Các loại tổ hợp khi thiết kế công trình chịu động đất theo TCVN 9386:2012

Bài viết trình bày các định nghĩa tổ hợp cần thiết khi thiết kế công trình chịu động đất tuân theo TCVN 9386:2012, bao gồm: (1) Tổ hợp khối lượng khi phân tích dao động (Mass source), (2) Tổ hợp các dạng dao động (Modal combination), và (3) Tổ hợp tải trọng động đất với các tải trọng khác (Load combination). Một ví dụ cụ thể được trình bày về cách áp dụng các hệ số tổ hợp tải trọng cho mỗi loại tổ hợp.

KHOA HC & CôNG NGHê Cỏc loi t hp thiết kế cơng trình chịu động đất theo TCVN 9386:2012 Combinations in designing of earthquake resistance structures according to TCVN 9386:2012 Nguyễn Thị Ngọc Loan Tóm tắt Bài báo trình bày định nghĩa tổ hợp cần thiết thiết kế cơng trình chịu động đất tn theo TCVN 9386:2012, bao gồm: (1) Tổ hợp khối lượng phân tích dao động (Mass source), (2) Tổ hợp dạng dao động (Modal combination), (3) Tổ hợp tải trọng động đất với tải trọng khác (Load combination) Một ví dụ cụ thể trình bày cách áp dụng hệ số tổ hợp tải trọng cho loại tổ hợp Từ khóa: Động đất, TCVN 9386, Nguồn khối lượng, Tổ hợp dạng dao động, Tổ hợp tải trọng Abstract This paper presents the required combination definitions for the design of earthquake resistant works in accordance with TCVN 9386: 2012, including: (1) Mass Source, (2) Modal combination, and (3) Load combination with other load combination A specific example is presented on how to apply the load factor coefficients for each combination Key words: Earthquake, TCVN 9386, Mass sourse, Modal combination, Load combination Giới thiệu Tiêu chuẩn hành áp dụng thiết kế cơng trình chịu động đất Việt Nam TCVN 9386:2012 [1] Tiêu chuẩn hành chuyển đổi từ TCXDVN 375:2006 [2] thành tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9386:2012 (cũng TCXDVN 375:2006) biên soạn sở chấp nhận tiêu chuẩn Eurocode [3] Ngoài việc bổ sung thay phần mang tính đặc thù Việt Nam, bảng phân cấp phân loại cơng trình xây dựng, đồ phân vùng gia tốc lãnh thổ Việt Nam, bảng phân vùng gia tốc theo địa danh hành chính, bảng chuyển đổi gia tốc sang cấp động đất, TCVN 9386 dịch nguyên bản, nội dung Eurocode 8, cách tổ hợp tải trọng, kèm với hệ số tổ hợp hai tiêu chuẩn hoàn toàn giống Việc thiết kế kết cấu chịu động đất thường đòi hỏi cơng trình quan trọng cơng trình cao tầng Viện khoa học cơng nghệ xây dựng phát hành tài liệu: hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu động đất [4] Trong tài liệu hướng dẫn này, nhiều ví dụ tính tốn cụ thể trình bày, nhiều dẫn tiêu chuẩn mang tính ngun tắc định lượng cơng thức hóa Mặc dù vậy, tài liệu hướng dẫn thiếu ví dụ số định nghĩa tổ hợp tải trọng nguồn khối lượng, mà ví dụ này, có, phần hướng dẫn thiết thực mà kỹ sư thiết kế kết cấu quan tâm Thực tế nay, kỹ sư thiết kế thường làm đơn giản hóa việc định nghĩa tổ hợp nguồn khối lượng, dẫn đến làm không tiêu chuẩn Các định nghĩa tổ hợp tải trọng theo TCVN 9386 trích dẫn trình bày lại mục báo này, cách áp hệ số tổ hợp tải trọng cho ví dụ cụ thể trình bày mục Trong viết này, để ngắn gọn dễ hiểu, thuật ngữ sử dụng TCVN 9386 như: “tải trọng tác động” gọi “tải trọng”, “tác động dài hạn” gọi “tĩnh tải”, “tác động thay đổi” gọi “hoạt tải” (a) Tổ hợp theo TCVN 9386:2012 (b) Tổ hợp thường gặp Hình Hệ số tổ hợp tải trọng định nghĩa nguồn khối lượng SAP2000 Các