Bài viết trình bày ảnh hưởng của đặc trưng khớp dẻo trong phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần một khung bê tông cốt thép 4 tầng, từ đó có các khuyến nghị trong thiết kế khung bê tông cốt thép.
Ảnh hưởng đặc trưng khớp dẻo phân tích tĩnh phi tuyến khung bê tông cốt thép Effects of plastic hinge properties in nonlinear static analysis of reinforced concreate frame Lê Thế Anh Tóm tắt Bài báo trình bày ảnh hưởng đặc trưng khớp dẻo phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần khung bê tông cốt thép tầng, từ có khuyến nghị thiết kế khung bê tơng cốt thép Từ khóa: Chiều dài khớp dẻo, phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần, khung bê tông cốt thép, SAP2000 Abstract This paper presents the effect of plastic hinge properties on the pushover analysis for a four story reinforced concrete frame, therefrom suggest to design reinforced concrete frame Key words: Plastic hinge length, Pushover, Reinforced concrete frame, SAP2000 Giới thiệu Kết cấu khung bê tông cốt thép dạng kết cấu chịu lực thường gặp cơng trình dân dụng thấp tầng, ứng xử kết cấu khung bê tông cốt thép tác dụng tải trọng động đất vấn đề cần quan tâm thiết kế kháng chấn Phân tích tĩnh phi tuyến cơng cụ hiệu để đánh giá ứng xử kết cấu khung bê tông cốt thép chịu động đất [10] Bản chất phương pháp tác dụng tải trọng ngang vị trí khối lượng mơ hình kết cấu để mơ lực qn tính tạo thành phần nằm ngang tác động động đất, tải trọng ngang tăng dần, tải trọng đứng giữ cố định Kết nhận đường cong thể mối quan hệ tải trọng ngang chuyển vị đỉnh, gọi đường cong khả Từ đường cong khả năng, xác định chuyển vị mục tiêu, chuyển vị kết cấu cấp động đất thiết kế Khi sử dụng phương pháp người thiết kế đánh giá ứng xử kết cấu cấp động đất thiết kế cấp động đất khác Khi chịu tác dụng tải trọng động đất, ứng xử kết cấu bê tơng cốt thép khơng đàn hồi, phân tích tĩnh phi tuyến, phi tuyến vật liệu kể đến thơng qua việc mơ hình cấu kiện dầm, cột phần tử với khớp dẻo vùng dẻo hai đầu Nội dung báo tập trung làm rõ ảnh hưởng đặc trưng khớp dẻo đến kết phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (pushover analysis) Phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến sử dụng báo phương pháp N2 Fajfar, phương pháp đề cập đến EC8 [2] TCVN 9386 – 2012 [9], nội dung phương pháp trình bày [3,10] Đặc trưng khớp dẻo Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần thực phần mềm SAP2000, SEISMOSTRUCT, DRAIN2X, Trong báo sử dụng SAP2000 [5], phần mềm sử dụng phổ biến Việt Nam Phần mềm SAP2000 cho phép khai báo khớp dẻo theo hai cách: khớp dẻo tập trung, hai khai báo vùng dẻo với chiều dài vùng dẻo người sử dụng tự tính Khi khai báo khớp dẻo tập trung, người sử dụng có hai lựa chọn tự tính tốn quan hệ mơ men – góc xoay tiết diện, khai báo số thông số cần thiết để phần mềm sử dụng bảng tra theo FEMA 356 [4], hai cách yêu cầu xác định mô men dẻo