Phương pháp phân tích kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo tuần tự thi công

Phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công hạn chế được các sai sót của việc phân tích cả hệ kết cấu hoàn chỉnh. Bài viết này xem xét các thông số dùng cho phương pháp phân tích và đánh giá tính hiệu quả của phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công cho nhà cao tầng bê tông cốt thép.

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP NHÀ CAO TẦNG THEO TUẦN TỰ THI CƠNG TS.Vũ Hồng Hiệp* Tóm tắt: Phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn Summary: The method of analyzing structure to the thi công hạn chế sai sót việc phân tích hệ construction phases can minimize the shortcomings of kết cấu hoàn chỉnh Bài báo xem xét thông số dùng the method of analyzing the complete structure system cho phương pháp phân tích đánh giá tính hiệu This article reviews the parameters used for the analysis phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi cơng cho and evaluate the effectiveness of the structural analysis nhà cao tầng bê tông cốt thép method to the construction phases for the reinforced Từ khóa: Phân tích, thi cơng, dọc trục, kết cấu, bê tông, concrete buildings Key words: Analyze, construction, vertical axis, cốt thép, nhà cao tầng structure, concrete, reinforced, high-rise buildings Nhận ngày 02/8/2017, chỉnh sửa ngày 27/8/2017, chấp nhận đăng ngày 30/8/2017 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU Khác biệt phương pháp trên, phân tích tầng theo tuần tự thi cơng THEO TUẦN TỰ THI CƠNG (Hình 2) thực theo bước sau: Phân tích kết cấu theo cách truyền thống thực hệ kết cấu mơ hồn chỉnh (kết cấu giai đoạn khai thác sử dụng) Q trình phân tích thực tải trọng tác dụng lên hệ kết cấu hồn chỉnh Hình 2: Phân tích tĩnh phi tuyến theo thi cơng tầng Hình 1: Sơ đồ tính phân tích hệ Nội lực, biến dạng co ngót, từ biến, trọng lượng kết cấu ứng xử phi tuyến tầng tính tốn => Lập sơ đồ tầng phía tầng => Tải trọng ấn định tầng => Các ứng xử sơ đồ tính tốn => Tiếp tục q trình cho tầng trên, kết phân tích có xét đến thi cơng Phương pháp phân tích theo thi cơng tích hợp phần mềm phân tích kết cấu, với tên gọi Stage construction (SAP), Sequential construction analysis (ETABS), dịch “phân tích theo giai đoạn thi cơng” Thuật ngữ “giai đoạn thi cơng” gây hiểu sai theo nghĩa * Trưởng khoa Xây dựng, Trường ĐH Kiến trúc Hà Nội Số 55.2017 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ 79 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG công tác thiết kế kết cấu giai đoạn thi công Về chất, từ lúc xây dựng, cấu kiện bị tác động có ứng xử, điều chỉnh biện pháp thi công, gây ảnh hưởng đến làm việc kết cấu hoàn chỉnh “giai đoạn sử dụng” Như thế, kết cấu khai thác, sử dụng xem xét tồn diện Trong Hình 2, q trình gán thêm tầng phía trên, biến dạng dọc trục chênh lệch cột tầng (gọi tượng shortening) đổ bù bê tông, để đảm bảo dầm sàn tầng phẳng cao độ Điều mơ thực tế q trình thi cơng kết cấu bê tơng cốt thép tồn khối Để minh họa chất phương pháp, kết cấu khung 15 tầng, nhịp điển hình khảo sát theo cách phân tích Chiều cao tầng 3,4m Nhịp dầm 6m Cột biên có kích thước tiết diện 50x50cm, cột tiết diện 50x120cm, dầm tiết diện 30x60cm Vật liệu bê tông cấp độ bền B30 Kết chênh lệch chuyển vị đứng cột biên phân bổ khác biệt Hình 3: a) Phân tích kết cấu