phân tích ảnh hưởng của hệ giằng đến ứng xử của nhà công nghiệp chịu tải trọng động đất

LỜI CẢM ƠN Sau quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Lạc Hồng, dưới sự giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, được sự cố

TỔNG QUAN HỆ GIẰNG NHÀ THÉP VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Hệ giằng

Trong một tòa nhà đa tầng, hệ thống dầm và cột thường được sắp xế theo kiểu mô hình trực giao cả về mặt đứng và mặt ngang Trong cấu trúc khung giằng, khả năng chịu lực ngang thường được cung cấp bởi hai hệ giằng chính:

Thanh giằng dọc: Hệ giằng nằm trong mặt phẳng thẳng đứng (giữa các dòng cột) giúp định hình lối tải để chuyển lực ngang xuống mặt đất và đảm bảo sự ổn định ngang

Thanh giằng ngang: Ở mỗi tầng, hệ giằng nằm trong mặt phẳng ngang, thường được tạo ra bởi tác động của tấm sàn, tạo ra một đường tải để truyền các lực ngang (đặc biệt là từ các cột chu vi và tác động của gió) tới các mặt phẳng của giằng thẳng đứng Đối với khả năng chống xoắn quanh trục thẳng đứng và để tạo ra lực cản trong cả hai hướng trong mặt phẳng, cần ít nhất ba mặt phẳng giằng thẳng đứng (ít nhất một mặt phẳng theo mỗi hướng trực giao) Thông thường, có nhiều hơn ba vị trí được sử dụng

Hệ giằng dọc, được biểu diễn dưới dạng các thành phần thép chéo, đảm bảo sự ổn định trong tòa nhà đa tầng, như minh họa trong hình dưới

Việc đặt giằng gần các điểm xa nhất của cấu trúc là lựa chọn tốt nhất để chống lại tác động xoắn

Khi các bộ giằng giống nhau hoặc tương tự nhau, có thể giả định rằng các lực ngang được phân phối đều giữa các hệ giằng trong hệ thống giằng chính

Tuy nhiên, lực phân bố lên các hệ giằng thẳng đứng có thể không đều nếu độ cứng của chúng khác nhau hoặc chúng được đặt không đối xứng Trong trường hợp này, lực tác động lên mỗi hệ giằng có thể được tính toán giả định rằng sàn là dầm cứng còn hệ giằng là lò xo hỗ trợ.

Trong nhà nhiều tầng có giằng, các mặt phẳng giằng thẳng đứng thường được cung cấp bằng giằng chéo giữa hai đường cột

Chú ý rằng khi sử dụng các đường chéo và giả sử chỉ có các đường chéo kéo mới tạo ra lực cản, các dầm sàn tham gia như một phần của hệ thống giằng (thực tế, tạo ra một giàn Pratt thẳng đứng với các đường chéo chịu lực căng và các trụ - dầm sàn - ở trạng thái nén)

Hệ giằng dọc cần được thiết kế để chịu các lực từ:

Lực ngang tương đương, biểu thị ảnh hưởng của các khuyết tật ban đầu

Hiệu ứng bậc hai do lắc lư (nếu khung nhạy cảm với hiệu ứng bậc hai)

Hướng dẫn xác định các lực ngang tương đương và xem xét các hiệu ứng bậc hai được thảo luận trong các phần dưới đây và công cụ thiết kế ổn định khung cũng có sẵn

Lực trong từng phần của hệ thống giằng cần được xác định để có sự kết hợp tác động thích hợp Đối với các cấu kiện giằng, lực thiết kế do sự kết hợp trong đó tải trọng động đất là tác động chính có thể là lực nguy hiểm nhất

Nếu có thể, nên sử dụng các thanh giằng nghiêng khoảng 45° Điều này mang lại một hệ thống hiệu quả với lực thành phần tương đối khiêm tốn so với các cách bố trí khác và có nghĩa là các chi tiết kết nối ở nơi hệ giằng gặp các mối nối dầm/cột sẽ nhỏ gọn hơn Hệ giằng hẹp với các bộ phận bên trong nghiêng dốc sẽ làm tăng độ nhạy lắc của kết cấu Hệ thống giằng rộng sẽ mang lại kết cấu ổn định hơn

Cần có một hệ giằng ngang ở mỗi tầng để truyền lực ngang, đặc biệt là các lực truyền từ các cột chu vi, sang các mặt phẳng của giằng thẳng đứng để tạo ra khả năng chịu lực ngang

Trong khung giằng nhiều tầng, thường sử dụng hai loại hệ giằng ngang sau đây:

Giằng khung: Đây là hệ giằng ngang trong mặt phẳng, thường được đặt giữa các đường cột Chúng cung cấp đường dẫn tải để truyền lực ngang xuống mặt đất và giữ cho kết cấu ổn định ngang

Hệ giằng tam giác rời rạc là hệ thống giằng ngang do tác động của sàn, tạo đường dẫn tải chịu lực ngang từ cột chu vi và tác động của gió tới các mặt phẳng của giằng thẳng đứng.

Thường thì, hệ thống sàn sẽ đủ để hoạt động như một màng ngăn mà không cần thêm giằng thép Tuy nhiên, ở tầng mái, hệ giằng, thường được gọi là dầm gió, có thể cần chịu lực ngang ở đỉnh cột nếu không có giằng khung

Hình 1.2 Hệ giằng ngang (trên mái) trong nhà một tầng

Cấu tạo các hệ giằng cho nhà cao tầng kết cấu thép

Các giằng chéo có ảnh hưởng cản trở đến quy hoạch kiến trúc và có thể sinh ra khó khăn trong việc tổ chức không gian bên trong và tổ chức giao thông cũng như trong bố trí cửa đi, cửa sổ Vì vậy giằng thường được bố trí tập trung trong một số bộ phận kết cấu như lõi để giảm thiểu hạn chế cản trở kiến trúc trong khi vẫn thoả mãn yêu cầu kết cấu về chịu lực ngang và chịu xoắn của nhà Ở nhiều vị trí, kiểu của giằng được lựa chọn chủ yếu từ cơ sở cho phép bố trí cửa

Trong các nhà có chiều cao nhỏ đến trung bình không mảnh các kỹ sư có thể bố trí hệ thống giằng ở những vị trí không ảnh hưởng đến yếu tố kiến trúc Trong kết cấu mảnh có chiều cao trung bình hay lớn vị trí của hệ thống chịu lực ngang là rất quan trọng Do đó, kỹ sư và kiến trúc sư cần phối hợp với nhau trong các giai đoạn ban đầu của thiết kế Các dạng kết cấu giằng có hiệu quả và ít cản trở đến kiến trúc nhưng cấu tạo của chúng có thể gây uốn trong dầm Một số chúng lại gây ra mô men uốn cả trong dầm và cột Nói chung, các kiểu giằng gây ra mô men uốn trong dầm và cột khi chịu lực ngang có độ cứng ngang không lớn và, do đó, có hiệu quả kém hơn kết cấu giàn tam giác – là kết cấu chỉ gây ra lực dọc Ứng xử của kết cấu giằng do tải trọng ngang trong kết cấu nhà có tính đảo chiều nên các bộ phận của hệ thống giằng sẽ tuỳ theo chiều tải trọng, chịu kéo và nén và cũng vì vậy chúng cần được thiết kế theo trường hợp chịu nén – là trường hợp nguy hiểm hơn Vì lý do này, các hệ thống giằng có các thanh giằng ngắn, ví dụ kiểu chữ K, có thể được ưu tiên hơn là kết cấu có chiều dài toàn đường chéo Thanh giằng chịu nén trong kết cấu hai giằng chéo có thể được giả định là mất ổn định và lực cắt sẽ được chịu bởi các thanh giằng chéo chịu kéo Lợi thế quan trọng của các kết cấu giằng dạng tam giác là mô men và lực cắt trong dầm không phụ thuộc tải trọng ngang Kết quả là kết cấu khung chỉ chịu lực đứng nên có thể cấu tạo tương tự nhau giữa các tầng từ dưới lên dẫn đến kinh tế trong thiết kế

Hình 1.3 Các kiểu kết cấu giằng

Trong kết cấu giằng có các thanh chéo được nối với dầm ở những vị trí cách khá xa đầu dầm (Hình 1.3.f-g), dầm nên được thiết kế như là dầm liên tục qua liên kết để giảm chi phí cho kết cấu giằng Một lợi thế khác của kết cấu giằng này là, do các thanh giằng được nối một hoặc cả hai đầu vào dầm nên mềm hơn theo phương đứng dẫn đến không chịu nhiều lực khi cột ngắn lại do lực đứng Hệ thống giằng lệch tâm là hệ thống mà các thanh giằng không nối với nút chính có thể được thiết kế trong kết cấu khung thép có yêu cầu tính dẻo cao để chịu động đất

Trong kết cấu này, giằng làm việc đàn hồi khi chịu gió hay động đất nhỏ Khi chịu vượt tải hay các trận động đất lớn liên kết ngắn trong dầm nối giằng với cột làm việc như một “cầu chì” với biến dạng chảy do cắt để tạo ra ứng xử dẻo cho kết cấu Kết cấu giằng kiểu đảm bảo cho kết cấu có độ cứng đàn hồi lớn đồng thời có khả năng phân tán năng lượng phi đàn hồi và có thể chịu được nhiều vòng lặp của tải trọng Vai trò của các “thanh bụng” để chịu lực cắt trong kết cấu khung giằng có thể được thể hiện bằng dòng lực cắt được truyền giữa các tầng Hình 1.4 thể hiện 4 dạng giằng chịu lực ngang Bỏ qua hiệu ứng nhỏ của lực ngang tác dụng cục bộ trên từng tầng, sự truyền theo phương đứng của lực ngang tổng thể có thể được thể hiện trên hình này Trên Hình 1.4a, thanh chéo ở từng tầng chịu nén làm cho dầm chịu kéo Biến dạng co ngắn trên thanh giằng và biến dạng giãn trên dầm gây ra biến dạng cắt cho kết cấu

Hình 1.4 Sự phân bố dòng lực ngang qua các tầng

(a) Kết cấu giằng đơn, (b) kết cấu giằng kép, (c) kết cấu chữ K,

Trên Hình 1.4b, nội lực trong các giằng nối từng dầm cân bằng nhau theo phương ngang làm cho dầm chịu lực dọc không đáng kể Trên Hình 1.4c, một nửa dầm chịu nén và nửa còn lại chịu kéo Trên Hình 1.4d, các phần cuối của dầm chịu kéo và chịu nén và toàn dầm chịu uốn hai phía Khi lực ngang đổi chiều, nội lực và biến dạng trong các bộ phận kết cấu giằng cũng sẽ đổi dấu

Hình 1.5 Sự làm việc của giằng khi chịu lực đứng

Vai trò, nếu có của các thanh bụng trong kết cấu giằng khi chịu nén do kết cấu biến dạng theo phương đứng do tải trọng đứng cũng được xác định tương tự Khi cột trên Hình 1.5a và Hình 1.5b bị ngắn lại, các thanh chéo bị nén Trên Hình 1.5c, các đầu dầm không nối với giằng sẽ không có liên kết mô men với cột Do đó, dầm không thể tạo ra ràng buộc theo phương ngang để sinh ra nội lực trong thanh giằng chéo Tương tự, trên Hình 1.5d, ràng buộc theo phương đứng do độ cứng chịu uốn của dầm không lớn nên các thanh chéo tham gia chịu lực theo phương đứng không đáng kể Nếu kiểu kết cấu giằng cho phép các thanh giằng chéo chịu lực nén do tải trọng đứng chúng cần được thiết kế để có thể chịu lực nén hoặc, để tránh các bất thường trong ứng xử chịu lực ngang của kết cấu do các thanh giằng bị mất ổn định, chúng cần được cấu tạo ngắn và được dự ứng lực kéo trong khi xây dựng.