loại tổ hợp thiết kế cơng trình chịu động đất bảng 3.4 bảng 4.2 TCVN 9386:2012) Khi phân tích kết cấu cơng trình chịu động đất, có ba loại tổ hợp cần định nghĩa là: Bảng 1: Các giá trị ψ2,i nhà (Bảng 3.4 TCVN 9386:2012) (1) Tổ hợp khối lượng phân tích dao động (Mass source), (2) Tổ hợp dạng dao động (Modal combination), (3) Tổ hợp tải trọng động đất với tải trọng khác (Load combination) Phần sau trình bày tổ hợp 2.1 Tổ hợp khối lượng phân tích dao động (Mass source) Mục 3.2.4 (2) 9386:2012 định nghĩa tổ hợp để xác định nguồn khối lượng liên quan đến hiệu ứng quán tính phân tích dao động (modal analysis) sau: ∑G "+ " k,j ∑ψ (1) E ,i Qk ,i đó: Dấu “+” biểu thức có nghĩa “tổ hợp với” Các số số hạng biểu thức (1) có ý nghĩa là: i thành phần hoạt tải thứ i; j thành phần tĩnh tải thứ j; k tầng thứ k, Gk,j tĩnh tải thứ j, tầng k, Qk,i hoạt tải thứ i, tầng k ψ E ,i = ϕψ 2,i ψE,i hệ số tổ hợp tải trọng hoạt tải thứ i; ψE,i xét đến khả hoạt tải Qk,i khơng xuất tồn cơng trình thời gian xảy động đất ψE,i xét đến tham gia hạn chế khối lượng (do hoạt tải) vào chuyển động kết cấu mối liên kết không cứng chúng (khối lượng hoạt tải) ψ2,i hệ số tải trọng dài hạn giả định (quasi-permanent), nghĩa ψE,i Qk,i giả định tĩnh tải Giá trị ψ2,i φ cho bảng bảng 2, (tương ứng với ThS Nguyễn Thị Ngọc Loan Bộ môn Sức bền - Cơ kết cấu Khoa Xây dựng ĐT: 0912085969 Email: ngocloan93@yahoo.com Ngày nhận bài: 04/4/2017 Ngày sửa bài: 05/502017 Ngày duyệt đăng: 10/4/2018 64 ψ2,i Tác động Tải trọng đặt lên nhà, loại Loại A: Khu vực nhà ở, gia đình Loại B: Khu vực văn phòng Loại C: Khu vực hội họp Loại D: Khu vực mua bán Loại E: Khu vực kho lưu trữ Loại F: Khu vực giao thông, trọng lượng xe ≤ 30 kN Loại G: Khu vực giao thông, 30 kN ≤ trọng lượng xe ≤ 160 kN Loại H: Mái 0,3 0,3 0,6 0,6 0,8 0,6 0,3 Bảng 2: Giá trị φ để tính tốn ψE,i (Bảng 4.2 TCVN 9386:2012) Loại tác động thay đổi Các loại từ A-C* Mái Tầng φ 1,0 Các tầng sử dụng đồng thời 0,8 Các tầng sử dụng độc lập 0,5 Các loại từ D-F* 1,0 kho lưu trữ * Các loại tác động thay đổi định nghĩa bảng 2.2 Tổ hợp dạng dao động (Modal combination) Mục 4.3.3.3.2 9386 trình bày hai loại tổ hợp dạng dao động, là: (1) tổ hợp bậc hai tổng bình phương (SRSS - the Square Root of the Sum of their Squares), tổ hợp bậc hai đầy đủ (CQC – the Completed Quadratic Combination) Điều kiện để áp dụng tổ hợp SRSS xem [1] Bảng 3: Hệ số tổ hợp tải trọng định nghĩa nguồn khối lượng Hoạt tải Hình Cơng trình tầng cho ví dụ T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Loại hoạt tải Qk,i (kN/m2) φ Khu vực văn phòng B Qk,1 = 0,8 Khu vực hội họp C Qk,2 = 0,8 Khu vực kho lưu trữ E Qk,3 = 1,0 Mái H Qk,4 = 0,75 1,0 ψ2,i ψ2,1 =0,3 ψ2,2 =0,6 ψ2,3 =0,8 2,4 =0 2,i Qk,i 0,8ì0,3ì2 0,8ì0,6ì4 1,0ì0,8ì6 1,0ì0ì0,75 Sơ 30 - 2018 65 KHOA HC & CôNG NGHê Hỡnh Định nghĩa SAP2000 cho tổ hợp SRSS hai dạng dao động động đất EE = ∑E Ei Hình Biểu đồ mơ men động đất theo phương X, tổ hợp SRSS từ hai dạng dao động (2) EE nội lực, chuyển vị, ứng suất,… động đất xét EEi nội lực, chuyển vị, ứng suất,… động đất xét, dạng dao động thứ i gây Khi thành phần nằm ngang theo phương X phương Y tác động động đất tác động đồng thời, áp dụng quy tắc SRSS để tổ hợp thành phần nằm ngang, sau, xem mục 4.3.3.5.1 [1]: = EE 2 EEdx + EEdy 2.3 Tổ hợp tải trọng động đất với tải trọng khác (Load