MÔN HỌC PHÂN TÍCH ỨNG XỬ & THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT - CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Chương 1: GIỚI THIỆU CHU G VÀ CÁC PHƯƠ G PHÁP THIẾT KẾ 1.1 1.1.1 ỘI DU G MƠ HỌC Mục tiêu Mục đích mơn học phát triển kiến thức chuyên sâu cơng trình BTCT chủ yếu dựa phương pháp phát triển áp dụng gần nước tiên tiến Âu Mỹ (tiêu chuNn Mỹ ACI 318, tiêu chuNn châu Âu Eurocode 8) Mục tiêu hiểu biết chế độ làm việc, phân tích thiết kế thành phần, kết cấu, hệ thống thường dùng cơng trình xây dựng N gồi ra, phân tích động đất phương pháp thiết kế chống động đất giới thiệu mức độ khái quát môn học 1.1.2 Các chủ đề thuyết trình Cơ sở giáo trình giảng cho học viên cao học - CIE 525 Reinforced Concrete Structures - Prof Andrew Whittaker (Buffalo University, N Y, USA, 2001) N ội dung chương 12 giới thiệu chương trình CAST tính giàn ảo - Computer Aided Strut and Tie Prof Daniel A Kuchma (University of Illinois at Urbana Champaign, IL, USA) N ội dung chương 13-15 tham khảo giảng - CE 243A Behavior and Design of RC Elementscủa Prof John Wallace (California University, CA, USA) Các chủ đề trình bày bao gồm: Các phương pháp thiết kế Vật liệu bê tông cốt thép Phân tích mơmen-độ cong Phân tích đường chảy dẻo (yieldline analysis) sàn Phương pháp dải (strip-method) phân tích sàn Mơ hình “giàn ảo” (strut and tie) thiết kế BTCT Chế độ làm việc BTCT chịu tải gây uốn, tải dọc trục, tải gây cắt Phân tích thiết kế cơng trình chống động đất 1.1.3 Tài liệu tham khảo Học viên cao học cần tìm tiêu chuNn Mỹ ACI 318 Building Code, 2005 hay 2008 Một số tài liệu tham khảo hữu ích khác bao gồm: [1] MacGregor, J G., 1997, Reinforced Concrete Mechanics and Design, 3rd Ed., Prentice Hall [2] Schaeffer, T C., 1999, Design of Two-Way Slabs, SP 183, American Concrete Institute, Michigan [3] Tjhin, T N and Kuchma, D A., 2004, Computer Aided Strut-and-Tie, version 0.9.11, University of Illinois at Urbana Champaign, Illinois [4] Priestley, M J N and Paulay, T., 1992, Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng N ghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh [5] Booth, E and Key, D., 2006, Earthquake Design Practice for Buildings, 2nd Ed., Thomas Telford Ltd [6] ICBO, 2000, International Building Code, International Conference of Building Officials, Whittier, CA [7] FEMA, 2000, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 356, Washington, DC [8] Bộ Xây Dựng, 2006, Thiết Kế Cơng Trình Chịu Động Đất, TCXDVN 375-2006, N XB Xây Dựng, Hà N ội 1.1.4 Thời gian giảng dạy (45 tiết) Bài giảng (số tiết) Tiêu đề Chương (3 tiết - tuần 1) Giới thiệu chung phương pháp thiết kế Chương (1 tiết - tuần 2) Vật liệu bê tông cốt thép Chương (2 tiết - tuần 2) Chương (3 tiết - tuần 3) Chương (3 tiết - tuần 4) Chương (3 tiết - tuần 5) Chương (4 tiết- tuần 6-7) Chương (4 tiết- tuần 7-8) Chương (4 tiết - tuần 8-9) Chương 10 (3 tiết - tuần 10) Chương 11 (1 tiết - tuần 11) Chương 12 (3 tiết - tuần 12) Chương 13 (4 tiết - tuần 13) Chương 14 (4 tiết - tuần 14) Chương 15 (4 tiết - tuần 15) Bê tông cốt thép bị ép ngang (confined) Phân tích mơmen-độ cong Phân tích thiết kế hệ thống sàn Phân tích đường chảy dẻo sàn Phương pháp dải phân tích sàn Mơ hình “giàn ảo”: khái niệm mơ hình Mơ hình “giàn ảo”: nút - chống - giằng Chế độ làm việc kết cấu BTCT chịu lực uốn lực dọc trục Chế độ làm việc kết cấu BTCT chịu lực gây cắt Tính tốn giàn ảo chương trình CAST (Computer Aided Strut-and-Tie) Khái qt phân tích thiết kế cơng trình chống động đất Phân tích thiết kế khung BTCT chống động đất Phân tích thiết kế vách cứng BTCT chống động đất Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công N ghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh 1.2 THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐ G KHU G KẾT CẤU CHNU LỰC 1.2.1 Các vấn đề cần nghiên cứu hạn chế thiết kế Quá trình thiết kế kết cấu bao gồm vấn đề cần nghiên cứu sau: 1) Cơng hình dáng cơng trình Truy tìm thơng qua phương án thiết kế kiến trúc thiết kế kết cấu o nhu cầu bao hàm không gian tổng thể nội dung bên o cung cấp độ an toàn cao cho người thụ hưởng o Sự làm việc thuận tiện không gian kèm theo phuơng án Sự mong muốn chủ đầu tư o cơng trình phát triển mở rộng nữa, N hu cầu uyển chuyển thiết kế qui hoạch dể sửa sang cải tạo cho thuê mướn o gây áp lực việc lựa chọn phương án hệ kết cấu chịu lực: khung chịu mô men (moment frame), vách cứng, hay khung hệ giằng (braced frame) 2) Hiệu kinh tế, giá thành xây dựng Các kỳ vọng chủ đầu tư: ví dụ đơn gía suất đầu tư so với dự án khác, khả hoàn vốn Dùng bê tông nhẹ nhằm làm giảm tối đa tải trọng lên móng cơng trình nhà cao tầng 3) Độ bền vững Sự làm việc dài hạn, bảo quản cơng trình o Dùng bê tơng nặng cho cơng trình bảo vệ o Dùng bê tơng thường (khơng dùng bê tông nhẹ) cho kết cấu chịu lực bên ngồi Áp dụng lớp phủ có khả thích nghi với vết nứt bê tơng bị co ngót hay dùng lớp phủ thêm để tăng thêm độ bền vững cơng trình Làm việc mơi trường ăn mòn o Sơn phủ epoxy lên thép o Dùng hệ thống chống ăn mòn kiểu ca tốt (cathodic protection systems) 4) Tổng thể kết cấu Bảo đảm độ an tồn cơng cộng Thoả mản qui phạm tiêu chuNn xây dựng quốc gia tối thiểu, gồm ASCE-7, ACI 318, International Building Code Thiết kế bảo đảm chịu tải bình thường (expected loads) ứng xử dẻo (ductile response) trường hợp vượt tải (do tải trọng lực, động đất, nổ, ) Thiết kế chịu mỏi (fatigue) số trường hợp (như thiết kế cầu) Độ cứng tổng thể đủ lớn để kiểm soát độ võng ngắn hạn dài hạn giới hạn cho phép để cực tiểu dao động cơng trình Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng N ghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh N hững giới hạn điển hình gây áp lực lên kỹ sư thiết kế kết cấu ? 1) N gân quỹ xây dựng hạn chế từ chủ đầu tư Chi phí xây dựng hệ khung kết cấu thường thấp 25 % tổng chi phí dự án 2) Phí dịch vụ kỹ thuật kết cấu Có thể thấp % tổng chi phí dự án Ít khuyến khích để cách tân lợi nhuận người thiết kế bị mập mờ 3) Chủ đầu tư và/hoặc kiến trúc sư thiếu kiến thức gây trở ngại thảo luận vấn đề mà qui phạm qui định ứng xử kết cấu phương pháp thiết kế để cải thiện chế độ làm việc kết cấu 4) Kỹ sư thiết kế kết cấu thiếu kiến thức N hiều kỹ sư thực hành đào tạo trước đời phương pháp thiết kế dựa chuyển vị (displacement-based design) thiết kế dựa hiệu suất (performance-based design) phần lớn tin cậy vào phương pháp tuyến tính phân tích kết cấu trình bày tiêu chuNn thực hành (ví dụ, 2000 IBC UBC) Ít kỹ sư kết cấu chuyên gia dùng phương pháp để phân tích đánh giá kết cấu, ví dụ trình bày FEMA 273 (Hướng dẫn-Guidelines) FEMA 274 (Bình luậnCommentary) FEMA 356 (Tiêu chuNn sơ bộ-Pre-Standard) 1.2.2 Qui trình thiết kế (5 bước) Thiết kế kết cấu (bao gồm phân tích, thiết kế, thiết kế chi tiết, đánh gía kết cấu) q trình nhiều bước tương tác lẫn nhau, mà thiết kế phải tuân theo tất qui tắc bắt buộc (bao gồm tư vấn kiến trúc, tư vấn quản lý xây dựng, tư vấn cơ-điện-nước_ M/E/P) Các bưóc chủ yếu qui trình thiết kế thơng thường cho cơng trình nhà sau: 1) Xác định giới hạn dự án, bao gồm vốn, hình dạng nhà kiểu kiến trúc, giới hạn chức (gồm bước cột, vật liệu xây dựng, giới hạn dịch vụ [độ võng], giới hạn dao động, độ an toàn, nhu cầu vận chuyển đứng, nhu cầu M/E/P) 2) Xác định mục tiêu làm việc kết cấu, mà quan trọng thường thoả yêu cầu qui định qui phạm xây dựng tương ứng Các mục tiêu làm việc phức tạp định rõ trước 3) Tính tốn tải trọng đứng ngang sơ Đề xuất kích thước cốt thép tính thử (trial sizes) cho thành phần kết