Ứng xử của khung có giằng

Khung có giằng khi chịu lực ngang ứng xử như một giàn cong xon đứng Các cột làm việc như các thanh biên chịu mô men, chịu kéo ở phía gió đẩy và chịu nén ở phía gió hút Các thanh giằng chéo và dầm làm việc như các thanh bụng để chịu lực cắt Các thanh chéo chịu nén hay chịu kéo phụ thuộc hướng nghiêng của chúng và các dầm chịu lực kéo và đôi khi cả chịu uốn Hiệu ứng của biến dạng dọc trong các thanh biên (cột) khi chuyển vị ngang của khung sẽ tạo ra hình dạng biến dạng uốn của kết cấu nghĩa là kết cấu cong theo hướng gió với độ dốc lớn nhất ở đỉnh (Hình 1.6a) Hiệu ứng từ biến dạng của các thanh bụng (dầm và giằng) tạo ra biến dạng

“cắt” của kết cấu, cong ngược về hướng gió và có độ dốc lớn nhất ở chân và độ dốc bằng 0 ở đỉnh (Hình 1.6b) Biến dạng chung của biến dạng trong kết cấu là tổng của các biến dạng trên và phụ thuộc nhiều vào dạng của giằng (Hình 1.6c)

Hình 1.6 Biến dạng của kết cấu khung có giằng

Trong kết cấu khung được giằng một nhịp, tải trọng ngang sinh ra lực kéo lớn nhất ở chân cột phía đón gió Khung càng mảnh thì lực kéo càng lớn Phụ thuộc diện tích truyền lực từ sàn vào cột, lực kéo có thể được triệt tiêu một phần hay toàn bộ bởi tĩnh tải Đối với kết cấu có tỷ lệ chiều cao/bề rộng nhịp lớn hơn 10, khả năng kết cấu bị nhổ là cao Trong kết cấu nhiều nhịp, vấn đề này có thể tránh được bằng cách bố trí giằng trong các tầng kế tiếp ở các nhịp khác nhau Trong cách bố trí này, lực dọc gây ra bởi tải trọng ngang có thể nhỏ đi đáng kể

Hình 1.7 Bố trí giằng trong các nhịp khác nhau của khung

Với một yêu cầu kiến trúc cho trước, đôi khi cần phải sử dụng các dạng giằng khác nhau ở các nhịp khác nhau trong cùng một khung hoặc trong các nhịp của các khung song song Việc kết hợp các panel giằng toàn đường chéo hay dạng chữ K – là các dạng đều có độ cứng chịu cắt lớn với panel giằng kiểu chân ghế – là dạng có độ cứng ngang nhỏ có thể không tạo ra kết cấu có độ cứng thoả mãn do các panel có độ cứng lớn sẽ có nội lực quá lớn Khi xác định độ cứng của từng panel riêng rẽ, tổng chiều cao của panel cần được xem xét Điều này có nghĩa là độ mềm uốn ngang do biến dạng của giằng và dầm cần được xét đến Trong một số tình huống, do bố trí tầng lùi hay tầng chuyển nên không bố trí được giằng trong cùng một mặt phẳng trên toàn bộ chiều cao của kết cấu Trong trường hợp này, lực ngang có thể được truyền từ các khung có giằng ở trên tầng chuyển xuống khung ở dưới qua sàn cứng hay các giằng trong mặt phẳng sàn.

Giới thiệu các hệ giằng của nhà thép

Hệ giằng trong khung thép nhà cao tầng đóng vai trò quan trọng trong việc củng cố và tăng cường độ cứng của kết cấu chống lực ngang Việc thiếu hệ giằng có thể dẫn đến sự yếu đuối của khung khi phải chịu tải trọng ngang, đặc biệt là do tác động của lực gang có thể làm biến dạng hoặc lệch khung dễ dàng Để giải quyết vấn đề này, các hệ giằng thường được tích hợp trong các vách và lõi cứng của tòa nhà, thường là dạng khung giằng bằng thép hình

Những hệ giằng này không chỉ cung cấp sự ổn định cho khung thép mà còn bảo vệ khỏi tác động xâm thực và tăng cường khả năng chịu lực bằng cách kết hợp với bê tông đổ tại chỗ xung quanh So với các vách và lõi bê tông thông thường, vách khung giằng thép – bê tông liên hợp có thể có tiết diện nhỏ hơn, tạo ra không gian sử dụng lớn hơn, đặc biệt là ở các tầng thấp

Các hệ giằng được bố trí đối xứng để loại bỏ chuyển vị xoắn hoặc biến dạng không bình thường khi khung sườn chịu tải trọng ngang Trong nội thất, việc bố trí hệ giằng có thể tạo ra thách thức cho việc thiết kế mặt bằng kiến trúc Một số nguyên tắc quan trọng cần tuân theo bao gồm:

Hệ giằng không nên được đặt tại các vách ngăn tạm, để tránh ảnh hưởng đến khả năng di chuyển hoặc thay đổi trong quá trình sử dụng công trình

Hệ giằng ở mặt ngoài của tòa nhà cần kết hợp với ý tưởng kiến trúc mặt đứng của công trình

Hệ giằng phải phù hợp với quy hoạch giao thông nội bộ trên từng tầng, liên quan đến bố trí cầu thang, giếng thang máy, và các yếu tố khác

Bố trí hệ giằng nên tránh làm ảnh hưởng đến các khu vực đặc biệt như hành lang cố định, khu vực dành cho trang thiết bị phòng chữa cháy, giếng thang máy, và các khu vực không ảnh hưởng đến cửa, kính, hoặc các không gian khác

Ngoài ra, giải pháp bố trí hệ giằng có thể điều chỉnh tùy thuộc vào hình dạng của tòa nhà, với sự đối xứng và cân nhắc về vị trí và hình dạng của các khoang giằng Các hệ giằng đứng có thể được bố trí qua tất cả các tầng, ít nhất là tại một nhịp khung, nhưng có thể chồng lên nhau ở các tầng khác nhau hoặc có thể lệch le

Hệ dàn chéo thường giằng toàn bộ mặt ngoài của công trình và tham gia truyền tải tải trọng thẳng đứng xuống nền móng

Với những cải tiến này, hệ giằng không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng độ cứng cho kết cấu công trình, mà còn tối ưu hóa không gian sử dụng và tích hợp hiệu quả vào tổng thể thiết kế kiến trúc Nhờ vậy, các kiến trúc sư có thể thỏa sức sáng tạo, tạo nên những không gian sống và làm việc ấn tượng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng.

Trong khung sườn thép nhà cao tầng nếu sử dụng mối nối cứng, chịu được mômen tại các nút liên kết giữa cột và dầm trong toàn bộ kết cấu sẽ tạo ra một hệ khung cứng trong không gian ba chiều Hệ khung cứng có ưu điểm là đơn giản và tiết kiệm thép làm các thanh giằng chéo và không ngăn cản nhiều các ý đồ thiết kế kiến trúc và giao thông trong nội bộ sàn tầng, vì có khả năng bố trí hành lang và ô cửa tuỳ ý Tuy nhiên, ở các nút giao, cột và dầm sẽ chịu mômen uốn lớn hơn Cấu tạo mối nối phức tạp và tốn phí, nhất là khi phải đảm bảo độ cứng gần như tuyệt đối Liên kết hàn ở hiện trường khá nhiều và khó bảo đảm chất lượng hơn Độ cứng của khung hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước của dầm và cột Về tổng thể, tuy là khung có nút cứng nhưng kết cấu vẫn không đảm bảo độ cứng chung bằng các hệ giằng khác Mặc dầu vậy, hệ khung nút cứng vẫn được dùng rất hiệu quả trong các cao ốc dưới 20 hoặc 30 tầng

Hệ giằng chéo kép hai chiều kiểu chữ X là một hệ kết cấu giằng trực tiếp, có hiệu quả về kinh tế và kĩ thuật nếu góc xiên gần 45 độ Mỗi thanh xiên được thiết kế chủ yếu để chịu kéo theo một chiều gió thổi nhất định, do đó tiết diện thanh có thể cấu tạo đơn giản: chẳng hạn tiết diện thanh là thép góc, thép máng hoặc thép tấm v.v Tỉ số độ cứng ngang của hệ giằng trên trọng lượng vào loại khá tốt Nhược điểm của hệ là:

- Khó trổ cửa sổ cũng như bố trí cửa ra vào trong phạm vi giằng chéo;

- Các tường ngăn di động khó bố trí linh hoạt;

- Các thanh giằng chéo khá dài và không chịu lực đồng thời;

- Không giảm được nhịp chịu uốn của dầm sàn;

Trong một số trường hợp, hệ giằng có thể không hiệu quả như mong đợi, dẫn đến chi phí vật liệu tăng thêm Hệ giằng chéo hình chữ X thường chỉ phù hợp với các tường đặc như giếng thang máy hoặc tường ít hoặc không có cửa, có kích thước hai chiều gần bằng nhau Tuy nhiên, việc giới hạn kích thước ngang đôi khi không mang lại sự gia tăng đáng kể về độ cứng.

(Nguồn: Seismic Design of Steel Structures, Victor Gioncu and Federico

Hình 1.8 Giằng chéo Nẹp chéo (hoặc giằng X)

Những thành phần này cần chỉ đơn giản có khả năng chống lại sức căng, một thanh gắn tại một thời điểm để chống lại lực ngang, tùy thuộc vào hướng tải Vì vậy, cáp thép có thể được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ giằng chéo Tuy nhiên, việc giằng chéo ở mặt ngoài của tòa nhà có thể gây trở ngại cho việc định vị và hoạt động của các cửa sổ Đồng thời, điều này cũng có thể dẫn đến uốn cong lớn hơn trong dầm sàn

1.4.3 Hệ giằng thanh chống tam giác (chữ /\ hoặc \/)

* Ưu điểm của hệ giằng này là:

- Nhịp của dầm trong khung được chia đôi, giảm nội lực trong dầm, do đó tiết kiệm vật liệu cho dầm khá nhiều;

Các thanh giằng có chiều dài ngắn hơn và cùng tham gia chịu lực trong nhiều tổ hợp tải trọng khác nhau;

- Điều kiện mở cửa dễ dàng hơn, nhất là trường hợp dùng các thanh giằng lệch tâm

- Sử dụng không hiệu quả khi kết cấu bao che là các tấm kính có kích thước lớn;

- Các thanh giằng chéo chủ yếu chịu nén, do đó dễ mất ổn định, tiết diện cần lớn để bảo đảm có độ mảnh tương đối nhỏ theo yêu cầu quy định

- Giằng chéo chữ V tuy có ưu điểm là chủ yếu chịu kéo dưới tác dụng của tải thẳng đứng, nhưng về mặt cấu tạo hệ giằng này không cho phép mở được lối đi trong hành lang hoặc lối vào thang máy Khi kết hợp hai hệ giằng chữ V và /\ sẽ được hệ giằng chữ X trong hai tầng nhà, nhưng với chiều rộng bước cột lớn hơn

Hai thành viên đường chéo tạo thành hình chữ V kéo dài xuống từ hai góc trên cùng của thành viên nằm ngang và gặp nhau tại một điểm trung tâm trên thành viên nằm ngang phía dưới (sơ đồ bên trái) Niềng răng chữ V ngược (sơ đồ tay phải, còn được gọi là giằng chevron) liên quan đến hai thành viên gặp nhau tại một điểm trung tâm trên thành viên nằm ngang phía trên Cả hai hệ thống có thể làm giảm đáng kể khả năng vênh của nẹp nén do đó nó nhỏ hơn khả năng tạo lực căng của nẹp căng Điều này có thể có nghĩa là khi các thanh giằng đạt đến khả năng chống chịu của chúng, thay vào đó, tải phải được chống lại trong sự uốn cong của thành viên nằm ngang

Hệ có những ưu, nhược điểm sau:

- Nhịp dầm khung được chia ba đoạn nhỏ hơn, mômen uốn trong dầm tương ứng sẽ giảm hơn nữa;

- Các thanh giằng chống tuy chịu nén nhưng ngắn hơn, do đó có thể tiết kiệm vật liệu thép so với phương án trên;

- Có khả năng mở rộng kích thước ô cửa đi lại qua vách hệ giằng;

- Nút các thanh giằng chống không đồng quy tại một điểm, tạo điều kiện đơn giản hoá cấu tạo các bản mã liên kết;

- Góc giữa cột và giằng chống khá hẹp, do đó kém hiệu quả về mặt chịu lực ngang

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ GIẰNG NHÀ THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Hệ giằng trong nhà thép

Hệ giằng là bộ phận thiết yếu trong kết cấu thép, không chỉ đơn thuần là một thành phần nhỏ mà còn đóng vai trò quan trọng Trong ngữ cảnh của kết cấu thép, hệ giằng giữ nhiệm vụ đảm bảo sự vững chắc và ổn định của công trình, giúp chịu lực và chống lại các tác động ngoại lực có thể gây hại cho tòa nhà.

