) sẽ cho moment xoắn tầng nhỏ nhất, khi bố trí tầng yếu tại tầng 10 (vị trí khoảng 1/2H) sẽ cho moment xoắn tầng lớn nhất

- Dạng biểu đồ của moment xoắn khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và vị trí tầng yếu cho biểu đồ gần như giống nhau

- Moment xoắn lên tầng của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy moment xoắn tầng nhỏ hơn trong khoảng từ tầng 1 đến tầng 6 và từ tầng 11 đến tầng 18 Riêng trong khoảng từ tầng 7 đến tầng 10 và từ tầng 19 đến tầng 20 lại cho giá trị lớn hơn trường hợp khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và kể đến vị trí của tầng yếu Giá trị chênh lệch trên 26.65%

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét moment xoắn tầng tại các vị trí bố trí tầng yếu ta thấy khi tầng yếu bố trí tại tầng 15 (vị trí khoảng 3/4H) sẽ cho moment xoắn tầng nhỏ nhất, khi bố trí tầng yếu tại tầng 10 (vị trí khoảng 1/2H) sẽ cho moment xoắn tầng lớn nhất

- Dạng biểu đồ của moment xoắn khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và vị trí tầng yếu cho biểu đồ gần như giống nhau

Hình 3.20 Moment lên tầng theo phương X của công trình trong 5 trường hợp

Hình 3.21 Moment lên tầng theo phương Y của công trình trong 5 trường hợp

- Moment lên tầng của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy moment tầng nhỏ hơn trường hợp khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và kể đến vị trí của tầng yếu Riêng TH4 trong khoảng từ tầng 1 đến tầng 3 lại cho giá trị lớn hơn Giá trị chênh lệch trên 26.42%

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét moment tầng tại các vị trí bố trí tầng yếu ta thấy khi tầng yếu bố trí tại tầng 10 (vị trí khoảng 1/2H) sẽ cho moment tầng nhỏ nhất, khi bố trí tầng yếu tại tầng 1 sẽ cho moment tầng lớn nhất

- Dạng biểu đồ của moment tầng khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và vị trí tầng yếu cho biểu đồ gần như giống nhau

- Moment lên tầng của công trình với mô hình phân tích của TH1 khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy moment tầng nhỏ hơn trường hợp khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và kể đến vị trí của tầng yếu Giá trị chênh lệch trên 35.23%

- Khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán, xem xét moment tầng tại các vị trí bố trí tầng yếu ta thấy khi tầng yếu bố trí tại tầng 10 (vị trí khoảng 1/2H) sẽ cho moment tầng nhỏ nhất, khi bố trí tầng yếu tại tầng 5 (vị trí khoảng 1/4H) sẽ cho moment tầng lớn nhất

- Dạng biểu đồ của moment tầng khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và vị trí tầng yếu cho biểu đồ gần như giống nhau.

Lực cắt đáy

Hình 3.22 Lực cắt đáy của công trình trong 5 trường hợp

Qua biểu đồ lực cắt đáy công trình trong 5 trường hợp cho thấy:

- Khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán (TH1) thì lực cắt đáy đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm 4.8s, giá trị đạt được là 5700.60 (T), giá trị nhỏ nhất tại thời điểm 15.0s, giá trị đạt được là -5818.47 (T)

- Khi công trình có xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và tầng 1 không có tường xây chèn (xem xét là tầng yếu) (TH2) thì lực cắt đáy đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm 6.6s, giá trị đạt được là 9052.34 (T), giá trị nhỏ nhất tại thời điểm 5.6s, giá trị đạt được là -10942.0 (T)

- Khi công trình có xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và tầng 15 không có tường xây chèn (xem xét là tầng yếu) (TH5) thì lực cắt đáy đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm 6.8s, giá trị đạt được là 8802.48 (T), giá trị nhỏ nhất tại thời điểm 5.6s, giá trị đạt được là -10480.0 (T).