cấu chịu tải trọng đứng ngang sơ Lập thiết kế sơ (Schematic Design) khái tốn cơng trình (cost estimate) 4) Phân tích, đánh giá, thiết kế lại cách chi tiết kích thước cốt thép dùng thử trước Bước Chính xác hố tải trọng đứng ngang Tiếp tục phân tích kết cấu chịu tải trọng đứng ngang, đánh giá khả chịu lực thành phần kết cấu tính tốn lại tiết diện BTCT (re-proportioning) Lập thiết kế khai triển (Design-Development, DD) lập lại dự tốn cơng trình 5) Thiết kế cuối bao gồm phân tích kết cấu chi tiết (theo kiểu kỹ lưỡng giai đoạn DD), tính tốn tiết diện BTCT lần cuối thiết kế chi tiết thành phần kết cấu Lập tài liệu thi công (Construction Documents, CD) Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng N ghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Qui trình thiết kế 5-bước Construction Administration (CA, USA) bảo đảm nhà thầu tuân theo vẽ kết cấu cung cấp chứng kiểm sốt chất lượng cơng trình nhà thầu xây dựng Ba giai đoạn thiết kế kết cấu cơng trình nhà gọi tên là: Thiết Kế Sơ Bộ (SD): gồm buớc đến bước ; chiếm 15% nội dung thiết kế tổng Thiết Kế Khai Triển (DD): gồm buớc ; chiếm 25 - 35% nội dung thiết kế tổng Tài Liệu Thi Cơng (CD): gồm buớc 5; chiếm phần cịn lại nội dung thiết kế tổng Trong thiết kế thông thường, phân tích kết cấu Mơ Hình Đàn Hồi Tuyến Tính (Linearly Elastic Model) khung nhà Việc kiểm tra thành phần kết cấu theo Phương Pháp Ứng Suất Cho Phép (Allowable Stress Method), Phương Pháp Độ Bền (Strength Method) mà biết với tên gọi khác Phương Pháp LRFD (Load and Resistance Factor Design) Hai phương pháp phương pháp khác mô tả 1.2.3 Các thủ tục đánh giá thành phần kết cấu 1.2.3.1 Giới thiệu Dưới giới thiệu khái quát thủ tục (procedure) dùng để tính tốn tiết diện BTCT cho tải trọng đứng ngang Cần thông tin thêm, tham khảo Chương MacGregor [1] 1.2.3.2 Thiết Kế Ứng Suất Cho Phép (Allowable Stress Design - ASD) Thiết Kế ASD, mà biết Working Stress Design, dùng phân tích kỹ thuật kết cấu cách 150 năm Các phương pháp tính tốn tải trọng max áp dụng LTĐHTT (linearly elastic model) hay SBVL để tính ứng suất kết cấu thép hay ứng suất bê tông cốt thép kết cấu BTCT Ứng suất cấu kiện yêu cầu phải nhỏ fall - ỨS cho phép ứng suất cho phép: f ≤ fall mà thiết lập sẳn cho loại vật liệu tùy thuộc vào kiểu tác dụng lực khác (dọc trục, uốn, cắt, xoắn) Ví dụ, fall = 0.6fy cho kết cấu thép Xem hình vẽ sơ họa phuơng pháp Thiết Kế ASD bên phải (cung cấp J P Moehle) Phương pháp ASD có số khiếm khuyết đáng kể Trước hết, độ tin cậy thiết kế (hay hệ số an tồn) khơng biết Thứ hai, khơng xét đến hay thay đổi, không cố định tải trọng, mà cụ thể là, làm tính xác tĩnh tải hoạt tải Thứ ba, ứng suất thành phần kết cấu cung cấp thông tin khả chịu tải cấu kiện hay toàn kết cấu Trong thiết kế BTCT nay, ỨS cho phép dùng: ngoại trừ tính độ võng tác dụng tải tiêu chuNn (service loads) Chúng ta không dùng phương pháp ASD để tính tốn tiết diện BTCT giáo trình (CIE 525) Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng N ghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh 1.2.3.3 Thiết Kế Sức Bền (Strength Design - SD hay Load and Resistance Factor Design - LRFD) Phương pháp Thiết Kế Sức Bền (SD hay LRFD) thường dùng thiết kế kết cấu BTCT dùng thiết kế kết cấu thép (mặc dầu ASD tồn nhiều phần thiết kế thép Mỹ) Ở VN , tương đương với tính tóan BTCT theo TTGH Tải tiêu chuNn nhân với hệ số tải trọng để chuyển thành tải tính tốn Mu - momen tính tốn (ultimate load), hệ số tải Mn - momen danh nghĩa trọng xác định dựa phương φ - HS giảm sức bền pháp thống kê điều kiện đo lường phản ánh thay đổi tăng/giảm hợp lý tải trọng tác dụng (ví dụ, gía trị max) từ giá trị tải trọng trung bình tính tốn Sau đó, áp dụng LTĐHTT cho tải tính tốn để tính nội lực thành phần kết cấu, ví dụ tính