Hệ giằng đảm bảo sự ổn định của cả kết cấu tổng thể và từng thành phần riêng lẻ, chịu trách nhiệm truyền lực ngang xuống móng và các công trình hỗ trợ khác Trong trường hợp các kết cấu phức tạp, hệ giằng còn đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh độ cứng của kết cấu, đồng thời đảm bảo ứng suất phân bố đều và hợp lý, từ đó nâng cao tính toàn vẹn của nó

Trong bối cảnh ngày nay, khi xây dựng các nhà xưởng nhà thép, khái niệm về hệ giằng mái không chỉ là một thành phần cần thiết mà còn là yếu tố không thể thiếu trong quá trình thiết kế và xây dựng Điều này không chỉ đảm bảo tính ổn định và an toàn của công trình mà còn đóng góp quan trọng vào vẻ đẹp và tính thẩm mỹ của kiến trúc

Hệ giằng mái chịu trách nhiệm quan trọng trong việc chống lại tác động của lực trọng và điều kiện môi trường đối với công trình Điều này thường được áp dụng trong xây dựng các công trình có mái bằng, như nhà ở, nhà hàng, khách sạn, trung tâm thương mại và nhiều công trình dân dụng khác

Chức năng quan trọng của hệ giằng mái không chỉ là chống lại lực nén và lực kéo, mà còn tạo ra sự phân phối lực tối ưu trong cấu trúc, đảm bảo tính an toàn và độ bền trong thời gian dài Hệ giằng mái cũng có ảnh hưởng lớn đến tính thẩm mỹ của công trình, tạo nên những đặc điểm độc đáo và làm nổi bật kiến trúc tổng thể

Có nhiều loại hệ giằng mái phổ biến, phục vụ cho các yêu cầu thiết kế và tính năng cụ thể của công trình:

Hệ giằng mái dựng đứng (Gable Truss): Sử dụng trong các công trình có mái dựng cao và hình dạng gable truyền thống

Hình 2.1 Một số dạng cấu trúc hệ giằng mái phổ biến

Hệ giằng mái chống tư thế (Hip Truss): Dành cho các mái phức tạp, như mái bốn nước

Hệ giằng mái chéo (Scissor Truss): Tạo không gian mở và thích hợp cho các công trình cần không gian cao

Hệ giằng mái nứt đôi (Double Fink Truss): Sử dụng trong nhà xưởng, kho hàng

Hệ giằng mái đôi (Dual Pitch Truss): Tạo sự đa dạng trong kiến trúc mái và sử dụng trong các công trình nổi bật về hình dáng và thiết kế

Chọn loại hệ giằng mái phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính thẩm mỹ, ổn định và bền vững của công trình trong quá trình xây dựng

Hệ giằng cột là một thành phần quan trọng trong xây dựng, chịu trách nhiệm chịu lực và phân bổ trọng lượng đều khắp các cột, đảm bảo an toàn và độ bền vững của công trình trong quá trình sử dụng Khái niệm này được ứng dụng phổ biến và có đóng góp đáng kể cho sự phát triển của kiến trúc xây dựng hiện đại.

Hệ giằng cột là một thành phần không thể thiếu trong việc xây dựng các công trình từ nhà ở đến các công trình nhà thép Với vai trò chính là chống lại tác động của lực nén và lực kéo trong quá trình hoạt động của công trình, hệ giằng cột giúp bảo vệ cấu trúc khỏi biến dạng không mong muốn và đảm bảo tính ổn định của nó

Hệ giằng cột đảm bảo tính ổn định và độ bền của công trình bằng cách phân bổ tải và áp lực đều lên nền đất Ngoài ra, nó còn cung cấp sự linh hoạt trong thiết kế, cho phép các kiến trúc sư thể hiện sự sáng tạo và ý tưởng độc đáo của mình.

Hình 2.2 Các kiểu hệ giằng cột thông dụng

Các loại hệ giằng cột thường sử dụng:

Hệ giằng đơn (Single Column System): Sử dụng trong các công trình nhỏ hoặc khi cần tạo điểm nhấn kiến trúc độc đáo, thường áp dụng trong nhà ở và công trình dân dụng

Hệ giằng đôi (Double Column System): Gồm hai cột song song, thường được sử dụng trong các công trình lớn hơn để tạo ra tính ổn định cao hơn và phân phối lực tải đồng đều hơn

Hệ giằng tiết diện Z (Z-Shape Column System): Kết hợp giữa hai cột thẳng đứng và một dầm ngang, tạo thành hình dạng tiết diện Z Sử dụng trong các công trình đòi hỏi tính thẩm mỹ cao và sự tương tác giữa ánh sáng và bóng

Hệ giằng cột, bất kể loại hình sử dụng, đều là yếu tố không thể thiếu để tạo nên cơ sở vững chắc cho các công trình xây dựng Sự lựa chọn đúng loại hệ giằng cột phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế, chức năng sử dụng và thẩm mỹ của công trình, đồng thời đặt ra một yếu tố sáng tạo quan trọng cho các kiến trúc sư.

Phương pháp giải theo miền thời gian trong đánh giá khả năng chống chịu của công trình

Việc đánh giá khả năng chống chịu của công trình theo tiêu chuẩn Eurocode 8 thường sử dụng hai phương pháp chính là phân tích pushover (tĩnh phi tuyến) và phân tích động theo miền thời gian Cần lưu ý rằng phân tích pushover dựa trên tải trọng tĩnh và chỉ mang tính tương đối, không đại diện chính xác cho hiện tượng động với độ chính xác cao Trong khi đó, phương pháp động phi tuyến giúp mô phỏng sự ảnh hưởng của các dao động cao hơn một cách chính xác hơn

Phản ứng của kết cấu theo miền thời gian được xác định bằng cách tích phân trực tiếp các phương trình chuyển động, sử dụng giản đồ gia tốc ghi được hoặc giả đồ gia tốc mô phỏng biểu thị các chuyển động cơ bản Đối với phương pháp phân tích động theo miền thời gian, có thể sử dụng ít nhất 7 phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian với giản đồ gia tốc làm đầu vào Giá trị trung bình của các đại lượng phản ứng từ các phân tích này được sử dụng như giá trị thiết kế của tác động Ed trong các kiểm tra cường độ theo quy định của tiêu chuẩn

Phương pháp phân tích động phi tuyến theo miền thời gian được xem là một công cụ mạnh mẽ để phân tích sự hoạt động của kết cấu dưới tác động của các yếu tố động học như va chạm, nổ, sóng, đặc biệt là động đất Nó cho phép tính toán chính xác chuyển vị, vận tốc, và gia tốc của kết cấu theo từng bước thời gian nhỏ

Phương pháp này cung cấp khả năng phân tích cả sự làm việc tuyến tính đàn hồi và sự không tuyến tính hình học hoặc vật liệu Đây là phương pháp được khuyến khích trong nhiều tiêu chuẩn quốc tế và cũng được Việt Nam khuyến nghị áp dụng bên cạnh phương pháp phổ biến khác là phương pháp phản ứng đàn hồi Lưu ý rằng phương pháp phản ứng đàn hồi không cho phép phân tích phi tuyến, trong khi phương pháp động phi tuyến giúp mô phỏng một cách chính xác sự làm việc phi tuyến của kết cấu, đặc biệt khi sự tương tác giữa các yếu tố động trở nên quan trọng

Hệ phương trình vi phân đối với hệ nhiều bậc tự do được viết dưới dạng ma trận:

Công thức (2.1) theo Anil K Chopra (2012), Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, International Edition, Prentice –Hall

   : là các véctơ lượng gia của chuyển vị tương đối, tốc độ tương đối của gia tốc tương đối tại các nút của hệ kết cấu trong bước thời gian t, còn là véctơ lượng gia của gia tốc chuyển động nền trong khoảng thời gian Có rất nhiều phương pháp tích phân trực tiếp các phương trình chuyển động, ví dụ như phương pháp sai phân trung tâm, phương pháp Hounolt, các phương pháp Newmark dựa trên các phương pháp sai phân hữu hạn …

Phân tích phân tích phi tuyến theo miền thời gian NL-RHA

Các phương trình quản lý của một hệ không đàn hồi chịu tải động đất với dao động nền u t g ( ) như sau:

(Công thức 2.2 đến 2.11 được lấy theo Anil K Chopra (2012), Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, International Edition, Prentice –Hall)

Trong đó u là vector của chuyển vị, m, c, và k là khối lượng, hệ số cản ban đầu, và ma trận độ cứng bên của hệ; ι là vector ảnh hưởng mà mỗi phần tử bằng một đơn vị Những phương trình này cũng có thể giải trực tiếp để có được nghiệm 'chính xác' NL-RHA

Vế phải của phương trình 2.2 được xem là lực động đất:

( ) ( ) eff g p t = − m u t (2.3) Lực động đất có thể xác định:

Với s n là mô hình phân phối lực cho hàm dạng thứ n n n n s =  m (2.5)

Trong đó  n là hàm dạng dao động thứ n của kết cấu, và n n n

Sự phân phối lực do động đất ở hàm dạng thứ n (2.3) có thể được viết lại như sau:

, ( ) eff n n g p == −s u t (2.8) Đóng góp của p eff n , đến đáp ứng của hệ MDOF không đàn hồi là toàn bộ trong n dạng dao động, không có sự đóng góp của các dạng dao động khác

Các phân tích dạng dao động cơ bản thì không đi sâu vào vùng không đàn hồi vì sự kết hợp của các dạng dao động nhằm làm dẻo kết cấu Các dạng dao động khác dạng dao động thứ n cũng sẽ đóng góp đến đáp ứng của hệ :

Tuy nhiên, Chopra và Goel (2002) đã chứng minh rằng sự đóng góp của các dạng dao động khác dao động thứ n là tương đối nhỏ Mở rộng chuyển vị của hệ không đàn hồi được giới hạn bởi các dạng dao động tự nhiên của hệ tuyến tính tương ứng, chúng ta có :

Thay phương trình (2.9) vào phương trình (2.1), và cùng nhân cả hai vế với

 n , sau đó sử dụng trực giao khối lượng, và hệ số cản của dạng dao động ta được: n 2 n n n sn n g ( ), n q q F u t

Phương trình (2.11) biểu diễn một hệ N phương trình cân bằng lực ở dạng qn Trong khi hệ phương trình đàn hồi là tuyến tính, thì hệ phương trình này là phi tuyến tính đặc trưng cho hệ phi đàn hồi.