hồn chỉnh b) Phân tích theo thi cơng Hình 3: So sánh chênh lệch cao độ cột biên cột theo cách phân tích HIỆN TƯỢNG BIẾN DẠNG DỌC TRỤC CÁC CẤU KIỆN THẲNG ĐỨNG CHÊNH LỆCH TRONG NHÀ CAO TẦNG Trong hệ kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), tác động kết hợp biến dạng co ngót, từ biến ứng suất nén gây nên biến dạng dọc trục cột, vách, lõi Ở nhà cao tầng, cột bao quanh thường có khuynh hướng co ngắn nhiều so với vách lõi bên (hiện tượng shortening), dẫn đến chênh lệch đáng kể biến dạng dọc trục, gây nên phân phối lại nội lực bất lợi, Hình 4: Hình 4: Mơ tả hệ hiệu ứng shortening [2] Lực dọc cột, vách phân phối lại Mô men dầm tập trung lớn đầu liên kết với cấu kiện đứng bị co ngắn hơn, mơ men đầu dầm lại chí đổi dấu Điều dẫn đến phải bố trí cốt thép tập trung, khơng phân đều, thi cơng khó khăn quan trọng hơn, liệu kết nội lực có phản ánh thực tế hay không 80 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ Trong thực tế thi công, tải trọng thân kết cấu khối xây chất bước theo thời gian Việc thi công tầng triệt tiêu phần chênh lệch chuyển vị cộng dồn đổ bê tông bù cột, hiệu chỉnh cao độ thống sàn Vì vậy, hệ shortening khơng lớn tính tốn hệ kết cấu hồn chỉnh Việc tính tốn hệ kết cấu khơng xét đến triệt tiêu hiệu ứng shortening theo giai đoạn thi công dẫn đến sai lệch kết [2] Kết so sánh chuyển vị đứng cột biên cột Hình cho thấy, việc phân tích kết cấu theo thi công thay đổi trị số phân bố độ chênh lệch chuyển vị cấu kiện đứng, rõ tầng mái Đã có nhiều nghiên cứu nêu rõ nguyên nhân gây biến dạng dọc trục cột BTCT là: Biến dạng co ngót, từ biến bê tông, tác động nhiệt, tải trọng thi công, tải rung động, biến dạng đàn hồi lực dọc cột [1] [3][4][6] Những kết luận biến dạng dọc trục khác biệt cột vách cơng trình dẫn đến phân bố nội lực khơng đồng kết cấu toàn nhà, bỏ qua co ngắn khác cột, vách dẫn đến cố kết cấu phận phi kết cấu tòa nhà đưa [3][4][8] Đặc biệt đưa đánh giá cần thiết hiệu phương pháp phân tích kết cấu theo thi cơng (giai đoạn thi cơng) cơng trình cao tầng [2][3][6][9] Tuy nhiên, ngoại trừ số cơng trình siêu cao tầng, cơng trình cầu nhịp lớn, việc sử dụng phương pháp phân tích kết cấu theo thi cơng khơng phổ biến thực tế thiết kế cơng trình cao tầng Việt Nam, dù số lượng cơng trình cao 30 đến 45 tầng khơng Lý xuất phát từ tâm lý ngại thay đổi người thiết kế, số lượng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG phương án tải lớn, số thông số đầu vào cho phân tích chưa thực dễ dàng nắm bắt để lựa chọn Các nội dung sau báo đề cập, phân tích đề xuất thông số sử dụng cho phương pháp phân tích này, so sánh kết nội lực phương pháp phân tích theo thi cơng phân tích hệ kết cấu hồn chỉnh Đối tượng nghiên cứu kết cấu BTCT toàn khối nhà cao tầng LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ DÙNG CHO PHÂN TÍCH KẾT CẤU Tải trọng đưa vào phân tích Theo chất phương pháp phân tích kết cấu trình bày mục 2, khơng phải tất loại tải trọng tác động vào cơng trình đưa vào phương pháp phân tích theo thi công Các tải trọng tạm thời hoạt tải sử dụng, gió, động đất gán tác dụng lên hệ kết cấu hồn chỉnh, phân tích theo phương pháp truyền thống Thành phần tĩnh tải có ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng co ngắn cấu kiện thẳng đứng trình xây dựng, đưa vào phân tích theo phương pháp thi cơng Cụ thể có phần trọng lượng thân kết cấu (dầm, sàn, cột, vách, lõi) phần