Vu, Mu Sức chịu tải thành phần (ví dụ, chịu nén, uốn, cắt), ví dụ Vn, Mn , tính tốn với giả thuyết tiết diện kết cấu làm việc không đàn hồi (inelastic behavior) Xem hình vẽ sơ họa phuơng pháp SD bên (cung cấp J.P Moehle) Chú ý việc sử dụng khối ứng suất không đàn hồi, (non-linear stress block), hình vẽ hình dạng khối ỨS đơn giản hoá để thuận tiện tính sức chịu tải tiết diện BTCT Phương pháp SD hợp lý phương pháp ASD Độ tin cậy tải trọng xét đến phương pháp SD việc sử dụng hệ số tải trọng tổ hợp tải, xem trích dẫn từ tiêu chuNn ACI 318-02 hình bên phải Các hệ phá hoại xét đến trực tiếp thông qua sử dụng hệ số giảm sức bền (capacity reduction factor, φ < qui cho kiểu phá hoại khơng mong 1), 0,75 muốn (ví dụ, φ = 0,9 cho uốn, φ = 0,75 cho cắt) Tuy nhiên ý phân tích hệ kết cấu giả thiết ứng xử đàn hồi tuyến tính khả chịu lực cấu kiện lại tính theo cường độ (cross section analysis), mà hàm ý lượng ứng xử không đàn hồi tiết diện cấu kiện Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công N ghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh 1.2.3.4 Thiết Kế Khả ăng (Capacity Design) Thiết Kế Khả N ăng dùng để ngăn cản cấu phá hủy khơng mong muốn, ví dụ dầm bị phá hủy cắt (kiểu phá hủy dòn) xảy trước phá hủy uốn (kiểu phá hủy dẻo), hay cột khung bị phá hủy uốn xảy trước dầm khung phá hủy uốn Thiết Kế Khả N ăng phát triển nhiều chuyên gia kỹ thuật N ew Zealand từ thập niên 1970 phương pháp đề xuất Blume, N ewmark, Corning, Sozen vào cuối thập niên 1950 (tham khào Design of Multistory Reinforced Concrete Buildings for Earthquake Motions, xuất năm 1961) Sức bền max Sức bền TK Hình vẽ sơ họa bên (cung cấp J.P Moehle) mô tả thông tin tóm lược phương pháp Ví dụ thiết kế công xôn BTCT không bị phá hủy cắt Các bước thiết kế theo phương pháp CD sau: 1) Chọn cấu phá hủy mong muốn, mà thường phá hủy uốn cơng trình BTCT 2) Cân đối kích thước dầm theo cấu phá hủy đề nghị theo phương pháp SD hay LRFD bố trí thép dầm cho ứng xử dẻo 3) Xác định sức bền max tiết diện dầm phân tích xét đến kích thước thực chi tiết cốt thép chọn, mà lớn độ bền cần thiết để chịu tải trọng tính tốnfactored loads (Điều cụ thể hoá Chương 3) Ở hình trên, sức bền max Mp lớn sức bền thiết kế theo phương pháp SD Mu = φMn 4) Xác định tải trọng áp dụng Vp - applied load gây sức bền max Mp thiết kế phần lại kết cấu (i.e., thiết kế chống cắt công xôn BTCT) để sức bền chống cắt danh nghĩa Vn vượt nội lực tương thích với tải trọng áp dụng tính lại Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng N ghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh 1.2.3.5 Thiết kế dẻo (Plastic Design) Thiết Kế Dẻo đơn Thiết Kế Sức Bền sử dụng phân tích chảy dẻo khơng dùng phân tích ĐHTT Trong Chương giáo trình này, Thiết Kế Dẻo xem xét chi tiết với phương pháp đường chảy dẻo (yield-line analysis) hệ sàn BTCT N guyên tắc phân tích chảy dẻo cấu phá hủy đề xuất khớp dẻo thiết kế chi tiết cho đáp ứng khơng đàn hồi Xem hình vẽ sơ họa bên phải (cung cấp J.P Moehle), sức bền kết cấu φMn tính phương pháp SD, sau dùng phương pháp CD để ngăn ngừa kiểu phá hoại không mong muốn Mo =wul2/8 1.2.3.6 Các phát triển gần kiểm định kết cấu xây dựng Thập niên 1990 xuất đổi - chảy dẻo đáng kể kỹ thuật thực hành chống động đất Các phương - có mảnh pháp thiết kế lực -Force based vụn procedure- mà chiếm vị trí độc tơn gần 70 năm bắt đầu nhường chổ cho phương pháp thiết kế chuyển vị -Displacement - sụp đổ based procedure- cơng trình đến chảy dẻo xụp đổ (collapseyielding) phát triển dựa nguyên lý đề xuất Sozen, Moehle, tác giả khác hai thập niên 1970-1980 Các tiêu chuNn thiết kế chống động đất thừa nhận từ lâu cơng trình nhà cầu trải qua biến dạng không đàn hồi đáng kể N hờ kiến thức hiểu biết hư hỏng cơng trình liên quan trực