Hiệu ứng P −  , tính ổn định và độ uốn

2.4.1 Nguyên nhân của tính phi tuyến hình học

Tính phi tuyến hình học xuất phát khi các chuyển vị của kết cấu đạt đến mức độ đủ lớn, tác động đến ít nhất một trong hai yếu tố sau đây:

Mối quan hệ cân bằng: Sự biến dạng ở vị trí của kết cấu có thể làm thay đổi mối quan hệ cân bằng so với trạng thái không biến dạng Sự chênh lệch này có thể xuất hiện đáng kể khiến cho cân bằng tại các điểm bị biến dạng trở nên khác biệt đối với trạng thái không bị biến dạng

Mối quan hệ tương thích: Mối quan hệ giữa biến dạng của một phần tử và chuyển vị của đỉnh cuối của nó có thể có tính phi tuyến đáng kể Điều này có nghĩa là sự biến đổi của biến dạng không phản ánh một cách tuyến tính với sự chuyển vị ở phần cuối của phần tử

Tính phi tuyến hình học thường xuyên là kết quả của sự tương tác giữa các yếu tố này, khiến cho kết cấu không thể được mô tả bằng mối quan hệ tuyến tính đơn giản và đòi hỏi phương pháp phân tích phi tuyến để hiểu rõ hơn về hành vi của nó trong điều kiện biến động

2.4.2 Các loại phân tích phi tuyến hình học

Có ba loại phân tích có thể được thực hiện như sau

(1) Phân tích chuyển vị nhỏ Đây là một thái cực Cân bằng được xem xét ở vị trí không bị biến dạng và các mối quan hệ tương thích được giả định là tuyến tính Trong trường hợp này phi tuyến hình học bị bỏ qua

(2) Phân tích chuyển vị lớn Đây là một thái cực khác Cân bằng được xem xét ở vị trí biến dạng và các mối quan hệ tương thích là phi tuyến tính Trong trường hợp này, tính phi tuyến hình học được xem xét không có giá trị gần đúng

(3) Phân tích P−  Đây là ở giữa Cân bằng được xem xét ở vị trí biến dạng (với một số xấp xỉ nhỏ) và các mối quan hệ tương thích được giả định là tuyến tính Trong trường hợp này, tính phi tuyến hình học được coi là gần đúng Nếu phải xem xét tính phi tuyến hình học thì hầu như luôn đủ chính xác để sử dụng phân tích

P−  Chỉ đối với các kết cấu rất linh hoạt, chẳng hạn như kết cấu cáp, mới cần sử dụng phân tích chuyển vị lớn Phân tích P−  hiệu quả hơn về mặt tính toán so với phân tích chuyển vị lớn Đối với hầu hết các kết cấu, việc tính toán các chuyển vị lớn thực sự là lãng phí thời gian của máy tính

Trong luận văn này, "hiệu ứng P-∆" hay "hiệu ứng P-Δ" đề cập đến hiệu ứng của tính phi tuyến hình học đối với các trường hợp mà phân tích P-∆ đủ chính xác Ngược lại, đối với các trường hợp cần phân tích chuyển vị lớn thực sự, thuật ngữ "phân tích chuyển vị lớn" (LMA) được sử dụng.

"hiệu ứng chuyển vị lớn" sẽ được sử dụng Hiệu ứng P−  thường liên quan nhiều nhất đến lực dọc trục trong cột Tuy nhiên, hiệu ứng P−  cũng có thể được gây ra bởi mômen uốn và lực cắt và có thể xuất hiện trong dầm, tường và các bộ phận khác Những phần đầu của phần này chỉ xét đến lực dọc trục Các phần sau xem xét mômen uốn và lực cắt

2.4.4 Các loại tải trọng và phân tích tương ứng

Các kết cấu hầu hết đều chịu tác động của trọng lực và tải trọng ngang Với tòa nhà, sự kết hợp giữa tải trọng trọng lực và tải trọng ngang được xem là trường hợp quan trọng nhất Tuy nhiên, tính năng của kết cấu thường được kiểm tra đối với cả tải trọng trọng lực và tải trọng ngang Mỗi loại tải trọng có phương pháp phân tích riêng, được gọi là "Phân tích tải trọng trọng lực" và "Phân tích tải trọng ngang".

Trong hầu hết các trường hợp, đặc biệt đối với sự kết hợp giữa trọng lực và tải trọng ngang, cường độ của kết cấu bị chi phối bởi chảy dẻo lũy tiến Tuy nhiên, trong một số trường hợp, đặc biệt là đối với riêng tải trọng trọng lực, độ bền có thể bị chi phối bởi hiện tượng mất ổn định đột ngột Điều này có thể yêu cầu các phương pháp phân tích đặc biệt và được gọi trong phần này là "Phân tích độ uốn"

2.4.5 Phân tích đàn hồi và không đàn hồi

Thiết kế dựa trên cường độ sử dụng phân tích đàn hồi, thường là tuyến tính Tuy nhiên, như đã lưu ý trước đó, "co giãn" không phải lúc nào cũng có nghĩa là tuyến tính Một lý do là một thành phần kết cấu có thể có đặc tính đàn hồi phi tuyến Lý do thứ hai, quan trọng đối với phần này, là tính phi tuyến hình học có thể làm cho hành vi đàn hồi trở nên phi tuyến Như trước đây, phần này sử dụng thuật ngữ "phân tích đàn hồi" thay vì "phân tích tuyến tính"

Thiết kế dựa trên biến dạng sử dụng các phép phân tích phi tuyến tính và không đàn hồi Trong phần này, thuật ngữ "phân tích không đàn hồi" được sử dụng thay vì "phân tích phi tuyến tính".

Phân tích đàn hồi và không đàn hồi có các mục tiêu khác nhau như sau

(1) Phân tích đàn hồi được sử dụng để tính toán nhu cầu cường độ, sau đó được sử dụng để tính tỷ lệ D/C cường độ Đối với kết cấu khung, yêu cầu về cường độ thường là mô men uốn, lực cắt và lực dọc trục trong các cấu kiện khung Điều quan trọng là phải tính đến hiệu ứng P−  vì nó có xu hướng tăng lên hoặc

Phân tích uốn

2.5.1 Phương pháp phân tích với phân nhánh cân bằng Đối với một kết cấu đàn hồi lý tưởng, chẳng hạn như một cột không có khuyết tật hoặc một khung đối xứng chỉ chịu tải trọng thẳng đứng, độ võng trong chế độ mất ổn định bằng 0 cho đến khi kết cấu trở nên không ổn định Tại thời điểm đó có sự phân chia trạng thái cân bằng Về mặt tính toán, việc tính toán tải trọng uốn cho kết cấu như vậy là tương đối dễ dàng

Việc phân tích yêu cầu thiết lập hai ma trận độ cứng riêng biệt, đó là ma trận độ cứng đàn hồi cho kết cấu chuyển vị nhỏ và ma trận độ cứng hình học cho cột

Thanh chống P−  và cáp P−  đóng vai trò trong hiệu ứng P−  Tuy nhiên, độ cứng hình học cho cột P−  hoặc thanh chống P−  dễ thiết lập hơn so với cáp P−  Khi dự kiến mất ổn định dạng lắc ngang, chỉ cần mô hình hóa sự đóng góp của P−  mà có thể bỏ qua P−  Tuy nhiên, nếu các cột riêng lẻ có thể bị uốn cong trong phạm vi chiều dài của chúng như một phần của dạng uốn, cần phải mô hình hóa sự đóng góp của P− .

Các bước trong phân tích như sau

(1) Ma trận độ cứng cho kết cấu chuyển vị nhỏ là K0 Ma trận này có thể được lắp ráp theo cách thông thường

(2) Tải trọng tác dụng lên kết cấu có chuyển vị nhỏ, với hệ số tải trọng đơn vị (ví dụ: 1,0 lần tải trọng trọng lực thiết kế) Các lực của phần tử, đặc biệt là lực dọc trục trong các cột, được tính toán bằng phân tích chuyển vị nhỏ Kết cấu bị biến dạng nhưng không có (hoặc được giả định là) không bị biến dạng trong chế độ mất ổn định Thông thường tải trọng thẳng đứng, chế độ oằn ngang và tải trọng ít hoặc không gây ra độ lệch ngang

(3) Cho trước các lực của phần tử, độ cứng hình học của phần tử được tính toán và tập hợp thành ma trận độ cứng hình học KG1 Đây là ma trận độ cứng hình học kết cấu cho hệ số tải trọng đơn vị Vì kết cấu có tính đàn hồi nên ma trận độ cứng hình học cho hệ số tải  là  KG1 Độ cứng K0 là không đổi

(4) Với hệ số tải trọng λ bất kỳ, độ cứng hữu hiệu là K 0 + K G1 Nếu độ cứng này dương thì cấu trúc ổn định, nếu nó âm thì cấu trúc không ổn định, và nếu nó bằng 0 thì cấu trúc ở trạng thái cân bằng trung tính Giá trị λ mà độ cứng bằng 0 xác định tải trọng uốn

(5) Tất nhiên, ma trận độ cứng sẽ không có giá trị bằng 0 Đúng hơn là nó sẽ có định thức bằng 0 Khi ma trận độ cứng có định thức bằng 0, điều đó có nghĩa là, về mặt vật lý, có một hình dạng lệch nào đó có thể tác dụng lên kết cấu và các lực cần thiết để tác động lên hình dạng này đều bằng không Hình dạng lệch là hình dạng chế độ oằn Về mặt toán học, cần phải giải phương trình sau cho

(Công thức 2.12 được lấy theo Graham H Powell, 2010 Modeling for Structural Analysis: Behavior and Basic) Đối với kết cấu nhiều DOF, phương trình này sẽ có nhiều nghiệm, một nghiệm cho mỗi hình dạng chế độ uốn Giải pháp quan trọng là giải pháp nhỏ nhất, cho chế độ mất ổn định thấp nhất

Có nhiều phương pháp giải phương trình 2.12 Trong đó có thể kể đến "tìm kiếm xác định", khi áp dụng giá trị của λ được thay đổi dần và theo dõi định thức của ma trận độ cứng hiệu dụng cho đến khi gần bằng 0 Phương pháp khác là trích xuất giá trị riêng chính thức, sử dụng các phương pháp số, một trong số đó dựa trên tìm kiếm định thức.

Các chi tiết của tính toán số không quan trọng Điểm quan trọng là phương pháp này chỉ giới hạn ở các cấu trúc đàn hồi lý tưởng Vì các cấu trúc như vậy không tồn tại trong thực tế nên kết quả phân tích thường chỉ mang tính học thuật

Có một phần mở rộng của phương pháp phân tích này cho phép nó được áp dụng cho các cấu trúc không đàn hồi nhất định

(1) Thủ tục như sau Thiết lập mối quan hệ giữa mô đun tiếp tuyến của vật liệu trong kết cấu và hệ số tải trọng Ví dụ, đối với một cột, thiết lập mối quan hệ giữa mô đun tiếp tuyến và lực dọc trục

(2) Tại mỗi bước tìm kiếm định thức, hãy chia tỷ lệ độ cứng chuyển vị nhỏ,

Việc sử dụng mô đun đàn hồi ban đầu để xác định độ võng hoặc oằn không đàn hồi là phương pháp không được khuyến khích Thay vào đó, phương pháp dựa trên mô đun tiếp tuyến có thể hữu ích hơn, mặc dù nó không phải là phương pháp chung nhất để tính toán độ võng không đàn hồi.

2.5.2 Phân tích uốn cong với các khuyết tật

Các khuyết tật trên cột hoặc kết cấu thường dẫn đến tình trạng uốn cong tiến triển mà không có sự phân nhánh cân bằng Tuy nhiên, ngoại lệ xảy ra khi khuyết tật không góp phần vào chế độ ổn định mất ổn định thấp nhất, chẳng hạn như khuyết tật đối xứng trong kết cấu bị mất ổn định ở chế độ phản đối xứng.

Trong trường hợp này vẫn có thể có sự phân nhánh cân bằng Nói chung, nếu một kết cấu có những khiếm khuyết thì nó sẽ có một số độ võng ban đầu ở dạng uốn Khi tải tăng, độ võng ở chế độ mất ổn định tăng lên, một phần do lực tác dụng bởi các thanh chống P−  và/hoặc cáp P−  Nếu khuyết tật chỉ xuất hiện ở cột

P−  thì độ võng trong chế độ mất ổn định hoàn toàn do cột P−  gây ra Có tác dụng tương tự khi tải trọng danh nghĩa được sử dụng để giải thích cho sự không hoàn hảo

Hệ giằng để tránh mất ổn định

Cột, dầm và các bộ phận khác thường được giằng ngang để chống mất ổn định Vị trí, độ cứng và độ bền của giằng có thể là một khía cạnh quan trọng của thiết kế

Cần xem xét độ cứng của giằng Hình 2.3(a) thể hiện cột thẳng, đàn hồi với thanh giằng ở giữa chiều cao Khi không có giằng, chiều dài hiệu dụng của cột là L Nếu giằng cứng, hình dạng chế độ cong như Hình 2.3(b) và chiều dài hiệu dụng là 0,5L Đây cũng là trường hợp giằng không cứng nhưng có độ cứng lớn hơn giá trị giới hạn Khi độ cứng của giằng nhỏ hơn giới hạn, hình dạng chế độ cong giống như Hình 2.3(c) và chiều dài hiệu dụng nằm trong khoảng từ L đến 0,5L Độ cứng giằng của cột lý tưởng dễ dàng tính toán được.