Kết luận chương 3 76 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ

Qua kết quả phân tích của các trường hợp cho thấy việc có xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán là cần thiết Tường xây chèn ảnh hưởng trực tiếp đến chu kỳ dao động của công trình Giá trị chuyển vị và độ lệch tầng của công trình giảm đáng kể Bên cạnh đó nội lực do tải trọng động đất được tính toán theo miền thời gian tác động lên tầng tăng so với trường hợp không xét đến tường xây Vị trí của tầng yếu tham gia vào công trình không đá kể, chủ yếu ảnh hưởng đến độ lệch tầng của công trình

• Qua phân tích mô phỏng trong luận văn đã minh chứng khả năng chịu lực ngang của khung có kể đến độ cứng của tường xây trong tính toán với các vị trí bố trí tầng yếu khác nhau đều lớn hơn đáng kể trường hợp không kể đến độ cứng của tường xây trong tính toán

- Chu kỳ dao động của trường hợp không xét độ cứng tường xây lớn hơn rất nhiều so với các trường hợp có kể đến độ cứng tường xây, giá trị chênh lệch từ 41.54% đến 61.35% Trong trường hợp công trình có kể đến trường xây chèn và tầng yếu thì vị trí của tầng yếu không ảnh hưởng nhiều đến chu kỳ dao động của công trình

- Các dạng dao động của công trình qua các trường hợp phân tích có sự tương tự nhau

- Chuyển vị đỉnh của công trình khi không xét tới độ cứng của tường xây cho chuyển vị lớn hơn khoảng 6.12% đến 65.79% so với trường hợp có xét tới độ cứng của tường xây, chuyển vị tầng ít phụ thuộc vào vị trí tầng yếu trong công trình

- Độ lệch tầng của công trình khi công trình không xét tới độ cứng của tường xây cho thấy độ lệch tầng hơn khoảng 6.12% đến 74.25% so với trường hợp có xét tới độ cứng của tường xây, chuyển vị tầng ít phụ thuộc vào vị trí tầng yếu trong công trình Trường hợp công trình có xét tới độ cứng của tường xây thì giá trị độ lệch tầng có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào vị trí tầng yếu Tại các vị trí bố trí tầng yếu độ lệch tầng có bước nhảy lớn

- Nội lực tác dụng lên từng tầng (lực cắt, moment xoắn, moment tầng) trường hợp công trình không xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán cho thấy nội lực tầng nhỏ hơn trong khoảng từ tầng 1 đến tầng 6 và từ tầng 11 đến tầng 20 Riêng trong khoảng từ tầng 7 đến tầng 10 lại cho giá trị lớn hơn trường hợp khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và kể đến vị trí của tầng yếu

- Dạng biểu đồ của nội lực khi xét tới độ cứng của tường xây trong tính toán và vị trí tầng yếu cho biểu đồ gần như giống nhau

• Trong tính toán công trình khung BTCT có tường xây chèn, cần thiết phải xét thêm tổ hợp tải trọng có kể độ cứng của của tường xây trong tính toán để xác định đầy đủ các trường hợp nguy hiểm có thể xảy ra cho công trình

• Các công trình xây dựng khung BTCT chịu tải trọng ngang tác động lên công trình cần phải kể đến độ cứng của tường xây chèn và tầng yếu khi tính toán, lưu ý tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu tại các tầng yếu của công trình Bỏ qua độ cứng tường xây chèn và tầng yếu trong công trình sẽ không an toàn và gây lãng phí chi phí xây dựng

• Khi thiết kế công trình chịu tải trọng ngang sử dụng tường xây chèn, cần phải lập chỉ dẫn kỹ thuật thi công, nghiệm thu tường xây chèn như cấu kiện chịu lực của công trình

• Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hình học của tưởng xây chèn (l, h, t) đến ứng xử của hệ khung – tường, xác định ‘tỉ lệ vàng’ giữa ba tham số chiều dài (I), chiều cao (h) và bề dày (t) của tưởng xây chèn.

Tiêu đề	Phân Tích Ảnh Hưởng Tường Xây Chèn Đến Ứng Xử Của Kết Cấu Nhà Cao Tầng Có Tầng Yếu (Soft Story) Chịu Tải Trọng Động Đất
Tác giả	Hồ Nguyễn Viết Nam
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hồng Ân
Trường học	Trường Đại Học Lạc Hồng
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Xây Dựng
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Xây Dựng
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Đồng Nai

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	4,37 MB