tiếp đến biến dạng lực (xem hình vẽ sơ họa bên J P Moehle), kỹ sư chuyên ngành kết cấu ngày có khuynh hướng phân tích, thiết kế, đánh giá làm việc BTCT dựa tính toán chuyển vị Thực thiết kế dựa chuyển vị (Displacement-based design DBD) sử dụng công cụ thiết kế độc lập Đúng phải cung cấp trước độ bền tối thiểu ứng với điều kiện tải trọng bình thường (service load) Tuy nhiên, DBD chấp nhận rộng rãi từ năm trước phương pháp sở tài liệu hướng dẫn kỹ thuật FEMA 273 274 nhằm cải tạo kết cấu cơng trình chống động đất - seismic rehabilitation Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew Whittaker Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh Chương 2: VẬT LIỆU BÊ TÔ G CỐT THÉP 2.1 CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨ MỸ 2.1.1 Kích thước mác thép Thép trịn theo tiêu chuNn Mỹ có kích thước qui ước theo đơn vị inch mm sau: Thanh #18 (φ57) thường dùng cơng trình cầu, sử dụng cơng trình dân dụng Chương 2: VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT THÉP Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace GHI CHÚ Ordinary reinforced concrete structural wall - Vách cứng BTCT thông thường đổ chổ, thoả mản ACI 318 từ Chương đến 18, áp dụng thích hợp cho động đất vừa (vùng 2) Special reinforced concrete structural wall - Vách cứng BTCT đặc biệt thoả mản từ Chương đến Chương 18 ACI 318, thêm điều khoản từ 21.2 21.7 đổ chổ; thêm điều khoản từ 21.2 21.8 đúc sẳn, áp dụng thích hợp cho động đất mạnh (vùng 3-4) Ordinary moment reinforced frame (OMRF) - Khung BTCT thông thường đúc sẳn hay đổ chổ, thoả mản ACI 318 từ Chương đến 18, áp dụng thích hợp cho động đất yếu (vùng 1) Intermediate moment reinforced frame (IMRF) - Khung BTCT trung gian đổ chổ, thoả mản từ Chương đến Chương 18, điều khoản 21.2.2.3 21.12, áp dụng thích hợp cho động đất trung bình (vùng 2) Special moment reinforced frame (SMRF) - Khung BTCT đặc biệt thoả mản từ Chương đến Chương 18 ACI 318, thêm điều khoản từ 21.1 đến 21.5 đổ chổ; thêm điều khoản từ 21.1 đến 21.6 đúc sẳn, áp dụng thích hợp cho động đất mạnh (vùng 3-4) S - Phân phối lực cắt đáy móng tồn chiều cao nhà theo sơ đồ sau đây: w4 Ft F4 F3 tầng thứ i F2 w3 h4 w2 h3 H w1 Hi h2 F1 h1 V base Phân phối lực cắt đáy móng tính theo cơng thức (15-4) sau: Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace n Vbase  Ft   Fi (15-4a) i 1 Trong đó: 0.07TVbase  0.25Vbase T  0.7s F t - lực tập trung đĩnh: Ft   (15-4b) T  0.7s 0 F i - lực tập trung tầng thứ i: Fi  (Vbase  Ft )Wi Hi n  WjH j j1 (15-4c) H i , H j - cao độ tính từ mặt đất đến tầng thứ i, j W i , W j - tải trọng đứng tầng thứ i, j Phân phối lực cắt đáy móng tính cách khác theo cơng thức (15-5) sau: n Vbase   Fi (15-5a) i 1 Trong đó: F i - lực tập trung tầng thứ i: Fi  k Wi Hi n k  WjH j j1 Vbase 1 T  0.5s k 2 T  2.5s (15-5b) (15-5c) H i , H j - cao độ tính từ mặt đất đến tầng thứ i, j W i , W j - tải trọng đứng tầng thứ i, j Xác lập tổ hợp tải trọng khung/vách chịu lực gồm tải trọng ngang F i tải trọng đứng W i (có nhân hệ số tải trọng), tính nội lực thiết kế (M, Q, N) tất thành phần kết cấu học kết cấu (dùng SAP2000, FEAP, ) Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Fi Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Wi Ví dụ theo ACI 318-05, cần xét bảy tổ hợp tải trọng sau đây: U - tải trọng tính tốn (có HS vượt tải) D - tĩnh tải L - hoạt tải F - tải trọng chất lỏng bể chứa T - tải trọng nhiệt độ, co ngót H - áp lực ngang đất, nước ngầm L r - hoạt tải mái S - hoạt tải tuyết rơi R - hoạt tải nước mưa W - hoạt tải gió E - tải trọng động đất Kiểm tra độ trôi dạt (drift),  M , chuyển vị max không đàn hồi, D M , khung/vách, tính D M cách nhân chuyển vị đàn hồi (elastic displacement), D s , với hệ số khuyếch đại chuyển vị (displacement