Hình 2.3 Oằn của cột có giằng bên

Nếu cột hoàn toàn thẳng và nếu nó oằn không đối xứng như trong Hình 2.3(b), về mặt lý thuyết không có lực tác dụng lên thanh giằng Do đó, trong trường hợp này, độ cứng của giằng quan trọng chứ không phải độ bền của nó Đây không phải là trường hợp trong Hình 2.3(c) Trong trường hợp này độ bền của giằng có thể ảnh hưởng đến trạng thái sau mất ổn định Độ bền của giằng cũng có thể ảnh hưởng đến độ bền uốn khi cột có các khuyết tật Nói chung cả độ cứng và độ bền của giằng đều quan trọng

Dấu hiệu về độ cứng yêu cầu có thể thu được từ phân tích, ví dụ từ phân tích một cột như trong Hình 2.3 Chỉ số về cường độ yêu cầu có thể thu được từ việc phân tích các cột có khuyết tật ban đầu Độ bền cần thiết của giằng có thể tương tự như tải trọng danh nghĩa

Vị trí giằng cũng có thể quan trọng Trong một số trường hợp, giằng phải ở một vị trí cụ thể Trong các trường hợp khác, giằng phải thực hiện chức năng của nó nhưng vị trí của nó có thể linh hoạt Một ví dụ là giằng để ngăn chặn sự oằn ngang của dầm, có thể không cần phải đặt ở một vị trí cụ thể Vị trí giằng có thể được xác định theo nơi chúng có thể hiệu quả nhất Ví dụ, khi khớp dẻo hình thành trong dầm, độ cứng ở vùng khớp dẻo sẽ bị mất đi và khả năng bị oằn xoắn ngang ở vùng đó tăng lên

Do đó, giằng có thể hiệu quả hơn ở vùng khớp dẻo hơn là ở vùng giữa nhịp

Hệ giằng đóng vai trò quan trọng trong thiết kế công trình, thế nhưng hoạt động của hệ giằng thường không được mô hình hóa trực tiếp trong quá trình phân tích Thay vào đó, hệ giằng thường được cân đối, định vị dựa trên các quy tắc trong quy tắc thiết kế hoặc theo đánh giá của nhà thiết kế.

Hệ thống giằng lệch tâm tiên tiến

EBF là hệ thống chống lực ngang kết hợp (Hình 2.4) Trên thực tế, nó có thể được coi là sự chồng chất của hai hệ thống khung khác nhau: MRF và khung giằng đồng tâm EBFs cũng có thể kết hợp những ưu điểm chính của hai hệ thống khung thông thường này và giảm thiểu những nhược điểm tương ứng của chúng Nói chung, EBFs có độ cứng đàn hồi cao và phản ứng không đàn hồi ổn định dưới tải trọng ngang theo chu kỳ, cùng với độ dẻo tuyệt vời và khả năng tiêu tán năng lượng Đặc điểm phân biệt chính của hệ thống EB là ít nhất một đầu của mỗi nẹp được kết nối với chùm tia theo cách để cô lập một đoạn của chùm tia được gọi là

“liên kết” Các sắp xếp EBF được thể hiện trong Hình 2.4, trong đó trong mỗi sơ đồ khung, các liên kết được xác định bằng một đoạn in đậm Bốn cách sắp xếp EBF được trình bày ở đây thường được gọi là khung có thanh giằng chữ K, khung có thanh giằng chữ D, khung có thanh giằng chữ V và khung có thanh giằng chữ Y ngược

Hình 2.4 Các dạng khung giằng EBF

Nghiên cứu về ứng xử của EBF bắt đầu từ giữa những năm 1970 (Roeder và Popov, 1978) và vẫn tiếp tục cho đến nay Tất cả các nghiên cứu này đã xác nhận độ tin cậy của EBF trong việc chống lại các tải trọng ngang Các khung được giằng lệch tâm trong các tòa nhà, cung cấp một hệ thống chịu lực ngang cứng và dễ uốn, thường bao gồm các đoạn dầm, được gọi là các liên kết, được thiết kế để tạo ra và biến dạng dẻo khi cắt và uốn Ứng của các liên kết trong khung giằng lệch tâm cho các tòa nhà mới đã được nghiên cứu rộng rãi (Hjelmstad và Popov, 1983; Malley và Popov, 1983a,b; Manheim và Popov, 1983; Kasai và Popov, 1986a,b; Popov và Engelhardt, 1988; Foutch và cộng sự, 1989; Roeder và cộng sự, 1987; Foutch, 1989; Ricles và Popov, 1993), nhưng việc sử dụng chúng hiện cũng đang trở thành một phương pháp khả thi để trang bị thêm cho các kết cấu BTCT và bảo vệ các cây cầu Hai ví dụ về việc sử dụng liên kết cắt để cải tạo cầu là Cầu Richmond–San Rafael (Itani và cộng sự, 1998) và tháp của cầu cáp treo Vịnh San Francisco–Oakland mới (McDaniel và cộng sự, 2003) Nghiên cứu về ứng dụng liên kết cắt để trang bị thêm kháng chấn cho kết cấu bê tông cốt thép gần đây đã được thực hiện bởi Ghobarah và Abou Elfath (2001), Mazzolani (2006a,b)

Hình 2.5 (a) Khách sạn Mara ở Sinaia, Romania; (b) Đại học Messina, Ý Đặc biệt, hệ thống này cho thấy nó có khả năng đảo ngược tốt vì trong trường hợp bị hư hỏng, nó rất dễ phục hồi sau động đất Liên kết được hình thành để hoạt động như một cầu chì địa chấn, theo cách mà toàn bộ kết cấu xung quanh vẫn là một trường đàn hồi Vì lý do này, một liên kết có thể tháo rời cung cấp khả năng thực sự dễ dàng loại bỏ và thay thế Các nghiên cứu thực nghiệm về các liên kết bắt vít có thể tháo rời đã chứng minh tính khả thi về mặt công nghệ của giải pháp này Hiệu suất của các liên kết ngắn có thể tháo rời và khả năng thay thế dễ dàng khiến chúng trở nên hấp dẫn đối với việc trang bị thêm các kết cấu RC

Hình 2.6 (a) Tháp Thế kỷ, Tokyo (1991); (b) tòa nhà nhiều tầng ở San Diego

Các liên kết rất ngắn, đảm bảo hoạt động đàn hồi của các kết nối, được ưu tiên hơn do việc thay thế các liên kết bị hỏng dễ dàng hơn nhiều Việc tập trung hư hỏng trong liên kết có thể tháo rời (hoạt động giống như các thiết bị tiêu tán năng lượng thụ động) có thể được thực hiện theo các nguyên tắc thiết kế công suất, bao gồm chế tạo liên kết từ thép có cường độ chảy thấp hơn so với thép kết cấu thông thường Một số ví dụ về kết cấu với hệ thống EBF được đưa ra trong Hình 2.5 đến Hình 2.7 Giải pháp EBF cuối cùng này được đặc trưng bởi một vài thanh dọc nằm ở các cạnh của liên kết, nhằm đảm bảo sự hình thành của một cơ chế sụp đổ toàn cầu Hình 2.6a cho thấy mặt tiền của Tháp Thế kỷ ở Tokyo, do Norman Foster thiết kế vào năm 1991, cũng cho thấy cách các mega-EBF được sử dụng để mô tả đặc điểm của tòa nhà từ một quan điểm kiến trúc

Một tòa nhà nhiều tầng với EBF—ở San Diego, California—được đề cập trong Hình 2.6b Hình 2.7 minh họa hai ứng dụng thú vị của kết cấu thép với EBF ở Thổ Nhĩ Kỳ: một ở Alikahaya (a), thứ hai ở Istanbul (b), là tòa nhà mới của Đại học Bilgi, đã nhận được giải thưởng ECCS năm 2005 Mục đích chính của thiết kế EBF là để hạn chế hoạt động không đàn hồi đối với các liên kết và thiết kế khung xung quanh các liên kết để duy trì các lực tối đa mà các liên kết có thể phát triển Thiết kế sử dụng chiến lược này phải đảm bảo rằng các liên kết hoạt động như cầu chì địa chấn dễ uốn và bảo toàn tính toàn vẹn của toàn bộ khung Vì lý do này, các thành phần khác của hệ thống khung (chẳng hạn như các thanh giằng chéo, cột và các kết nối liên kết) phải được thiết kế cho các lực được tạo ra bởi sự biến dạng và biến dạng hoàn toàn của các liên kết tiêu tán Với mục đích này, điều quan trọng là phải phân bổ rõ ràng các tác động bên trong hệ thống EBF và xác định mối quan hệ giữa lực cắt khung và lực cắt liên kết, chỉ phụ thuộc vào cấu hình EBF Các hành động thiết kế trong các liên kết có thể được tính toán bằng cách sử dụng các khái niệm cân bằng

Hình 2.7 (a) Tòa nhà nhiều tầng ở Alikahya (Thổ Nhĩ Kỳ); (b) Đại học Bilgi ở

Hình 2.8 Mô hình phân tích nội lực cho giằng chữ K

Ví dụ, trong EBF giằng chữ K (thể hiện trong Hình 2.8), giả sử rằng mômen tại tâm của liên kết bằng 0, lực cắt liên kết V có thể được biểu thị bằng:

(Công thức 2.13 đến 2.16 được lấy theo Seismic Design of Steel Structures, Victor Gioncu and Federico Mazzolani, 2013) trong đó: F là lực bên, H là chiều cao giữa các tầng và L là chiều dài vịnh Trong trường hợp EBF có giằng chữ Y ngược (Hình 2.8), giả sử rằng mô men tại các liên kết giằng bằng 0 (nghĩa là trong trường hợp giằng cố định), lực cắt liên kết

V có thể được biểu thị bằng

F = V (2.14) trong đó: F lại là lực ngang

Hiệu suất không đàn hồi của liên kết về cơ bản phụ thuộc vào độ dài, thuộc tính mặt cắt ngang và cách bố trí bộ phận làm cứng web của nó Đối với một mặt cắt nhất định, độ dài liên kết kiểm soát cơ chế năng suất và chế độ lỗi cuối cùng

Các liên kết ngắn chủ yếu bị chi phối bởi cơ chế cắt; thay vào đó, một cơ chế uốn kiểm soát phản ứng liên kết đối với các liên kết dài Các liên kết trung gian được đặc trưng bởi năng suất cắt và uốn kết hợp Giả sử độ dẻo hoàn hảo, không có tương tác uốn – cắt, và mô men kết thúc liên kết bằng nhau, điểm phân chia lý thuyết giữa liên kết ngắn (chịu ảnh hưởng của lực cắt) và liên kết dài (chịu ảnh hưởng của uốn) là độ dài e = 2Mp/Vp, trong đó Mp = Zfy là mô men uốn dẻo (Z là mô đun dẻo và fy là ứng suất chảy của thép) và Vp = 0.55fy.(d-2tf).tw (là d độ sâu của mặt cắt ngang, tw độ dày bản bụng và tf độ dày mặt bích)

Hình 2.9 Mô hình phân tích nội lực cho giằng chữ Y ngược

Các thử nghiệm thực nghiệm (Hjelmstad và Popov, 1983; Kasai và Popov, 1986a) chỉ ra rằng giả định không có tương tác M–V là hợp lý, nhưng giả định về tính dẻo hoàn hảo là không đúng Trên thực tế, sự biến cứng đáng kể xảy ra trong các liên kết cắt Theo một số thử nghiệm đầu tiên được thực hiện vào những năm

