Sự làm việc và thiết kế khung chịu tải trọng ngang có xét đến sự hình thành khớp dẻo
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 330 NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ THIẾT KẾ KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CÓ XÉT ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH KHỚP DẺO FORMATION OF PLASTIC HINGE WHEN ANALYSIS AND DESIGN THE REINFORCED CONCRETE FRAME UNDER LATERAL LOAD SVTH: Lê Xuân Quang Lớp 05X1D, Khoa Xây Dựng Dân Dụng & CN, Trường Đại học Bách khoa GVHD: ThS. Trịnh Quang Thịnh Khoa Xây Dựng Dân Dụng và CN, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Mục đích của đề tài là nghiên cứu sự làm việc và thiết kế khung chịu tải trọng ngang bằng phương pháp đẩy dần với sự hỗ trợ của phần mềm Sap2000. Kết quả tính toán được đem so sánh với các phương pháp tính toán công trình chịu tải trọng ngang khác từ đó đánh giá hiệu quả của việc thiết kế công trình. ABSTRACT This thesis uses the Push-over method in order to show the behaviour of reinforced concrete frame under lateral load. And the Push-over method is carried out by using SAP2000 software. The result of calculation from this method is compared with exist methods. Thenceforth we can assess the efficacy of design the structure. 1. Mở đầu Trong các tiêu chuẩn tính toán động đất thì hầu hết đều cho kết cấu làm việc trong giới hạn đàn hồi và quan niệm vật liệu bê tông là hoàn toàn đàn hồi, tuy nhiên bê tông lại là vật liệu đàn hồi dẻo, việc xem xét kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi hứa hẹn là một phương pháp tính toán đơn giản và đánh giá trực quan sự làm việc của công trình hơn so với các phương pháp khác. Trong các phương pháp phân tích công trình chịu tải trọng động đất như phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ phản ứng, phương pháp phân tích theo lược sử thời gian và phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức thì phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho ta tính toán sơ bộ sự làm việc của hệ kết cấu sau miền giới hạn đàn hồi. Chính vì lý do đó tác giả đề xuất việc áp dụng phương pháp tính toán đẩy dần vào việc tính toán công trình chịu tải trọng ngang để kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế. 2. Tổng quan Hiện nay, việc tính toán công trình chịu tải trọng động đất có các phương pháp như phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ dao động hay phương pháp phân tích theo lược sử thời gian [1]. Các thành phần tải trọng được nhập vào mô hình sau đó lấy kết quả nội lực để thiết kế. Với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương thì lực cắt đáy được xác định như sau: Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 331 .).( 1 mTSF db [1] Với phương pháp phân tích phổ phản ứng thì lực cắt đáy được xác định như sau: iXidiX WTSF ,, ).( [1] Với việc tính toán như trên thì không thể hiện rõ được sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang, các vị trí kết cấu trên công trình không được chỉ rõ là đã làm việc như thế nào và đặc biệt là kiểm tra lại kết quả thiết kế đối với công trình chịu tải trong ngang, các vị trí hư hỏng xuất hiện trên công trình đã hợp lý hay chưa. Còn với phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức này thì tải trọng ngang được tăng một cách liên tục và đều đặn, cho phép xác định những điểm yếu và những kiểu hư hỏng sẽ được tìm thấy trên công trình một cách trực quan. Để trình bày nội dung nghiên cứu, tác giả sử dụng phần mềm Sap2000 với tính năng phân tích Push-over để thực hiện đề tài. 3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 3.1. Nội dung phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến Đặc điểm của phương pháp tính toán này là quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu xảy ra dưới tác động gia tăng đều đặn của tải trọng ngang trong khi tải trọng đứng vẫn giữ nguyên không thay đổi. Quá trình gia tăng đều đặn tải trọng ngang này được thực hiện cho đến khi nút kiểm tra (thường là cao trình đỉnh mái) có chuyển vị ngang bằng chuyển vị mục tiêu định trước, hoặc cho tới khi lực cắt đáy đạt lực cắt mục tiêu. Chuyển vị mục tiêu là chuyển vị ngang cực đại của cao trình mái có thể đạt tới trong quá trình chịu tác động địa chấn thiết kế. Biến dạng và nội lực của kết cấu được giám sát một cách liên tục trong quá trình kết cấu chuyển vị ngang. Phương pháp này cho phép theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại của các cấu kiện thành phần cũng như toàn bộ hệ kết cấu, cũng cho phép xác định chuyển vị ngang không đàn hồi trên toàn bộ chiều cao của công trình và cách thức sụp đổ của hệ kết cấu. Khả năng chịu lực và độ dẻo cần thiết ở chuyển vị mục tiêu hoặc lực cắt đáy mục tiêu thường được dùng để kiểm tra tính đúng đắn của việc thiết kế kết cấu. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang gọi là đường cong khả năng. Đây là kết quả chủ yếu của phương pháp tính toán đẩy dần. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 332 Vì kết quả chủ yếu của phương pháp này là đường cong quan hệ lực và biến dạng nên cần phải làm rõ các thành phần trên đường cong này. Trên đường cong quan hệ lực biến dạng, năm điểm A, B, C, D và E được sử dụng để vạch rõ sự làm việc biến dạng do lực của khớp và ba điểm IO, LS, CP được sử dụng để vạch rõ chuẩn mực chấp nhận cho khớp dẻo. Điểm A: tương ứng điều kiện dỡ tải, việc phân tích chấp nhận rằng tải trọng trọng lực có thể gây ra những tác động ban đầu, vì thế tải trọng ngang có thể bắt đầu ở một điểm khác A. Điểm B: cường độ tại tiết diện cân bằng với cường độ chảy dẻo danh nghĩa. Độ dốc từ B đến C thường được lấy từ 0 đến 10% đường dốc ban đầu và bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng trọng lực đến dịch chuyển ngang. Điểm C là cường độ danh nghĩa được xác định theo các tiêu chuẩn khác nhau. Trong phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu trong đoạn từ A đến B và đến C. Các điểm IO, LS và CP thể hiện mức hư hỏng cho kết cấu. Mức hư hỏng nhẹ là OI (Immidiate Occupancy), hư hỏng mà vẫn an toàn (Life Safety) và trạng thái sụp đổ CP (Collapse Prevention). Những giá trị ấn định cho các điểm này phụ thuộc vào loại cấu kiện và phụ thuộc nhiều vào các tham số khác tùy theo các tiêu chuẩn được sử dụng để phân tích. 3.2. Phương pháp nghiên cứu 3.2.1. Thiết kế công trình chịu tải trọng ngang bằng phương pháp đẩy dần Công trình được em dùng để thực hiện là mô hình trong đồ án tốt nghiệp của em, công trình có 25 tầng nổi và một tầng hầm, được xây dựng trên vùng đất nền loại B, gia tốc nền được lấy là a gr = 0.1041g. Quá trình tính toán nội lực được em thực hiện bằng phần mềm Sap2000 và sử dụng chức năng phương pháp phân tích đẩy dần lên mô hình công trình. Các thuộc tính về khớp dẻo của kết cấu được sử dụng mặc định trong phần mềm. Sau khi tính toán được lực cắt đáy của công trình chịu theo phương pháp phân tích phổ và lực cắt đáy của công trình theo phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến với chuyển vị đỉnh mái lớn nhất cho phép của công trình là 1/750 [2], tác giả có so sánh lực cắt đáy của 2 phương pháp phân tích. Theo kết quả tính toán theo phương pháp phân tích phổ thì lực cắt đáy tương ứng với dạng dao động thứ nhất do động đất gây ra là: F X,1 = 5406 kN. Từ kết quả của phương pháp đẩy dần và lực cắt đáy do tải động đất gây ra ta có nhận xét sau: lực cắt đáy do tải động đất gây ra theo phương pháp phân tích phổ với dạng dao động 1 so với phương pháp đẩy dần thì lực cắt đáy này thuộc bước số 8 đến số 9 của phương pháp đẩy dần. Điều này cho thấy với phương pháp phổ thì kết cấu đang làm việc ở mức an toàn, chưa có vị trí nào của công trình hình thành khớp dẻo. Nếu sử dụng Load pattern cho việc Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 333 phân tích đẩy dần cho các dạng dao động sau, tương ứng với các Load pattern có dạng dao động cao thì độ cứng của công trình ở các dạng dao động đó rất lớn nên rất khó đẩy dần đến chuyển vị mục tiêu đồng thời khó để đánh giá so sánh với phương pháp khác. Bảng 1. Bảng kết quả đẩy dần theo phương X TABLE: Pushover Curve - DDX1-PUSH Step Displacement BaseForce AtoB BtoIO Total m kN 0 0 0 3502 0 3502 1 0.0114 643.475 3502 0 3502 2 0.0228 1286.95 3502 0 3502 3 0.0342 1930.425 3502 0 3502 4 0.0456 2573.9 3502 0 3502 5 0.057 3217.374 3502 0 3502 6 0.0684 3860.849 3502 0 3502 7 0.0798 4504.324 3502 0 3502 8 0.0912 5147.799 3502 0 3502 9 0.1026 5791.274 3502 0 3502 10 0.114 6434.749 3502 0 3502 Thực hiện tương tự cho phương Y ta cũng có kết quả và những nhận định tương tự như khi phân tích theo phương X. 3.2.2. Nghiên cứu sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang Thông thường, người thiết kế phải làm sao cho các khớp dẻo xuất hiện trước hết là ở các dầm sau đó mới đến các cột. Lý do như sau: Cột bị phá hoại có nghĩa là toàn bộ nhà bị đổ, trong khi chưa kịp huy động hết khả năng chịu lực của các thành phần khác của công trình. Ví dụ đối với hình 3a, nếu khớp dẻo xuất hiện ở dầm trước thì phải cần tới 27 khớp dẻo thì công trình mới đổ, còn đối với hình 3b, nếu khớp dẻo xuất