hoàn thiện song song với thi công kết cấu (xây tường chèn), phân tích theo thi cơng, tĩnh tải hồn thiện kết cấu thi cơng xong phân tích hệ hồn chỉnh Các số liệu phân loại tĩnh tải thực dạng cơng trình cao tầng điển hình cho thấy: Với cơng trình văn phòng, tổng trọng lượng thân kết cấu chiếm 75÷80% tĩnh tải, phần hồn thiện chiếm 20÷25% tĩnh tải tồn cơng trình; Với cơng trình chung cư, tổng trọng lượng thân kết cấu chiếm 55÷60% tĩnh tải, phần hồn thiện chiếm 40÷45% tĩnh tải tồn cơng trình Tiến độ thi cơng Thơng số phương pháp phân tích theo thi cơng số ngày thi công kết cấu chịu lực BTCT tầng Với số liệu tiến độ trung bình 7÷10 ngày/tầng, thay đổi thông số khoảng không làm chuyển vị chênh lệch cột - vách nhiều, 5÷7% Hệ số co ngót Các hệ số co ngót Bsc hệ số loại xi măng s xét ảnh hưởng biến dạng co ngót bê tơng phương pháp phân tích theo thi cơng phần mềm ETABS 2015 Theo tiêu chuẩn TCVN 5439-2004 phân loại xi măng đối chiếu tiêu chuẩn CEB-FIP 1990, loại xi măng sử dụng phổ biến Việt Nam thuộc loại tốc độ đóng rắn trung bình, lấy thơng số Bsc=5 s=0,25 Mơ hình từ biến ETABS 2015 dùng mơ hình từ biến dùng phân tích tích phân đầy đủ (Full integration) chuỗi Dirichlet ( Dirichlet series) Chuỗi Dirichlet kiến nghị áp dụng thích hợp tính tốn kết cấu kích thước lớn, mơ hình tích phân đầy đủ khun dùng cho cơng trình có kết cấu vừa nhỏ Thơng số mơ đun đàn hồi bê tơng Phương pháp phân tích kết cấu theo thi công thực trình phân tích từ thời điểm xây dựng, trị số mô đun đàn hồi bê tông xác định thời điểm này, trị số giả định lúc khai thác, sử dụng Quan hệ mô đun đàn hồi Quan hệ mô đun đàn hồi tuổi t ngày với mô đun đàn hồi 28 ngày Eci theo CEB-FIP 1990: (1) đó: : hệ số phụ thuộc thời gian, (2) s: hệ số phụ thuộc loại xi măng, khai báo theo mục 3.3 nêu t: đơn vị ngày MỘT SỐ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH KẾT CẤU BTCT NHÀ CAO TẦNG THEO TUẦN TỰ THI CƠNG Mơ hình kết cấu Khảo sát kết cấu khung trục cơng trình 16 tầng, mặt Hình 5: Hình 5: Mặt kết cấu cơng trình 16 tầng Tiến hành phương pháp phân tích kết cấu chịu tác dụng tĩnh tải: Phân tích hệ kết cấu hồn chỉnh (PTHC) theo thi cơng (PTTTTC) Tiết diện cột chọn theo cách: Chọn tiết diện sát tính tốn sơ nội lực Số 55.2017 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ 81 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG (Acột.tt) chọn nhóm tiết diện cột cho dễ thi công (Acột.tc) Kết thu mô men tiết diện cuối dầm tầng mái Bảng 1: Lựa chọn Tầng Dầm tiết diện cột Acột.tt Acột.tc Vị trí Mơmen dầm theo phương Chênh lệch tiết diện pháp phân tích (kNm) PTTTTC PTHC 16 16 B1 B1 (%) cuối -217,39 -200,97 7,55 cuối -144,12 -192,03 33,24 Bảng 1: Mơ men đầu dầm tĩnh tải cơng trình 16 tầng Kết cho thấy, cơng trình có số tầng không lớn, ứng suất nén cột chênh lệch nhiều (do chọn tiết diện cột khơng sát nội lực) ảnh hưởng shortening đáng kể cần thiết phải phân tích kết cấu theo phương pháp thi cơng Mơ hình kết cấu Khảo sát kết cấu trục cơng trình 25 tầng có mặt Hình 6: Hình 6: Mặt kết cấu cơng trình 25 tầng So sánh kết mômen dầm tĩnh tải theo phương pháp phân tích: Phân tích hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) kết hợp phương pháp (PTKH) Khi kết hợp phương pháp phân tích, phần tĩnh tải trọng lượng thân kết cấu theo thi cơng, phần tĩnh tải hồn thiện phân tích hệ hồn chỉnh Cuối so sánh kết tổ hợp mômen