1980, lực cắt liên kết cuối cùng trung bình có thể đạt giá trị 1,5Vp (Kasai và Popov, 1986a; Popov và Engelhardt, 1988) Các thử nghiệm gần đây được báo cáo bởi Okazaki và Engelhardt (2007) dường như xác nhận tính hợp lệ của một giá trị như vậy đối với độ mạnh trung bình được thể hiện bởi các liên kết ngắn Tuy nhiên, các thử nghiệm khác được thực hiện gần đây trên các liên kết cắt lắp sẵn (Itani et al., 2003; McDaniel et al., 2003) cho thấy các hệ số dư sức mạnh lớn hơn, đạt giá trị lớn hơn 2 một chút trong trường hợp thép cacbon thông thường và lên đến 4 trong trường hợp thép có điểm năng suất thấp Trong các thử nghiệm được báo cáo bởi D'Aniello et al (2005), các hệ số cường độ lớn hơn 3 đã được thể hiện bằng các hình dạng mặt bích rộng (HE) kiểu châu Âu Dù sao đi nữa, giá trị hiện được chấp nhận cho độ bền trung bình của các liên kết cắt là 1,5 và nó tạo thành cơ sở cho các quy tắc thiết kế chống động đất bằng thép hiện đại, chẳng hạn như Quy định về địa chấn của AISC (2005) Ảnh hưởng của các hạn chế dọc trục đối với hiệu suất liên kết gần đây đã được nêu rõ trong Della Corte et al (2007), chỉ ra rằng lực kéo dọc trục phát triển ở các biến dạng cắt lớn, do hậu quả của các hiệu ứng hình học bậc hai, có thể không đáng kể và có thể là một nguyên nhân góp phần gây ra hệ số vượt cường độ lớn hơn 1,5, được đo trong các thử nghiệm được thực hiện của McDaniel và cộng sự (2003), Dusicka và cộng sự (2004), và D'Aniello et al (2005) Một ý nghĩa của việc làm cứng biến dạng là cả năng suất cắt và năng suất mômen xảy ra trên một loạt các độ dài liên kết Momen đầu lớn, kết hợp với gradient biến dạng đáng kể xuất hiện trong các liên kết, dẫn đến biến dạng mặt bích rất lớn Kasai và Popov (1986a) ước tính rằng thời điểm kết thúc liên kết tối đa có thể được giả định là 1,2Mp Do đó, từ liên kết tĩnh nếu các khoảnh khắc kết thúc được giới hạn ở 1,2Mp và lực cắt liên kết được cho là đạt 1,5Vp, thì độ dài liên kết giới hạn là:

Sau đó, các phương trình sau có thể được sử dụng để phân loại phản ứng cơ học của liên kết: Liên kết cắt (ngắn):

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ GIẰNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA NHÀ THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Mô hình nhà thép cao tầng (3D) chịu tải trọng động đất

Sử dụng phần mềm ETABS 16 mô hình công trình nhà thép cao tầng giả định chịu tải trọng động đất qua phân tích động theo miền thời gian

Lấy kết quả đo thực tế của trận động đất rận động đất San Fernando, được biết đến nhiều nhất dưới tên gọi "Động đất Northridge," đã ghi dấu một trang sử đau thương trong lịch sử California và Hoa Kỳ vào ngày 17 tháng 1 năm 1994 Sự kiện này xảy ra vào khoảng 4:31 sáng, giờ địa phương Độ mạnh của trận động đất San Fernando được đo bằng thang Richter và được ước tính là 6.7 Thang Richter đánh giá năng lượng phát ra từ động đất và được sử dụng để đo độ mạnh tương đối của các sự kiện địa chấn

Tâm chấn của trận động đất San Fernando nằm gần khu vực Northridge, một khu vực trong quận Los Angeles, California Tâm chấn thường được xác định là vị trí chính của sự kiện địa chấn, nơi mà sự cắt giao của các tấm đá của vỏ trái đất gây ra biến dạng và phát ra năng lượng

Công trình nhà cao tầng có cấu tạo bằng khung thép được xét có mặt bằng công trình 20x20m 2 , cao 15 tầng (57m) với chiều cao mỗi tầng là 3.8m Trong luận văn này, cách tính tải trọng động đất được xét đến là phương pháp phân tích động theo miền thời gian Sự ảnh hưởng của các hệ giằng đến nội lực cũng như chuyển vị của hệ khung là mục tiêu khảo sát Từ đó đưa ra những đánh giá cho việc lựa chọn hệ giằng hợp lý Bên cạnh đó trường hợp phân tích buckling được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng oằn của mô hình

3.1.1 Đặt trưng hình học và tải trọng tác dụng

Vì công trình là giả định nên công trình được mô hình với tiết diện cột, dầm lấy theo thư viện của phần mềm Etabs 16 và kết quả được tổng hợp thành Bảng 3.1.

Bảng 3.1 Đặt trưng tiết diện hình học

Cấu kiện Ký hiệu Hình học Chi tiết

Sàn h0 Sàn bê tông Sàn bê tông có bờ dày h 0mm

Bảng 3.2 Tải trọng tác dụng

Tĩnh tải bản thân (Dead)

Tĩnh tải cấu tạo sàn + tải tường qui đổi phân bố đều sàn (Sdead)

Hoạt tải toàn phần (Live)

Giá trị (kN/m 2 ) Phần mềm tính toán 5 3

Các loại tải trọng bao gồm tĩnh tải tiêu chuẩn (DEAD) của trọng lượng bản thân kết cấu, tĩnh tải tiêu chuẩn do cấu tạo sàn (SDEAD), hoạt tải tiêu chuẩn toàn phần (LIVE) Tải trọng địa chấn được gán theo phương pháp phân tích động miền thời gian như Hình 3.1

3.1.2 Vật liệu sử dụng, gia tốc nền và sơ đồ kết cấu

Gia tốc động đất là một tham số quan trọng để đánh giá mức độ rung động của động đất Trận động đất San Fernando đã gây ra gia tốc mạnh, và giá trị này thường được đo bằng thang gia tốc địa chất (g) Gia tốc tại các khu vực khác nhau trong vùng địa chấn có thể khác nhau Để biết thêm thông tin chi tiết về gia tốc tại các vị trí cụ thể, cần tham khảo các báo cáo nghiên cứu địa chấn sau sự kiện

Hình 3.1 Gia tốc động đất theo miền thời gian được khai báo trong Etabs

Thép: Vật liệu thép sử dụng cho kết cấu khung có Mac CCT34, trong tiêu chuẩn TCVN 5575 - 2012 có cường độ fu = 340Mpa, Es = 21x10 4 Mpa

Hình 3.3 là mặt bằng bố trí của công trình khảo sát Hệ giằng được bố trí tại các khung trục biên ( trục 1, 5, A và E) như Hình 3.4 và Hình 3.5

Công trình khảo sát có tính chất đều đặn theo cả 2 phương, hệ cột đối xứng và mặt bằng dầm được bố trí có độ cứng ngang đều nhau

Hình 3.2 Mô hình khung không gian 3D

Hình 3.3 Mặt bằng bố trí kết cấu

3.1.3 Gián tải trọng động đất theo miền thời gian trong mô hình

Hình 3.4 Dữ liệu động đất theo miền thời gian định nghĩa trong phần mềm Etabs

Hình 3.5 Trường hợp tải tính toán động đất theo miền thời gian định nghĩa trong phần mềm Etabs

Hình 3.6 Dạng dao động của công trình chịu tải trọng động đất theo miền thời gian tại thời điểm giây thứ nhất 1(s)

Hình 3.7 Dạng dao động của công trình chịu tải trọng động đất theo miền thời gian tại thời điểm giây thứ 5(s)

Hình 3.11 Lực cắt đáy do tải trọng động đất gây ra tính theo phương pháp miền thời gian ảnh hưởng lên công trình

Trường hợp phân tích

3.2.1 Phân tích sự ảnh hưởng của hệ giằng

Phân tích sự ảnh hưởng của hệ giằng các trường hợp sau:

+ Trường hợp 1: Hệ không giằng

+ Trường hợp 2: Hệ giằng chéo /

+ Trường hợp 3: Hệ giằng V ngược

+ Trường hợp 4: Hệ giằng V/\ thuận ngược

Hình 3.12 Bố trí hệ không giằng và hệ giằng chéo /

Hình 3.13 Bố trí hệ giằng V ngược và hệ giằng V/\ thuận ngược

Phân tích Buckling các trường hợp sau:

+ Trường hợp khung không gian trong 4 trường hợp có và không có hệ giằng: + Phân tích đàn hồi tuyến tính khai báo như Hình 3.14

+ Phân tích đàn hồi Bậc 2 khai báo như Hình 3.15

Hình 3.14 Khái báo phân tích đàn hồi tuyến tính

Hình 3.15 Khái báo phân tích đàn hồi Bậc 2

Kết quả phân tích

3.3.1 Phân tích mode dao động

Mode dao động có sự tương quan đến độ cứng công trình và phản ứng của nó khi động đất xuất hiện Vì lý do đó, khảo sát về mode dao động khi không sử dụng hệ giằng và khi sử dụng hệ giằng là cần thiết trong luận văn này Bảng 3.3 tổng hợp

12 mode dao động với chu kỳ tương ứng cho các trường hợp khảo sát Hình 3.16 thể hiện hình dáng mode dao động cho bốn trường hợp lần lượt là hệ không giằng, hệ giằng chéo /, hệ giằng chữ V ngược và hệ giằng chữ V thuận ngược (V/\)

Bảng 3.3 Chu kỳ dao động T(s) của 12 mode

Mode Hệ không giằng Hệ giằng chéo / Hệ giằng V ngược

Dữ liệu từ Bảng 3.3 cho thấy chu kỳ dao động là dảm dần theo thứ tự các mode, điều này là phù hợp với lý thuyết vì mode đầu tiên thường xảy ra theo phương yếu nhất của kết cấu nên thời gian cần thiết cho dao động là lớn nhất Thêm nữa, kết cấu công trình cứng lên rõ ràng khi được bố trí hệ giằng vì thời gian cho một chu kỳ giảm rất nhiều Cụ thể:

+ Trường hợp hệ không giằng với hệ giằng chéo / chênh lệch từ 37.88% đến 56.45%

+ Trường hợp hệ không giằng với hệ giằng V ngược chênh lệch từ 43.18% đến 61.32%

+ Trường hợp hệ không giằng với hệ giằng V thuận ngược (V/\) chênh lệch từ 43.20% đến 61.32%

Mặc khác, chu kỳ dao động của công trình cho cả ba hệ giằng hầu như là tương đương, tuy có khác biệt nhưng không đáng kể Như vậy, về mặt tổng thể các hệ giằng là tương đương nhau Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó chi tiết đến nội lực của dầm cột, vị trí bố trí hệ giằng, chuyển vị của công trình như thế nào sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

Hình 3.16 Mode dao động cho 4 trường hợp phân tích

Chuyển vị tầng thu được cho trường hợp gán tải động đất bằng phương pháp miền thời gian được thể hiện trong Hình 3.17 Không ngạc nhiên khi chuyển vị đỉnh của công trình khi không có hệ giằng là lớn nhất Chuyển vị của công trình cho cả ba hệ giằng là tương đương nhau và thấp hơn so với hệ không giằng là trong khoảng 20%

Chuyển vị tầng với trường hợp bố trí hệ giằng V thuận ngược (V/\) là tối ưu nhất sau đó đến hệ giằng V ngược và hệ giằng chéo

Hình 3.17 Chuyển vị tầng chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Hình 3.18 Chuyển vị lệch tầng của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Chuyển vị lệch tầng thu được cho trường hợp gán tải động đất bằng phương pháp miền thời gian được thể hiện trong Hình 3.18 Cho thấy chuyển vị lệch của công trình khi không có hệ giằng là lớn nhất Chuyển vị lệch tầng của công trình

Vị trí tầng cho cả ba hệ giằng là tương đương nhau và thấp hơn so với hệ không giằng là trong khoảng 30%

Chuyển vị lệch tầng với trường hợp bố trí hệ giằng V thuận ngược (V/\) là tối ưu nhất sau đó đến hệ giằng V ngược và hệ giằng chéo.