combination) Mục 3.2.4 (1) TCVN 9386:2012 định nghĩa tổ hợp tải trọng để xác định nội lực, chuyển vị, … tải động đất tải trọng khác phương trình (3) Tổ hợp gọi tổ hợp đặc biệt TCVN 2737:1995 [5] ∑G j ≥1 k, j "+ " P "+ " AEd "+ " ∑ψ 2,i Qk ,i i ≥1 (3) đó: Ed giá trị thiết kế hệ tải trọng (hay Ed nội lực, chuyển vị, … tổ hợp đặc biệt), P lực ứng suất trước (cũng xem tĩnh tải), AEd lực động đất thiết kế Các kí hiệu lại tương tự trình bày mục 2.1 Ví dụ áp dụng Ví dụ: Xác định hệ số tổ hợp phân tích kết cấu cho cơng trình hai tầng hình 1, có xét đến động đất, biết giá trị hoạt tải lên cơng trình là: Khu văn phòng: Q1=2 kN/m2 Khu hội họp: Q2=4 kN/m Khu kho lưu trữ: Q3=6 kN/m2 Mái: Q4=0,75 kN/m2 3.1 Tổ hợp tải trọng định nghĩa nguồn khối lượng (Mass source) 66 Với hệ số tổ hợp định nghĩa bảng 3, tương ứng SAP2000 định nghĩa hình 2a, hệ số tổ hợp cho hoạt tải (HT1 - hay Qk,1) 0,24, cho HT2 (hay Qk,2) 0,48, cho HT3 (hay Qk,3) 0,8 cho HT4 (hay Qk,4) Cách tổ hợp thường gặp tất hoạt tải (Qk,1, Qk,2, Qk,3, Qk,4) gộp chung hoạt tải (HT), nhân hệ số 0,24 hình 2b Nhận xét: EEdx, EEdy hệ tác động động đất theo phương X phương Y, tổ hợp theo phương trình (2) E = d Khi định nghĩa nguồn khối lượng cho việc phân tích dao động, hệ số tổ hợp áp cho thành phần tĩnh tải 1,0, áp cho thành phần hoạt tải lấy Bảng (a) Tổ hợp theo TCVN 9386:2012 (b) Tổ hợp thường gặp Hình Hệ số tổ hợp tải trọng định nghĩa tổ hợp đặc biệt SAP2000 2.4.4 Tổ hợp tải trọng đặc biệt có tải trọng tạm thời giá trị tải trọng tạm thời lấy tồn 2.4.5 Tổ hợp tải trọng đặc biệt có hai tải trọng tạm thời trở lên, giá trị tải trọng đặc biệt lấy khơng giảm, giá trị tính toán tải trọng tạm thời nội lực tương ứng chúng nhân với hệ số tổ hợp sau: tải trọng tạm thời dài hạn nhân với hệ số ψ1 =0,95; tải trọng tạm thời ngắn hạn nhân với hệ số ψ2 =0,8; trừ trường hợp nói rõ tiêu chuẩn thiết kế cơng trình vùng động đất tiêu chuẩn thiết kế kết cấu móng khác” Như vậy: Theo TCVN 2737:1995 tổ hợp tải trọng đặc biệt phải tuân theo TCVN 9386:2012, Trong TCVN 9386, hoạt tải sửa chữa mái khơng tính tham gia vào nguồn khối lượng gây hiệu ứng quán tính (φ2,i=0) Cách tổ hợp thường gặp có tính khối lượng Nếu tổ hợp chứa loại hoạt tải từ A đến G bảng 1, tổ hợp đặc biệt có tải trọng tạm thời, không, tổ hợp đặc biệt có hai tải trọng tạm thời trở lên Với cơng trình dạng tổ hợp chung cư văn phòng, nghĩa có hoạt tải loại A loại B bảng 1, cách tổ hợp thường gặp phù hợp với định nghĩa TCVN 9386, ngoại trừ sai khác phần khối lượng mái Trường hợp cơng trình có tải trọng tạm thời, tổ hợp theo TCVN 2737 hệ số tổ hợp tải trọng tạm thời 1,0 (mục 2.4.4), tổ hợp theo TCVN 9386 hệ số tổ hợp tải trọng tạm thời ψ 2,i < 1,0 , tùy loại hoạt tải (xem phương trình bảng 1), kể trường hợp i=1 Với cơng trình có chứa khu có hoạt tải loại C, D, E, F cách tổ hợp thơng thường không phù hợp với TCVN 9386 3.2 Tổ hợp dạng dao động (Modal combination) Giả sử tính động đất theo phương X, phải tính với hai dạng dao động, dạng đặt tên DDX1 dạng DDX2, nội lực, chuyển vị, ứng suất,… động đất theo phương X tổ hợp kiểu SRSS là: = DDX DDX 12 + DDX 22 , định nghĩa tương ứng SAP2000 (hay ETABS) hình Vì tổ hợp SRSS, nên DDX có đồng thời dấu dương âm Ví dụ biểu đồ mơ men DDX có dạng hình 3.3 Tổ hợp tải trọng động đất với tải trọng khác (Load combination) Nội lực, chuyển vị, ứng