dầm tĩnh tải hoạt tải, gió, động đất: Phân tích hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) kết hợp phương pháp (PTKH) So sánh trình bày Bảng 2: Tải trọng Tầng Dầm Vị trí Mơmen dầm theo phương Chênh lệch tiết diện pháp phân tích (kNm) PTKH PTHC (%) Tĩnh tải 25 B4 cuối -474,11 -338,62 28,57 Tổ hợp 25 B4 cuối -661,46 -521,52 21,16 Bảng 2: Mômen đầu dầm tĩnh tải tổ hợp nội lực Kết cho thấy, kết cấu khung - lõi ln có chênh lệch chuyển vị đứng cột lõi lớn, ảnh hưởng shortening 82 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ rõ nét, chí có vùng kết mơmen đầu dầm đổi dấu phân tích kết cấu theo phương pháp Tuy nhiên khơng nên nhìn nhận độc lập phân tích với tải trọng tĩnh, tổng thể kết tổ hợp cuối cùng, nội lực hệ kết cấu chênh lệch áp dụng phương pháp phân tích theo thi cơng vào thiết kế Ảnh hưởng chênh co ngắn cấu kiện thẳng đứng kết cấu nhà cao tầng BTCT đáng kể tới nội lực biến dạng hệ Việc áp dụng phương pháp phân tích kết cấu theo thi công hạn chế sai lệch kết nội lực so với phân tích hệ kết cấu hồn chỉnh Các thơng số phục vụ phân tích kết cấu theo thi công rõ cho áp dụng thực tế Để giảm ảnh hưởng tượng chênh lệch biến dạng dọc trục, cần lựa chọn tiết diện cấu kiện phù hợp với nội lực thu từ tính tốn sơ Tài liệu tham khảo [1] Cao Duy Khôi, Đánh giá hiệu ứng co ngắn cột qua kết đo đạc số cơng trình nhà siêu cao tầng bê tông cốt thép, Hội nghị khoa học Vật liệu, Kết cấu & Công nghệ Xây dựng MSC-2012, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, trang 274-282 2012 [2] Hồ Việt Hùng, Shortening - Nguyên nhân, mâu thuẫn phương pháp hạn chế sai sót, Ketcaushoft Group Hà Nội 2001 [3] The Concrete Society, Axial shortening of columns, Concrete Society Technical Report, New York 2008 [4] Mallick P.K., Axial deformation of column in tall structures, E-Conference on Design and Construction of Tall Buildings, Structural Engineering Forum of India 2012 [5] Mark Fintel, S.K Ghosh, Hal Iyengar, Column Shortening in tall strucutures - Prediction and Compensation , Technical Report, New York 2012 [6] Mola F., Pellegrini L.M., Effects of column shortening in tall R.C buildings, 35th Conference on Our World in Concrete & Structures, Singapore 2010 [7] Nilson A.H., D.Darwin, C.W.Dolan, Design of concrete structures, Mc Graw Hill, New York 2010 [8] Praveen HN Moragaspitiya, Interactive axial shortening of columns and walls in high rise buildings, Doctoral papers presented in April, 2011, Queensland University of Technology 2011 [9] Vafai A Ghabdian M, Estekanchi H.E, Desai C.S (), Calculation of creep and shrinkage in tall Concrete buildings using nonlinear staged Construction analysis, Asian Journal of Civil Engineering (Building and Housing), Vol.10, No.4 2009  ... sử dụng cho phương pháp phân tích này, so sánh kết nội lực phương pháp phân tích theo thi cơng phân tích hệ kết cấu hoàn chỉnh Đối tượng nghiên cứu kết cấu BTCT toàn khối nhà cao tầng LỰA CHỌN... tích: Phân tích hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) kết hợp phương pháp (PTKH) Khi kết hợp phương pháp phân tích, phần tĩnh tải trọng lượng thân kết cấu theo thi công, phần tĩnh tải hồn thi n phân tích. .. dụng phương pháp phân tích theo thi công vào thi t kế Ảnh hưởng chênh co ngắn cấu kiện thẳng đứng kết cấu nhà cao tầng BTCT đáng kể tới nội lực biến dạng hệ Việc áp dụng phương pháp phân tích kết