Phân tích nội lực

3.4.1 Phân tích nội lực cột trục 1.C (Cột biên)

Hình 3.19 Lực dọc cột trục 1.C của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Theo kết quả nghiên cứu, bố trí hệ giằng chéo cho nội lực nhỏ nhất, giảm 1,3 lần so với hệ không giằng Ngược lại, hệ giằng V ngược và V thuận nghịch có nội lực lớn hơn hệ không giằng, cụ thể hệ giằng V lớn hơn 1,4 lần và hệ giằng V thuận nghịch lớn hơn 1,3 lần.

Hình 3.20 Lực cắt cột trục 1.C của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Dựa vào Hình 3.20, lực cắt xét theo 3 trường hợp bố trí hệ giằng cho thấy: Trường hợp giằng V thuận chiều (V/\) có nội lực nhỏ nhất, giảm 1,99 lần so với hệ không giằng Ngược lại, trường hợp giằng chéo (/) có nội lực lớn nhất trong cả ba trường hợp So với hệ không giằng, nội lực của hệ giằng V nhỏ hơn 1,9 lần, còn nội lực của hệ giằng chéo nhỏ hơn 1,81 lần.

Hình 3.21 Moment cột trục 1.C của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Mô-men trong cột là một thành phần quan trọng cần xem xét trong thiết kế kết cấu chịu động đất Hình 3.21 minh họa mô-men trong cột trục 1.C cho tình huống tính toán địa chấn theo phương pháp miền thời gian Do cách phân bố lực tương tự nhau, tác giả chỉ trình bày mô-men cho một trường hợp duy nhất.

Hình ảnh cho thấy khi không bố trí hệ giằng thì moment trong cột là lớn nhất Với trường hợp bố trí hệ giằng thì cũng giống như lực dọc, momet trong cột với hệ giằng chéo lớn nhất sau đó đến hệ giằng V ngược và hệ giằng V thuận nghịch V/\ Gía trị chênh lệch của hệ giằng chéo với hệ không giằng là 2.1 lần, của hệ giằng V ngược với hệ không giằng là 2.3 lần và hệ giằng V thuận ngược (V/\) lớn hệ không giằng là 2.2 lần

Như vậy, khi bố trí hệ giằng, cột trục 1.C có sự thay đổi lớn về nội lực Moment và lực dọc trong cột là giảm Cần lưu ý, cột trục 1.C là cột trong khung được bố trí trực tiếp hệ giằng

3.4.2 Phân tích nội lực cột trục 1.E (Cột góc)

Hình 3.22 Lực cắt cột trục 1.E của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Theo kết quả của Hình 3.22 thì lực cắt trong trường hợp bố hệ giằng V thuận ngược (V/\) nội lực nhỏ nhất, nhỏ hơn hệ không giằng là 1.88 lần Ngược lại với hệ giằng chéo / lại lớn nhất trong 3 trường hợp có bố trí hệ giằng Hệ giằng V nhỏ hệ không giằng là 1.86 lần và hệ giằng chéo nhỏ hệ không giằng là 1.80 lần

Hình 3.23 Moment cột trục 1.E của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Hình 3.23 cho thấy khi không bố trí hệ giằng thì moment trong cột là lớn nhất trong khoảng từ tầng 6 đến tầng 15 và nhỏ nhất từ tầng 1 đến tầng 6 Với trường hợp bố trí hệ giằng thì momet trong cột với hệ giằng chéo lớn nhất sau đó đến hệ giằng V thuận nghịch V/\ và hệ giằng V ngược Gía trị chênh lệch của hệ giằng

Vị trí tầng chéo với hệ không giằng là 4.84 lần, của hệ giằng V thuận ngược (V/\) lớn hệ không giằng là 3.83 lần và hệ giằng V ngược với hệ không giằng là 3.77 lần

3.4.3 Phân tích nội lực cột trục 3.C (Cột giữa)

Hình 3.24 Lực cắt cột trục 3.C của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

So với hệ không giằng, lực cắt của hệ bố trí giằng V thuận/nghịch và hệ giằng V nghịch gần bằng nhau, nhỏ hơn 1,44 lần Hệ giằng chéo có lực cắt lớn nhất, giảm 1,33 lần so với hệ không giằng.

Hình 3.25 Moment cột trục 3.C của công trình chịu tải trọng động đất trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Sơ đồ 3.25 cho thấy rằng khi cột không được bố trí hệ giằng, thì mô men trong cột sẽ đạt giá trị lớn nhất Ngược lại, khi hệ giằng được bố trí, mô men trong cột với hệ giằng chéo sẽ đạt giá trị lớn nhất sau khi mô men trong cột không có giằng.

Vị trí tầng đó đến hệ giằng V thuận nghịch V/\ và hệ giằng V ngược Gía trị chênh lệch của hệ giằng chéo với hệ không giằng là 1.34 lần, của hệ giằng V thuận ngược (V/\) lớn hệ và hệ giằng V ngược với hệ không giằng là 1.43 lần

3.4.4 Phân tích nội lực khung trục 1 và khung trục 3

Bảng 3.4 Giá trị lực dọc, moment lớn nhất trong cột trục 1(tầng 1)

Hệ không giằng Hệ giằng chéo / Hệ giằng V ngược Hệ giằng V/\ thuận ngược Lực dọc

Bảng 3.5 Giá trị lực dọc, moment lớn nhất trong cột trục 3(tầng 1)

Hệ không giằng Hệ giằng chéo / Hệ giằng V ngược Hệ giằng V/\ thuận ngược Lực dọc

(kN.m) 256.224 360.130 316.004 280.983 Đối với công trình khi bố trí hệ giằng, hầu như nội lực trong khung trục 1 và khung trục 3 có xu hướng tăng so với hệ không giằng Gía trị moment và lực dọc có phần ngược nhau ở cách bố trí các dạng hệ giằng, trong khi bố trí dạng hệ giằng chéo đến dạng hệ giằng V ngược và dạng V thuận ngược cho giá trị lực dọc tăng từ 64.24% lên đến 71.95% thì moment lại giảm từ 28.79% xuống còn 8.68% trong cột trục 1 Với khung trục 3 thì giá trị lực dọc tăng từ 29.57% lên đến 52.45% còn moment giảm từ 28.85% xuống 8.81%

Với moment khung trục 1 và khung trục 3 cho thấy giá trị là như nhau trong 2 khung Điều này cho thấy việc khung có bố trí trực tiếp hệ giằng hay không không làm ảnh hưởng đến moment

Nhưng ngược lại với moment thì giá trị lực dọc trong khung trục có sự thay đổi lớn ở việc bố trí hệ giằng trực tiếp, giá trị lực dọc ở khung trục 1 lớn hơn khung trục 3 Với hệ không giằng giá trị lực dọc của khung trục 1 lớn khung hơn khung trục 3 là 2.0 lần, hệ giằng chéo là là 3.9 lần, hệ giằng V ngược là 3.8 lần và hệ giằng

3.4.5 Phân tích theo miền thời gian

Hình 3.26 Chuyển vị đỉnh của công trình chịu tải trọng động đất theo miền thời gian trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Qua biểu đồ chuyển vị của công trình theo miền thời gian ta thấy: tỷ lệ chênh lệch thể hiện rằng trong trường hợp hệ giằng V ngược, giá trị lớn nhất lớn hơn giá trị nhỏ nhất khoảng 24.4% (1.244 lần), trong khi trong trường hợp hệ giằng chéo, giá trị lớn nhất lớn hơn giá trị nhỏ nhất khoảng 22.8% (1.228 lần) Đối với hệ giằng V/\ thuận ngược, giá trị lớn nhất lớn hơn giá trị nhỏ nhất khoảng 19.8% (1.198 lần) Như vậy, trong trường hợp hệ giằng chéo, chênh lệch lớn nhất là khoảng 23.63%, trong khi trong trường hợp hệ giằng V/\ thuận ngược và hệ giằng V ngược, chênh lệch lớn nhất là khoảng 16.18% và 16.16% tương ứng

Hình 3.27 Lực cắt cột C3 (trục 1-C) của công trình chịu tải trọng động đất theo miền thời gian trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng

Trong bốn trường hợp bố trí hệ giằng khác nhau, chúng ta quan tâm đến lực cắt tại cột C3 trục 1 Kết quả được thu được như sau:

Trong hệ không giằng, lực cắt tại cột C3 trục 1 đạt giá trị 18.3275

Trong hệ giằng chéo, lực cắt tại cột C3 trục 1 tăng lên đáng kể, đạt giá trị 36.791

Trong hệ giằng V ngược, lực cắt tại cột C3 trục 1 có giá trị là 29.0512

Kết quả phân tích Buckling

Hình 3.36 Chuyển vị tầng trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng chịu động đất qua phân tích Buckling

Hình 3.37 Chuyển vị lệch tầng trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng chịu động đất qua phân tích Buckling

Phân tích sự đổ gục của công trình dưới tác động của động đất đã được thực hiện thông qua bốn trường hợp khác nhau, mỗi trường hợp có sự bố trí hệ giằng khác nhau Kết quả phân tích cho thấy tải trọng động đất không chỉ ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị tầng mà còn cả chuyển vị lệch tầng của hệ giằng.

Trong các trường hợp nghiên cứu, trường hợp bố trí hệ giằng V thuận ngược đã cho thấy kết quả chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng công trình là nhỏ nhất Điều này có ý nghĩa rằng việc bố trí hệ giằng theo kiểu này giúp giảm thiểu sự biến dạng của công trình khi chịu tải trọng động đất và đồng thời giảm động đất gây ra cho chuyển vị công trình Điều này là một điểm quan trọng đối với việc đảm bảo tính ổn định và an toàn của công trình trong điều kiện động đất

Ngược lại, trường hợp không bố trí giằng cho thấy kết quả chuyển vị và chuyển vị lệch tầng lớn nhất Giữa các trường hợp trung gian như hệ giằng V ngược và hệ giằng chéo, kết quả nằm ở khoảng giữa

Cụ thể, giá trị chênh lệch chuyển vị tầng giữa các trường hợp là một yếu tố đáng chú ý Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng chéo cho thấy sự chênh lệch từ 12.36% đến 45.81%, đây là một sự chênh lệch đáng kể Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng V ngược có chênh lệch từ 27.43% đến 70.43%, đặc biệt lớn Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng V thuận ngược có chênh lệch từ 27.72% đến 53.81% Tương tự, giá trị chênh lệch chuyển vị lệch tầng giữa các trường hợp cũng là một yếu tố quan trọng Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng chéo cho thấy sự chênh lệch từ 29.10% đến 87.11%, đây là một sự chênh lệch đáng kể Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng V ngược có chênh lệch từ 21.34% đến 80.02%, đặc biệt lớn Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng V thuận ngược có chênh lệch từ 19.37% đến 85.37%

Những kết quả này đặt ra câu hỏi quan trọng về sự lựa chọn hệ giằng trong thiết kế công trình chịu tải trọng động đất Việc bố trí hệ giằng có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định và an toàn của công trình trong điều

Hình 3.38 Lực cắt trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng chịu động đất qua phân tích Buckling

Hình 3.39 Moment trong 4 trường hợp bố trí hệ giằng chịu động đất qua phân tích Buckling

Phân tích Buckling của công trình dưới tác động của động đất đã tiến hành qua

4 trường hợp bố trí hệ giằng khác nhau, cho chúng ta cái nhìn chi tiết về ảnh hưởng của tải trọng động đất đến công trình Dưới đây là những nhận xét và đánh giá quan trọng:

Hệ giằng và tải trọng động đất:

Việc bố trí hệ giằng V thuận ngược cho thấy kết quả lực cắt và mô men công trình là nhỏ nhất Điều này cho thấy phương án bố trí này có khả năng làm giảm đáng kể biến dạng công trình và giảm thiểu tác động của động đất lên lực cắt.