tiết diện Khi khai báo vùng dẻo yêu cầu phải xây dựng mối quan hệ mô men – độ cong tiết diện dầm, cột chiều dài vùng dẻo Lp Một số công thức thực nghiệm xác định chiều dài vùng dẻo tập hợp [7], viết lại sau Công thức Corley Ths Lê Thế Anh Bộ môn Kết cấu bê tông cốt thép - gạch đá Khoa Xây dựng ĐT: 0934584843 Email: letheanhksxd@gmail.com z = Lp 0.5d + 0.2 d d Công thức Mattock = Lp 0.5d + 0.05 z (1) (2) Công thức Sawyer Ngày nhận bài: Ngày sửa bài: Ngày duyệt đăng: = Lp 0.5d + 0.075 z (3) Cơng thức Paulay Priestley S¬ 32 - 2018 53 KHOA HC & CôNG NGHê Lp = 0.08 z + 0.022 f y dbl ≥ 0.044 f y dbl (4) Theo Paulay Priestley [8] dầm cột điển hình, cơng thức (4) cho giá trị Lp=0.5h Trong : dbl đường kính cốt thép dọc fy giới hạn chảy cốt thép dọc (MPa) z khoảng cách từ tiết diện xét đến điểm uốn biểu đồ mô men d chiều cao làm việc tiết diện h chiều cao tiết diện Ví dụ tính tốn Thiết kế khung bê tơng cốt thép theo EC2 [1] EC8 [2] hình thực phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần với khung vừa thiết kế • Thiết kế khung bê tơng cốt thép Hình thể mặt hình dạng khung bê tơng cốt thép Khung có tầng, chiều cao tầng 3,6m, giả thiết xây dựng đất loại C với giá trị gia tốc 0,15g Khung thiết kế với cấp độ dẻo trung bình (DCM) Chiều dày sàn hs=120mm, cốt thép sàn bố trí lớp Φ8a150mm Kích thước tiết diện dầm bxh= 250x350 mm, bề rộng cánh bf= 830mm; kích thước tiết diện cột bxh=350x350 mm Tải trọng tác dụng xét đến tĩnh tải, hoạt tải tải trọng động đất; tải trọng gió dạng tải trọng khác bỏ qua Tĩnh tải sàn 1.5kN/m2, hoạt tải sàn 3kN/m2 hoạt tải mái 2kN/m2 Tải trọng động đất xác định theo phương pháp phổ phản ứng dạng dao động Cơng trình xây dựng đất loại C, hệ số tầm quan trọng γI=1, thông số xác định phổ: S = 1.15, TB = 0.2s, TC= 0.6s, TD = 2s Vật liệu sử dụng bê tông C25/30, thép sử dụng thép S500 nhóm B Khi thiết kế cốt thép cho cấu kiện áp dụng quy trình thiết kế theo khả để thiết kế cốt dọc cho cột, cốt đai cho dầm cột Mặt cơng trình (đơn vị mm) Các kết thiết kế - Chu kì dao động dạng 1: T=1.26s - Hệ số ứng xử: q=3.9 - Khối lượng tham gia dao động (dạng 1): 84.9% - Lực cắt đáy: V=82.3 kN - Độ dẻo cục yêu cầu : μФ=6.8 - Tổng giá trị tĩnh tải: G=1601.1 kN - Tổng giá trị hoạt tải: Q= 825.9 kN - Tỷ số: V/(Q+G)=4.6% - Tỷ số độ lệch tầng/chiều cao 0.48% - Max θ=18% Khung thiết kế (đơn vị mm) Hình Mặt hình dạng khung Kết thiết kế dầm, cột thể hình • Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (Pushover) Trên sở phương pháp N2 Fajfar [3,10], chuyển vị mục tiêu khung bê tông cốt thép xác định bảng tính Excel với đầu vào mối quan hệ lực cắt đáy chuyển vị đỉnh (đường cong khả năng) tính tốn SAP2000 Với khung thấp tầng, dao động dạng chiếm ưu nên báo sử dụng mô hình tải trọng dạng “dao động” Để xác định chuyển vị mục tiêu việc chuyển hệ nhiều bậc tự hệ bậc tự tương đương Lúc việc xác định chuyển vị mục tiêu hệ 54 