amplification factor), C d = 0,7R : 0,025h s  M  0,7 R (D s , i  Ds , i 1 )   0,020 h s T  0,7s T  0,7s (15-6) Nếu khung/vách “mềm” khơng thoả (15-6), chọn lại kích thước khung/vách lập lại từ bước Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Fi Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace D s,4 Wi D s,3 D s,2 D s,1 h s4 h s3 h s2 h s1 Dùng nội lực bước 6, thiết kế bố trí thép thành phần dầm, cột, vách theo ACI 318 15.2.2 Ví dụ tính tốn theo phương pháp tuyến tính tĩnh theo UBC-94 Phân phối lực cắt đáy móng động đất lên toàn chiều cao H = 43.2 m khung ngang cơng trình (12 tầng, nhịp), giả thuyết động đất vừa (Z = 0.2), hệ số đất S = 1.5 (nền sét cứng) kN/m2 kN/m2 7.5 m 3.6 m 30 m 43.2 m kN/m 3.6 m 3.6 m 15 m 15 m Tải trọng đứng (tĩnh tải + hoạt tải) tác dụng tầng sàn: W i = 15m  30m  kN/m2 = 2250 kN Tổng tải trọng đứng tác dụng lên cơng trình: W 12   Wi i 1 ( i = 12 )  12  2250 = 27000 kN Cơng thức tính lực cắt đáy móng theo tiêu chuẩn UBC-94: Vbase  Trong chọn: Z = 0.2 (vùng động đất vừa) Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT ZIC W R Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace I = 1.25 (cơng trình quan trọng) R = 6.0 (vách + khung BTCT dẻo vừa) 3/  43.2  T  C t H /  0.02    = 0.83 s  0.3  1.25 1.25  1.5  2.12 < 2.75  chọn: C = 2.12 S C (0.83) / T2 / Vbase   0.2  1.25  2.12  27000 = 2385 kN 6.0 12 Phân phối lực cắt đáy móng tồn chiều cao khung nhà: Vbase  Ft   Fi i 1 Trong đó: F t - lực tập trung đĩnh: Ft  0.07TVbase  0.25Vbase  Ft  0.07  0.83  2385 = 140 kN < 0,25  2385 = 595 kN F i - lực tập trung tầng thứ i: Fi  Tầng thứ (do T = 0.83 s > 0,7 s) WiHi (kNm) Fi (kN) tầng 8100 29 tầng 16200 tầng (Vbase  Ft )Wi H i 12  WjH j j1 WiHi (kNm) Fi (kN) tầng 56700 201 58 tầng 64800 230 24300 86 tầng 72900 259 tầng 32400 115 tầng 10 81000 288 tầng 40500 144 tầng 11 89100 317 tầng 48600 173 tầng 12 97200 345 Ghi chú: Tầng thứ V base - F t = 2385 - 140 = 2245 kN ; W j H j = 631800 kNm Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 345 kN tầng 12 317 kN tầng 11 288 kN tầng 10 259 kN tầng 230 kN tầng 201 kN tầng 173 kN tầng 144 kN tầng 115 kN tầng 86 kN tầng 58 kN tầng 29 kN 140 kN tầng 2385 kN Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT H = 43.2 m Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 15.2.3 Ngun tắc tính tốn phương pháp lực ngang tương đương (TCXDVN 356-2006) Phương pháp lực ngang tương đương theo TCXDVN 356-2006 áp dụng cho hệ khung BTCT hệ khung/vách BTCT khu vực động đất yếu  vừa cho cơng trình có chiều cao H < 70m ảnh hưởng xoắn không đáng kể Các bước tính động đất vách cứng BTCT theo phương pháp lực ngang tương đương, dựa TCXDVN 356-2006, tương tự tính khung BTCT phần 14.3.1 (chương 14) liệt kê sau: Dùng phương pháp tính tay, thiết lập kích thước sơ dầm, cột vách cứng; tính tải trọng đứng m i (tĩnh tải+hoạt tải) tầng (phần 13.5.1 chương 13): m i  G k ,i   E ,i Q k ,i (15-7) Sử dụng kích thước bước để lập mơ hình tính tốn (2D hay 3D) hệ khunggiằng (khung+vách) theo yêu cầu kháng chấn phù hợp, tham khảo bảng sau đây: Lựa chọn hệ khung-giằng BTCT Điều kiện áp dụng q Vách cứng thường + khung dầm-cột dẻo thấp động đất yếu (1) ≥ 1,5 Vách cứng thường + khung dầm-cột dẻo vừa động đất vừa (2) ≥ 3,0 Vách cứng dẻo cao + khung dầm-cột dẻo cao động đất mạnh (3) ≥ 4,5 Theo FEMA 356, phổ đàn hồi (phần 13.3.3 chương 13) thỏa mản hai điều kiện: (1) S e (T = T B ) < 0,167g S e (T = 1s) < 0,067g  động đất yếu (2) 0,167g < S e (T = T B ) < 0,5g 0,067g < S e (T = 1s) < 0,2g  động đất vừa (3) S e (T = T B ) > 0,5g S e (T = 1s) > 0,2g  động đất mạnh Phân tích mơ hình bước để tìm tần số riêng mode dao động riêng, tính dao động riêng theo phương pháp PTHH hay công thức kinh nghiệm (15-3) Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace s 3,2 s 3,1 s 3,3 s 2,3 s 2,2 s 2,1 s 1,1 s 1,2 mode s 1,3 mode mode Tham khảo phần 13.5.1 chương 13 giáo trình để tính lực cắt đáy móng thiết kế (F b ) cách dùng chu kỳ riêng thứ (T ) tính từ bước sau: Fb  Sd (T1 , )M (15-8) đó: S d (T , ) Tung độ phổ thiết kế chu kỳ T ; T Chu kỳ dao động chuyển động ngang theo phương xét;  Hệ số hiệu chỉnh;  = 0,85 T  2T C với nhà > tầng;  = 1,0 với TH khác M Tổng tải trọng đứng tác dụng lên cơng trình: M   mi n i 1 Phân phối lực cắt đáy móng tồn chiều cao nhà (theo 13.5.1 chương 13): Fi  si mi n  s jm j  Fb (15-9) hay j 1 Fi  Zi m i n  Z jm j  Fb (15-10) j 1 đó: Fi Lực ngang tác dụng tầng thứ i si , sj Chuyển vị khối lượng m i , m j dạng dao động (mode 1) Zi , Zj Cao độ tính từ mặt đất đến tầng thứ i, j Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace m4 F4 chuyển vị mode s j (Z j ) m3 F3 m2 tầng thứ h3 F2 H m1 Z2 h4 h2 F1 h1 Fb Thiết lập tổ hợp tải trọng đặc biệt khung nhà, bao gồm tải trọng ngang động đất F i tổ hợp tải trọng đứng M j , để tính tóan nội lực thiết kế (M, Q, N) tất thành phần kết cấu khung-giằng phương pháp học kết cấu thông thường (SAP2000, FEAP, ) Fi Mj Ví dụ theo TCXDVN 375-2006, cần xét tổ hợp đặc biệt sau đây: n n i 1 j 1 THDB   Fi   M j F i - lực ngang phân theo tầng thứ i tác động động đất M j - tải trọng đứng phân theo tầng thứ j, tính bằng: M j  G k , j   2, jQ k , j G k,j , Q k,j - tĩnh tải họat tải tính tốn tầng thứ j Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT (15-11) (15-12) Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace  2,j - hệ số tổ hợp tải trọng họat tải tầng thứ j (tham khảo 13.5.1, chương 13) Kiểm tra độ trôi dạt (drift),  M , theo Eurocode chênh lệch hai chuyển vị tầng, D s,i D s,i-1 , tính với phổ gia tốc thiết kế S d (T, ) phần 13.3.4 chương 13:  M  Ds , i  Ds ,i 1  [  M ] Nếu khung/vách “mềm” không thoả yêu cầu Eurocode 8, chọn lại kích thước khung/vách lập lại từ bước Fi Mj D s,4 D s,3 D s,2 D s,1 h s4 h s3 h s2 h s1 Dùng nội lực (M, Q, N) tính bước 6, thiết kế bố trí cốt thép (tùy thuộc vào giá trị q sử dụng) thành phần dầm, cột, vách theo TCXDVN 375-2006 Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT 15.3 Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace THỰC HÀNH THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT THEO ACI 318-05 Các bàn luận trình bày vấn đề thiết kế vách cứng BTCT theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-05 có điều kiện sau đây:  Vách cao - flexural walls (H w /L w  2: thiết kế chống lực dọc + lực uốn + lực cắt)  Nhà cao trung bình - moderate height building (H = 20-75 m)  Vách cứng thông thường đổ chổ: thoả mản ACI 318 từ Chương đến 18, thích hợp cho động đất vừa: áp dụng FEMA 356: 0,167g < S e (T = T B ) < 0,5g 0,067g < S e (T = 1s) < 0,2g 15.3.1 Yêu cầu cấu tạo cốt thép vách cứng a)- Chiều dày vách tối thiểu: tw  (hs /25, lw /25, 100mm) (14.5.3) Mu tw2  (hs /15, 200mm) lw2 < (2tw2 , lw /5) Pu Vu tw2  (hs /10, 200mm) lw2 > (2tw2 , lw /5) b)- Hàm lượng thép thép cấu tạo tối thiểu: Đường kính thép cấu tạo: Av , Av  tw 10 A l  v  0,0015 t w s1 (14.3.2) Ah  0,0025 t ws2 (14.3.3) t  s1 s1  (3 tw , 450mm) (14.3.5) s2  (3 tw , 450mm) s1 s2 s2 s2 Ah c)- Bước bố trí cốt thép cấu tạo: s1 (14.3.5) Av t w2 đó: tw l w2 lw H w - chiều cao vách cứng h s - chiều cao tầng sàn nhà l w , l w2 - chiều dài vách cứng phần tử biên t w , t w2 - chiều rộng vách cứng phần tử biên A v - thép cấu tạo theo phương đứng, bước thép s  hàm lượng thép phương đứng  l A h - thép cấu tạo theo phương ngang, bước thép s  hàm lượng thép phương ngang  t Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 15.3.2 Phân bố thép dọc chịu uốn Thép dọc chịu uốn+nén vách cao BTCT bố trí theo cách sau: - Bố trí thép dọc phân tán tồn tiết diện ngang vách cứng - Đặt dày thép dọc tính tốn (thép A s đường kính  > 16mm có hàm lượng  tt thỏa mản chương 7, chương 10 ACI 318-05) hai phần tử biên hai đầu vách ( 0.1L w ) bố trí thép dọc cấu tạo (thép A v hàm lượng xấp xĩ  = 0.15% phần 15.3.1) phần vách ( 0.8L w ): nhằm cải thiện độ dẻo tăng khả chống uốn vách Ơ hai đầu vách phải bố trí thép đai kín thỏa mản chương 7, chương 10 ACI 318-05, để tăng hiệu ép ngang (confined concrete) hình bên dưới: Cách Cách Cách  tt 0.1Lw  tt  0.8Lw 0.1Lw Ví dụ 1: Mơmen chống uốn tăng 25% bố trí thép dọc vách phẳng phương án có hàm lượng thép vách cứng 1% với phương án PA1: Bố trí thép PA2: Bố trí thép dày đầu M max = 380 Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT M max = 475 Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Trường hợp vách BTCT dạng hộp, đặt dày thép góc phân tán phần vách nhằm cải thiện độ dẻo tăng khả chống uốn Ví dụ 2: Mơmen chống uốn tăng 16% bố trí thép dọc vách hộp phương án có hàm lượng thép vách cứng 1% với phương án U U PA1: Bố trí thép Mmax = 16500 PA2: Bố trí thép dày góc Mmax = 19200 Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 15.3.3 Tính tốn thép dọc chịu uốn Để tính thép dọc chịu uốn+nén vách cao BTCT (chủ yếu thép tính tốn A s hai đầu vách), áp dụng chương 10 (10.2→10.3, 10.10→10.14, 10.17) chương 14 (14.2→14.3) ACI 318-05 kết hợp sử dụng đường cong tương tác (interaction curves Pn-Mn): R - Hầu vách phẳng tính kết cấu chịu nén phương - Nội lực tính tốn (P,M) mặt cắt ngang phải nẳm đường cong tương tác (P n , M n ): R R R R  P = P n yêu cầu M  M n R R R R - Hầu vách hộp tính kết cấu chịu nén hai phương  P = P n R yêu cầu M x  M nx ; M y  M ny R R R R R R R R  M y = M ny R R R yêu cầu P  P n ; M x  M nx R R R R R R Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT R Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 15.3.4 Tính tốn thép chống cắt Áp dụng phần 11.10 ACI 318-05, bước thiết kế chống cắt vách cao BTCT sau: U U Kiểm tra cường độ chống cắt lớn cho phép: Vn , max  f 'c t w d w Pu Mu (11.10.3) Vu Đơn vị : [V n ] = N ; [f’ c ] = MPa ; [t w ], [d w ] = mm U U R R R R R R với d w  0.8l w U U R s1 (11.10.4) Vn , max  Vu Yêu cầu: R U s2  = 0.75 U s2 Tính cường độ chống cắt bê tông: s2 P d (Eq 11-29) f 'c t w d w  u w 4l w dấu - P u kéo, dấu + P u nén Vc  R s1 (Eq 11-1) Hệ số giảm cường độ chống cắt: s1 R R Av R Xác định thép chịu cắt theo phương ngang (A v , s ): a/- Nếu Vu  0.5Vc  bố trí (A v , s ) theo cấu tạo b/- Nếu Vu  0.5Vc  tính tốn (A v , s ) sau: Ah R R R R R R R R tw R R R R lw R R Do: Vu  Vn (Eq 11-1)  Vu  ( Vn  Vs ) A v f y d w Vu  Vc  s2 (Eq 11-2)   (Eq 11-31) A v Vu  Vc  s2 f y d w (*) Từ cặp (A v , s ) tính từ phương trình (*): R R (11.10.9.2) h  U Yêu cầu: U R Av  0.0025 t ws2  lw /  s   3t w  450 mm  Yêu cầu: U R U (11.10.9.3) Kiểm tra thép chịu cắt theo phương đứng (A h , s ):  n  A h R R R R t w s1 hw )( h  0.0025 )  n  0.0025  0.5( 2.5  lw Yêu cầu: (11.10.9.4)  n  0.0025  n  h   U U Chương 15: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ VÁCH CỨNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT  lw /  s1   3t w (11.10.9.5)  450 mm  ... tiết- tuần 7-8 ) Chương (4 tiết - tuần 8-9 ) Chương 10 (3 tiết - tuần 10 ) Chương 11 (1 tiết - tuần 11 ) Chương 12 (3 tiết - tuần 12 ) Chương 13 (4 tiết - tuần 13 ) Chương 14 (4 tiết - tuần 14 ) Chương. .. Masonry Buildings, John Wiley Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng N ghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: Prof Andrew... qt phân tích thiết kế cơng trình chống động đất Phân tích thiết kế khung BTCT chống động đất Phân tích thiết kế vách cứng BTCT chống động đất Chương 1: GIỚI THIỆU CHUN G VÀ CÁC PHƯƠN G PHÁP THIẾT