suất, … kết cấu cho trường hợp tổ hợp tải trọng động đất với tải trọng khác, gọi tổ hợp tải trọng đặc biệt TCVN 2737:1995 [5], định nghĩa mục 2.4.4 2.4.5 [5] trích lại õy: TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Cơng trình ví dụ có ba tải trọng tạm thời (không kể tải trọng sửa chữa mái) Tên tổ hợp đặc biệt THDB Áp hệ số tổ hợp tải trọng định nghĩa bảng vào phương trình (3) có kết phương trình (4) THDB = TT "+ " DDX "+ "(0,3HT + 0,8 HT + 0,6 HT + HT 4) (4) Tương ứng phương trình (4), hệ số tổ hợp SAP2000 định nghĩa hình 5a, hệ số tổ hợp cho hoạt tải (HT1 - hay Qk,1) 0,3, cho HT2 (hay Qk,2) 0,8, cho HT3 (hay Qk,3) 0,6 cho HT4 (hay Qk,4) Cách tổ hợp thường gặp tất hoạt tải (Qk,1, Qk,2, Qk,3, Qk,4) gộp chung hoạt tải (HT), nhân hệ số 0,3 phương trình (5a) (tương ứng hình 5b) Cũng có cách tổ hợp thường gặp khác, kỹ sư thiết kế áp dụng định nghĩa tổ hợp theo TCVN 2737:1995, phương trình (5b) THDB = TT "+ " DDX "+ " 0,3HT (5a) THDB = TT "+ " DDX "+ " 0,8 HT (5b) Đối chiếu với phương trình (4) bảng cách tổ hợp theo phương trình (5a) cơng trình có hoạt tải loại A và/hoặc loại B và/hoặc loại G, cách tổ hợp theo phương trình (5b) cơng trình có hoạt tải loại E Kết luận kiến nghị • Bài báo trình bày cách áp dụng hệ số tổ hợp tải trọng phân tích cơng trình chịu động đất theo TCVN 9386:2012 • Theo TCVN 9386:2012, hoạt tải sửa chữa mái không tham gia vào nguồn khối lượng gây hiệu ứng qn tính, khơng có ảnh hưởng tổ hợp đặc biệt • Trong tổ hợp đặc biệt, hệ số tổ hợp cho hoạt tải định nghĩa TCVN 9386:2012 khác chi tiết hệ số TCVN 2737:1995 • Các cách tổ hợp thường gặp, đơn giản so với cách tổ hợp tuân theo TCVN 9386:2012, không phù hợp với quy định tổ hợp tải trọng TCVN 9386:2012 • Khi thiết kế cơng trình chịu động đất, tổ hợp tải trọng cần tuân theo TCVN 9386:2012./ T¿i lièu tham khÀo TCVN 9386:2012: Thiết kế cơng trình chịu động đất - Phần 1: Quy định chung, tác động động đất quy định kết cấu nhà Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2012 TCXDVN 375:2006: Thiết kế công trình chịu động đất Phần 1: Quy định chung, tác động động đất quy định kết cấu nhà Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2006 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance - Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings European Committee for Standardization, 2003 Viện khoa học công nghệ Xây dựng: Hướng dẫn thiết kế cơng trình cao tầng bê tông cốt thép theo TCXDVN 375:2006 Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2006 TCVN 2737:1995: Tải trọng tác động, tiêu chuẩn thiết kế Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2013 SAP2000 Advanced 14.2.2, Structural Analysis Program Computers and Structures, Inc S¬ 30 - 2018 67 ... tuân theo TCVN 9386:2012, không phù hợp với quy định tổ hợp tải trọng TCVN 9386:2012 • Khi thiết kế cơng trình chịu động đất, tổ hợp tải trọng cần tuân theo TCVN 9386:2012. / T¿i lièu tham khÀo TCVN. .. phương trình (4) bảng cách tổ hợp theo phương trình (5a) cơng trình có hoạt tải loại A và/hoặc loại B và/hoặc loại G, cách tổ hợp theo phương trình (5b) cơng trình có hoạt tải loại E Kết luận... trường hợp nói rõ tiêu chuẩn thiết kế cơng trình vùng động đất tiêu chuẩn thiết kế kết cấu móng khác” Như vậy: Theo TCVN 2737:1995 tổ hợp tải trọng đặc biệt phải tuân theo TCVN 9386:2012, Trong TCVN