Ngược lại, trường hợp không bố trí giằng đạt kết quả lớn nhất về nội lực, bao gồm lực cắt và moment Các trường hợp trung gian như hệ giằng V ngược và hệ giằng chéo nằm giữa hai trường hợp đối diện Điều này nêu ra tầm quan trọng của việc lựa chọn cẩn thận hệ giằng trong thiết kế công trình chịu tải trọng động đất Lựa chọn này có thể ảnh hưởng đến tính ổn định và an toàn của công trình, đồng thời cân nhắc về các yếu tố như chi phí, kỹ thuật và an toàn

Sự chênh lệch trong lực cắt và moment giữa các trường hợp là điểm đáng chú ý Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng chéo có sự chênh lệch từ 21.75% đến 75.26%, đây là một sự chênh lệch đáng kể Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng V ngược có sự chênh lệch từ 16.67% đến 78.75%, đặc biệt lớn

Giá trị chênh lệch moment cũng là một yếu tố quan trọng Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng chéo cho thấy sự chênh lệch từ 10.00% đến 68.25%, đây là một sự chênh lệch đáng kể Trường hợp không bố trí giằng so với trường hợp bố trí hệ giằng V ngược có sự chênh lệch từ 12.00% đến 74.08%, đặc biệt lớn Ảnh hưởng của tải trọng động đất:

Phân tích Buckling cho thấy tải trọng động đất gây ảnh hưởng đáng kể tới cả lực cắt và moment của hệ giằng, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cân nhắc tải trọng động đất trong thiết kế và đánh giá tính ổn định của công trình.

Những nhận xét này làm nổi bật tầm quan trọng của việc lựa chọn và bố trí hệ giằng, cũng như tải trọng động đất, trong quá trình thiết kế công trình chịu tải trọng động đất Việc này là một phần quan trọng của việc đảm bảo tính ổn định và an toàn của công trình trong điều kiện động đất và đòi hỏi xem xét kỹ lưỡng các yếu tố như chi phí, kỹ thuật và an toàn

3.5.2 Phân tích đàn hồi tuyến tính

Bảng 3.6 Giá trị hệ số Buckling theo từng hệ giằng được phân tích theo phương pháp đàn hồi tuyến tính

Hình 3.40 Quan hệ hệ số Buckling theo từng hệ giằng được phân tích theo phương pháp đàn hồi tuyến tính

- Hệ số Buckling tăng lên khi bố trí hệ giằng Giá trị này tùy thuộc vào cách bố trí giằng

- Loại giằng V/\ thuận ngược cho giá trị hệ số Buckling lớn nhất so với loại giằng V ngược và đường chéo

+ Trường hợp hệ không giằng với hệ giằng chữ V ngược chênh lệch từ 60.86% đến 70.30%

+ Trường hợp hệ không giằng với hệ giằng chữ V thuận ngược (V/\) chênh lệch từ 61.16% đến 70.57%

Từ đó cho thấy, sự chênh lệch giá trị hệ số Buckling giữa các loại giằng không đáng kể, nên cân nhắc lựa chọn loại giằng phù hợp vừa đảm bảo cả hai tính kỹ thuật và kinh tế

3.5.3 Phân tích đàn hồi Bậc 2

Bảng 3.7 Giá trị hệ số Buckling theo từng hệ giằng được phân tích theo phương pháp đàn hồi bậc 2

Hình 3.41 Quan hệ hệ số Buckling theo từng hệ giằng được phân tích theo phương pháp đàn hồi bậc 2

- Hệ số Buckling tăng lên khi bố trí hệ giằng Giá trị này tùy thuộc vào cách bố trí giằng

- Loại giằng V/\ thuận ngược cho giá trị hệ số Buckling lớn nhất so với loại giằng V ngược và đường chéo

+ Trường hợp hệ không giằng với hệ giằng chữ V ngược chênh lệch từ 61.22% đến 70.97%

+ Trường hợp hệ không giằng với hệ giằng chữ V thuận ngược (V/\) chênh lệch từ 61.52% đến 71.13%

Từ đó cho thấy, sự chênh lệch giá trị hệ số Buckling giữa các loại giằng không đáng kể, nên cân nhắc lựa chọn loại giằng phù hợp vừa đảm bảo cả hai tính kỹ thuật và kinh tế

3.5.4 So sánh phân tích tuyến tính và phân tích đàn hồi bậc 2

Hình 3.42 So sánh phân tích tuyến tính và phân tích đàn hồi bậc 2

Hệ không giằng Hệ không giằng

Hệ giằng chéo / Hệ giằng chéo /

Hệ giằng V ngược Hệ giằng V ngược

Hệ giằng V/\ thuận ngược Hệ giằng V/\ thuận ngược

+ Hệ số Buckling khi phân tích theo trường hợp tuyến tính cho giá trị lớn hơn khi phân tính đàn hồi bậc 2

Trên các đường biểu diễn mối quan hệ này, giá trị chênh lệch giữa phương pháp phân tích bậc hai và phân tích tuyến tính không đáng kể, chỉ khoảng 2% Tuy nhiên, khi bố trí thêm hệ giằng vào kết cấu, kết quả phân tích bậc hai lại thấp hơn so với phân tích tuyến tính Trong quá trình thiết kế, cần lưu ý đến đặc điểm này để có thể tối ưu hóa thiết kế.

Tóm tắt chương 3 94 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 9 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trong chương 3 của luận văn tập trung vào việc phân tích chi tiết về tác động của hệ giằng đến ứng xử của nhà thép chịu tải trọng động đất Trong phạm vi này, các yếu tố quan trọng như mode dao động, chuyển vị tầng, chuyển vị lệch tầng, phân tích nội lực và phân tích buckling đã được nghiên cứu Đặc biệt, phần mềm phân tích Etabs và phân tích theo miền thời gian đã được sử dụng để xác định chính xác ảnh hưởng của hệ giằng trong môi trường động đất

Bằng cách áp dụng phần mềm phân tích Etabs, chúng ta có thể thực hiện các phân tích phức tạp và tin cậy Phần mềm này cung cấp các công cụ mạnh mẽ để đánh giá các yếu tố quan trọng như mode dao động, chuyển vị tầng, chuyển vị lệch tầng, nội lực và buckling Đồng thời, việc sử dụng phân tích theo miền thời gian cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về tác động của trận động đất và các yếu tố động lực lên hệ giằng

Kết quả của phân tích giúp đánh giá toàn diện về ảnh hưởng của hệ giằng chịu tải trọng động đất Điều này đảm bảo tính ổn định và an toàn tối đa của hệ giằng trong quá trình hoạt động, đồng thời cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn quan trọng cho việc thiết kế và xây dựng các công trình nhà thép chịu tải trọng động đất

Kết quả này khẳng định tác động đáng kể của tải trọng động đất San Fernando lên hệ giằng và kết cấu công trình Những chênh lệch lớn về chuyển vị tầng, nội lực, và hệ số Buckling phản ánh tác động mạnh của động đất lên kết cấu Điều này đặt ra thách thức cũng như cơ hội trong thiết kế và xây dựng công trình chịu động đất Cần chú trọng đến hệ giằng và các yếu tố khác để đảm bảo sự ổn định và an toàn của công trình trước điều kiện động đất, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả và kinh tế của dự án.

Chuyển vị tầng: Khi xem xét chuyển vị tầng, trường hợp không bố trí giằng cho thấy kết quả chuyển vị đỉnh lớn nhất Sử dụng hệ giằng giúp giảm chuyển vị, và trong số ba hệ giằng, hệ giằng V thuận ngược (V/) đem lại kết quả tốt nhất Chênh lệch giữa các trường hợp là đáng chú ý, với sự giảm từ 27.43% đến 70.43% Điều này chỉ ra rằng bố trí hệ giằng có thể ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị tầng của công trình

Chuyển vị lệch tầng: Khi xem xét chuyển vị lệch tầng, kết quả cũng thể hiện sự ảnh hưởng của hệ giằng Hệ giằng V/\ tối ưu nhất, tiếp theo là hệ giằng V và hệ giằng chéo Chuyển vị lệch tầng giảm khoảng 30% so với trường hợp không có hệ giằng Chênh lệch giữa các trường hợp có thể đạt đến 85.37%, đặc biệt lớn và cần được xem xét trong quá trình thiết kế

Sử dụng hệ giằng trong khung cột sẽ làm gia tăng nội lực bên trong chúng Momen trong hệ khung không bị tác động nhưng lực dọc thay đổi đáng kể, với lực dọc tại khung trục 1 lớn hơn khung trục 3 Mức độ gia tăng lực dọc tương ứng với từng loại hệ giằng, có thể đạt đến 3,9 lần so với trường hợp không sử dụng hệ giằng.

Phân tích Buckling: Hệ số Buckling tăng khi bố trí hệ giằng, và giá trị này phụ thuộc vào cách bố trí giằng Hệ giằng V thuận ngược cho hệ số Buckling lớn nhất Sự chênh lệch giá trị Buckling giữa các loại giằng không đáng kể, nhưng cần lựa chọn loại giằng phù hợp vừa đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế

Khi phân tích Buckling công trình chịu tải trọng động đất qua các trường hợp, chênh lệch lực cắt, moment, chuyển vị tầng và chuyển vị lệch tầng giữa chúng là đáng chú ý Cụ thể:

Lực cắt và moment: Trường hợp không bố trí giằng so với các trường hợp bố trí hệ giằng khác có chênh lệch đáng kể, có thể lên đến gần 80% Điều này cho thấy vai trò quan trọng của hệ giằng trong việc giảm tác động của động đất lên công trình

Chuyển vị tầng và chuyển vị lệch tầng: Sự chênh lệch giữa các trường hợp cũng lớn, có thể lên đến hơn 85% Hệ giằng V thuận ngược thường cho kết quả tốt nhất

2 KIẾN NGHỊ Để nghiên cứu tiếp theo, hãy tiến hành phân tích về cách tối ưu hóa thiết kế và bố trí hệ giằng Điều này bao gồm việc xem xét các khả năng về vị trí và tiết diện của hệ giằng để tối đa hóa khả năng chịu tải trọng động đất, đồng thời đảm bảo tính kinh tế và thẩm mỹ của công trình Để hiểu rõ hơn về tác động của hệ giằng, nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng phạm vi để bao gồm nhiều yếu tố hơn Điều này bao gồm xem xét tương tác giữa hệ giằng và các thành phần khác của công trình chịu tải trọng gió Đề xuất việc cập nhật cơ sở dữ liệu động đất và các tài liệu tiêu chuẩn liên quan đến tải trọng động đất Điều này là cần thiết để đảm bảo rằng phân tích được thực hiện dựa trên dữ liệu mới nhất và cụ thể, đồng thời đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của quá trình nghiên cứu

[1] Bùi Kiến An (2015) Phân tích tĩnh phi tuyến khung thép BRBFs bằng phương pháp AMC ĐHQG Tp Hồ Chí Minh - Đại học Bách Khoa

Đặng Thị Phương Uyên, Lê Thanh Cường, Ngô Hữu Cường (2005) đã tiến hành phân tích phi tuyến khung dàn thép phẳng bằng phương pháp Dầm - Cột được trình bày trong Tạp chí Khoa học Trường Đại học Mở TPHCM.

[3] Nguyễn Lê Ninh (2011), Cơ sở lý thuyết tính toán công trình chịu động đất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội

[4] Nguyễn Phú Cường, Huỳnh Bích Nhung, Hà Bửu Thục, Nguyễn Huy Phước, (2019) Phương pháp điều khiển chuyển vị tổng quát hóa cho phân tích phi tuyến khung thép Tạp Chí Xây Dựng 5

[5] Nguyễn Phú Cường (2020) Tại sao nên dùng Phân tích phi tuyến cho thiết kế kết cấu? Tạp chí Xây dựng 6

[6] Nguyễn Thế Hiệu (2011), “Nghiên cứu cấu tạo, tính toán, bố trí hệ giằng trong khung thép nhẹ nhà thép một tầng một nhịp”, Luận văn thạc sĩ, Đại học Kiến Trúc Hà Nội

Tiêu đề	Phân Tích Ảnh Hưởng Của Hệ Giằng Đến Ứng Xử Của Nhà Công Nghiệp Chịu Tải Trọng Động Đất
Tác giả	Đặng Đức Minh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Phú Cường
Trường học	Trường Đại Học Lạc Hồng
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Xây Dựng
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Đồng Nai

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	3,4 MB