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Bảng Chiều dài khớp dẻo dầm, cột Cơng thức tính Lp Dầm (mm) Corley Cột biên Cột Cột biên (mm) Cột (mm) 177.3 178.3 177.3 Mattock 226 248 247 Sawyer 257.3 293 292 175 175 175 Paulay - Priestley Bảng2 Lực cắt đáy cấp động đất thiết kế Các trường hợp Dầm mái Dầm tầng 1-3 Hình Kết thiết kế dầm, cột TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 Lực cắt đáy cấp động đất thiết kế (kN) 232.49 235.43 237.52 237.41 236.44 Chênh lệch so với TH1 (%) 1.26 2.16 2.11 1.69 Chênh lệch trường hợp khai báo vùng dẻo so với TH2(%) - 0.88 0.84 0.43 TH3 TH4 TH5 Bảng Chuyển vị mục tiêu Các trường hợp TH1 TH2 Chuyển vị 0.110937 0.106618 0.106436 0.106447 0.106475 mục tiêu (m) Hình Đường cong khả nhiều bậc tự chuyển thành việc xác định chuyển vị mục tiêu hệ bậc tự tương đương Chuyển vị mục tiêu thể ứng xử kết cấu cấp động đất thiết kế Do quy trình thiết kế theo khả áp dụng, nên phá hoại cắt xảy dầm, cột Việc phân tích thực theo trường hợp khai báo khớp dẻo khác - TH1: Khớp dẻo tập trung Chênh lệch so với TH1(%) -3.89 -4.05 -4.04 -4.02 Chênh lệch trường hợp khai báo vùng dẻo so với TH2(%) - -0.17 -0.16 -0.13 - TH2: Vùng dẻo, sử dụng công thức Corley - TH3: Vùng dẻo, sử dụng công thức Mattock - TH4: Vùng dẻo, sử dụng công thức Sawyer độ cong (vùng dẻo), việc thực phần mềm Response 2000 [6] - TH5: Vùng dẻo, sử dụng công thức Paulay Priestley Giá trị chiều dài khớp dẻo tính theo cơng thức thực nghiệm đề cập trên, giá trị cho bảng 1: Ở dầm ứng xử dẻo mô men uốn định khớp M (chỉ xét ảnh hưởng mô men uốn M) khai báo cho dầm, cột ảnh hưởng lực dọc sử dụng khớp P-M (xét ảnh hưởng lực dọc P mô men uốn M) Khi sử dụng khớp P-M cần phải xây dựng biểu đồ tương tác cho cột, việc thực với trợ giúp phần mềm, để đơn giản sử dụng tính xây dựng biểu đồ tương tác có sẵn SAP2000 Khi khai báo khớp dẻo yêu cầu cần có kết phân tích quan hệ mơ men – góc xoay tiết diện (khớp dẻo tập trung) quan hệ mơ men – Các giá trị Lp tính theo công thức thực nghiệm cho giá trị chênh lệch nhiều, công thức cơng thức Paulay – Priestley đề xuất đơn giản Đường cong khả có trường hợp thể hình Từ đường cong khả năng, chuyển vị lực cắt đáy cấp động đất thiết kế tính tốn, giá trị thể bảng 3: (xem tiếp trang 60) S¬ 32 - 2018 55 ... khung bê tông cốt thép theo EC2 [1] EC8 [2] hình thực phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần với khung vừa thiết kế • Thiết kế khung bê tơng cốt thép Hình thể mặt hình dạng khung bê tơng cốt thép Khung. .. Hình Mặt hình dạng khung Kết thiết kế dầm, cột thể hình • Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (Pushover) Trên sở phương pháp N2 Fajfar [3,10], chuyển vị mục tiêu khung bê tông cốt thép xác định bảng... = 2s Vật liệu sử dụng bê tông C25/30, thép sử dụng thép S500 nhóm B Khi thiết kế cốt thép cho cấu kiện áp dụng quy trình thiết kế theo khả để thiết kế cốt dọc cho cột, cốt đai cho dầm cột Mặt