hiện ở cột trước thì chỉ cần 6 khớp dẻo là công trình bị đổ. Trong các kết cấu có cột yếu, biến dạng dẻo sẽ tập trung tại một tầng nào đó (hình 3b) nên công trình cần phải có hệ số dẻo tương đối lớn. Từ những nhận định trên, tiến hành phân tích đẩy dần cho công trình để xác định được vị trí hình thành khớp dẻo trên công trình có hợp lý hay không, từ đó có những điều chỉnh cho hợp lý. Tiến hành khai báo cấp độ bền bê tông và hàm lượng cốt thép trong công trình như bảng sau: Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 334 Bảng 2. Sơ bộ chọn hàm lượng cốt thép trong dầm và cột Nhóm I (tầng hầm-4) II (tầng 5-10) III (tầng 11-15) IV (tầng 16-20) V ( tầng 21-26) Dầm 40.46 cm 2 46.76 cm 2 51.67 cm 2 47.09 cm 2 46.8 cm 2 Cột 24Ф32 24Ф28 24Ф22 24Ф18 16Ф18 Thực hiện đẩy dần đến giá trị lớn nhất theo một phương xác định để xác định sự làm việc của khung ngang theo phương đó. Chọn phương Y dùng để đánh giá sự làm việc của khung ngang trục E. Kết quả như sau: Bảng 3. Kết quả tính toán theo phương pháp đẩy dần. TABLE: Pushover Curve - PUSH-Y Step Displacement BaseForce AtoB BtoIO IOtoLS LStoCP CtoD Total m kN 0 0 0 3502 0 0 0 0 3502 1 0.083317 10035.6 3501 1 0 0 0 3502 2 0.287296 27255.622 2709 793 0 0 0 3502 3 0.489732 40795.26 2485 1017 0 0 0 3502 4 0.694716 54024.095 2360 1103 39 0 0 3502 5 0.916248 68178.879 2317 799 386 0 0 3502 6 1.158468 83625.968 2303 590 578 31 0 3502 7 1.380197 97550.07 2292 506 634 41 29 3502 Từ bảng trên ta nhận thấy rằng, khi thực hiện đẩy dần, từ bước 0 đến bước 7 thì kết cấu vẫn làm việc trong giới hạn cho phép. Từ đó đánh giá được hàm lượng cốt thép cũng như kích thước tiết diện là tương đối hợp lý. Nhận xét: Qua việc giả định hàm lượng cốt thép và thực hiện đẩy dần như trên ta có thể nhận thấy sự trực quan của phương pháp đẩy dần, phương pháp này đã chỉ ra được sự hình thành khớp dẻo trên công trình. Hình 4. Sơ đồ hình thành khớp dẻo khi khung chịu tải trọng ngang Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 335 4. Kết luận và kiến nghị 4.1. Kết luận Phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức (static pushover analysis) xét về bản chất cũng chỉ là phương pháp gần đúng mà thôi, thay vì việc phân tích động kết cấu thì chỉ tác dụng tải trọng tĩnh. Thiết kế khung bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất theo phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức phù hợp với tiêu chuẩn kháng chấn hiện đại là: đảm bảo kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong miền đàn hồi và đảm bảo cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng khi động đất mạnh xảy ra thông qua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép. Phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho phép dự đoán được vị trí các khớp dẻo sẽ xuất hiện trong khung, qua đó điều chỉnh thiết kế sao cho vị trí khớp dẻo xuất hiện đúng mong muốn của người thiết kế. 4.2. Kiến nghị Đối với hệ khung bê tông cốt thép nhiều tầng được thiết kế chịu tải trọng động đất cần tính đến sự làm việc sau đàn hồi của các bộ phận kết cấu thông qua phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức. Tuy nhiên để ứng dụng phương pháp này cần có nhiều nghiên cứu tiếp cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm Ngoài ra cần có những nghiên cứu sâu hơn để áp dụng cho tiêu chuẩn Việt Nam, đồng thời mở rộng cho các loại kết cấu khác cũng như loại vật liệu khác như thép. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCXDVN 375 - 2006 Thiết kế công trình chịu động đất. [2] TCXDVN 198 – 1997 Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối. [3] Phan Quang Minh (2006), Kết cấu bê tông cốt thép 1 – Phần cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội. [4] Ngô Thế Phong (2006), Kết cấu bê tông cốt thép 2 – Phần kết cấu nhà cửa, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Sap2000 Basic Analysis Reference Manual [6] Sermin Oguz (2005), Evaluation of Pushover Analysis Procedures for Frame Structure [7] Srinivasan Chandrasekaran, Luciano Nunziante, Giorgio Serino, Federico Carannante, Seismic Design Aids for Nonlinear Analysis of Reinforcec Concrete Structures. . Đà Nẵng năm 2010 330 NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ THIẾT KẾ KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CÓ XÉT ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH KHỚP DẺO FORMATION OF PLASTIC HINGE WHEN. pháp này đã chỉ ra được sự hình thành khớp dẻo trên công trình. Hình 4. Sơ đồ hình thành khớp dẻo khi khung chịu tải trọng ngang Tuyển tập