Ảnh hưởng của động đất tác dụng dọc nhà đối với kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng có cầu trục

Trong bài báo này, tám kết cấu nhà công nghiệp một tầng một nhịp bằng thép có cầu trục được khảo sát theo sơ đồ phân tích không gian chịu tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo phương dọc nhà (PDN). Các thông số khảo sát gồm nhịp khung 20, 26, 32 và 38 m; sức trục 100 và 200 kN; địa điểm xây dựng ở Hà Nội và Sơn La. Kết quả tính cho thấy mô men uốn lớn nhất ở chân cột theo phương ngoài mặt phẳng khung ngang do thành phần tải trọng động đất tác dụng theo PDN là rất nhỏ và có thể bỏ qua, trong khi lực nén trong cột lại khá lớn, đặc biệt ở những cột thuộc khoang có giằng cột.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2020 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT TÁC DỤNG DỌC NHÀ ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP NHÀ CƠNG NGHIỆP MỘT TẦNG CĨ CẦU TRỤC Đinh Văn Thuậta,∗, Nguyễn Đình Hòaa , Nguyễn Văn Cườngb , Trương Việt Hùngc a Khoa Xây dựng DD CN, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, Hà Nội, Việt Nam Cơng ty Tư vấn Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam c Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy Lợi, 175 đường Tây Sơn, quận Đống Đa, Hà Nội, Việt Nam O O F b Nhận ngày 07/03/2020, Sửa xong 13/04/2020, Chấp nhận đăng 20/04/2020 Tóm tắt TE D PR Trong báo này, tám kết cấu nhà công nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục khảo sát theo sơ đồ phân tích khơng gian chịu tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo phương dọc nhà (PDN) Các thông số khảo sát gồm nhịp khung 20, 26, 32 38 m; sức trục 100 200 kN; địa điểm xây dựng Hà Nội Sơn La Kết tính cho thấy mơ men uốn lớn chân cột theo phương mặt phẳng khung ngang thành phần tải trọng động đất tác dụng theo PDN nhỏ bỏ qua, lực nén cột lại lớn, đặc biệt cột thuộc khoang có giằng cột Xét trường hợp tổ hợp nội lực tĩnh tải động đất, lực nén cột xét ba thành phần động đất tác dụng theo phương ngang, đứng dọc nhà lớn từ 2,36 đến 2,99 lần so với trường hợp xét theo phương ngang đứng Kết ảnh hưởng tải trọng động đất tác dụng theo PDN làm tăng đáng kể lực nén cột, đặc biệt cột khoang có giằng cột điều cần phải kể đến tính tốn thiết kế kết cấu nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục chịu động đất Mức độ tăng giá trị lực nén cột phụ thuộc vào chiều dài nhịp cường độ tác động động đất EC Từ khoá: nhà cơng nghiệp tầng; phân tích khơng gian; khung thép; chiều dài nhịp: tải trọng động đất; phương dọc nhà Effects of longitudinal seismic actions for single-storey industrial steel building structures with cranes R Abstract U N C O R In this paper, eight one-span single-storey industrial steel building structures with cranes were investigated by using three-dimensional analyses under equivalent longitudinal static seismic loads The investigation parameters included the frame spans of 20, 26, 32 and 38 m; crane capacities of 100 and 200 kN; and construction locations in Hanoi and Son La regions As a result, the maximum bending moments at the bottom of the columns in out of the frame plane induced by longitudinal seismic loads were very small and can be ignored, while the axial forces in the columns were considerably large, particularly in columns with longitudinal braces Considering combination of internal forces due to dead loads and seismic loads for the columns, the compressive forces obtained when considering all three seismic load components acting transversely, vertically and longitudinally were significantly larger than those when considering only two transversal and vertical seismic load components, resulted from 2.36 to 2.99 times The obtained results show that the compressive forces induced in columns due to longitudinal seismic loads were significantly increased, especially for those with braces and consequently this increase must be taken into account in the seismic design of single-storey industrial steel building structures with cranes, which depends on the span length and seismic intensities Keywords: single-storey industrial buildings; three-dimensional analyses; steel frames; span lengths; earthquake loads; longitudinal direction c 2020 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) ∗ Tác giả Địa e-mail: thuatdv@nuce.edu.vn (Thuật, Đ V.) Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Giới thiệu O R R EC TE D PR O O F Trong thiết kế kết cấu kháng chấn, tải trọng động đất tác dụng lên cơng trình phân thành ba thành phần theo phương ngang, đứng dọc nhà, có thành phần coi tác dụng với hệ số tổ hợp 1,0 hai thành phần lại coi tác dụng phụ với hệ số tổ hợp 0,3 [1, 2] Tải trọng động đất biểu diễn dạng tải trọng tĩnh tương đương băng gia tốc theo thời gian Như vậy, tổng cộng có ba trường hợp tổ hợp ba thành phần tải trọng động đất hệ kết cấu cơng trình cần phân tích theo sơ đồ không gian tác dụng đồng thời ba thành phần tải trọng Kết cấu nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục thường bao gồm nhiều khung phẳng đặt cách khoảng từ đến m chúng liên kết với để tạo thành hệ kết cấu không gian với mặt hình chữ nhật có chiều dài lớn Hình [3] Với hình dạng mặt tách riêng khung phẳng để tính tốn thiết kế tác dụng tải trọng gồm tĩnh tải, hoạt tải mái, cầu trục, gió thổi theo phương ngang dọc nhà, hai thành phần động đất tác dụng theo phương ngang đứng [4–9] Việc sử dụng sơ đồ khung phẳng để tính kết cấu có ưu điểm giảm đáng kể khối lượng tính tốn, đặc biệt phân tích theo mơ hình kết cấu phi tuyến theo vật liệu chịu tác động động đất Tuy nhiên, việc tính khơng đánh giá đầy đủ yêu cầu chịu lực cấu kiện kết cấu tác dụng thành phần tải trọng động đất theo phương dọc nhà (PDN) tổ hợp với hai thành phần tác dụng theo phương ngang đứng Trong báo này, tám sơ đồ kết cấu không gian nhà công nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục khảo sát tương ứng với tám trường hợp khung phẳng trình bày [6, 7] với thông số khảo sát gồm nhịp khung 20, 26, 32 38 m; sức trục 100 200 kN; địa điểm xây dựng Hà Nội Sơn La Các khung ngang tính toán thiết kế để đủ chịu trường hợp tổ hợp nội lực nguy hiểm tải trọng gồm tĩnh tải, hoạt tải mái, cầu trục, gió thổi theo phương ngang dọc nhà, hai thành phần tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo phương ngang đứng [1–4] Tiếp theo, ảnh hưởng tải trọng động đất tác dụng theo PDN sơ đồ kết cấu khung khảo sát theo sơ đồ kết cấu không gian Kết ảnh hưởng tải trọng động đất tác dụng theo PDN làm tăng đáng kể lực nén cột, đặc biệt cột khoang có giằng cột điều cần phải kể đến tính tốn thiết kế kết cấu nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục chịu động đất Hệ kết cấu nhà công nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục U N C Xét cơng trình nhà cơng nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục gồm 16 khung ngang giống đặt cách 6,5 m; hệ giằng mái theo phương ngang bố trí hai khoang đầu nhà khoang nhà; hệ giằng mái theo phương dọc bố trí hai biên nhà; hệ giằng cột bố trí khoang nhà; chống dọc đỉnh mái, đỉnh cột, đỉnh chân cửa trời; chống cột theo PDN cao trình 3,7 m tính từ mặt móng; xà gồ mái; tơn lợp có cách nhiệt; hệ sườn tường tơn bao che; hệ cột chống gió đầu hồi nhà (Hình 3) Trong báo này, có tám sơ đồ kết cấu nhà khảo sát với nhịp khung 20, 26, 32 38 m, ký hiệu tương ứng H-20-100, H-26-100, H-32-100 H-38-100 cho khu vực Hà Nội S-20-200, S-26-200, S-32-200 S-38-200 cho khu vực Sơn La Ví dụ, ký hiệu khung H-20-100 có nghĩa nhịp khung 20 m, sức trục 100 kN xây dựng khu vực Hà Nội Các khung tương ứng với trường hợp trình bày [6, 7] với kích thước tiết diện cột dầm tính tốn thiết kế theo sơ đồ khung phẳng đủ để chịu trường hợp tổ hợp nội lực nguy hiểm tải trọng gồm tĩnh tải, hoạt tải mái, cầu trục, gió thổi theo phương ngang dọc nhà, tải trọng động đất tĩnh tương đương hiệu khung H-20-100 có nghĩa nhịp khung 20 m, sức trục 100 kN xây dựng khu ày [6,Nội 7].Các Hình mơtương tả mặt khung vực Hà khung1này ứng với trường hợp đượcngang trình bày nhà [6, 7] với Cầu Cột trục Y Tôn tường Giằng cột Dầm đỡ cầu trục L Cột đầu hồi O O F L kích thước tiết diện cột dầm tính tốn thiết kế theo sơ đồ khung phẳng đủ để chịu Y tường Giằng cộttĩnh tải, hoạt tảiTôn Cột tải trọng gồm mái, cầu trục, gió trường hợp tổ hợp nội lực nguy hiểm Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng thổi theo phương ngang dọc nhà, tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo phương ngang đứng,ngang đóđứng, chưa xét đến thànhxét phần trọng động đất tác dụng tác dụng theovà phương chưa đến tải thành phần tải trọng động đất theo tác dụng theoChi PDN trường tải trọng, hợplực nộivàlực tiết cột diệnvàcột dầm khung PDN tiết Chi xác tiết địnhxác cácđịnh trường hợp tảihợp trọng, tổ hợptổnội tiếtvàdiện dầm khung trình bày [6, 7] Hình mơ tả mặt khung ngang nhà Cột đầu hồi trình bày [6, 7] Hình mơ tả mặt khung ngang nhà X Cầu trục 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 6500 Dầm đỡ cầu trục 97500 X 6500 56500 6500 6500 76500 6500 6500 96500 6500 10 6500 11 126500 13 6500 6500 6500 6500 97500 10 11 12 13 14 10 o L1 L2 10 o 15 16 16 PR 2000 10 o L2 2000 a Mặt Mặtbằng nhànhà a.(a)Mặt nhà 15 14 10 o L2 L2 H TE D L1 L H Q EC Q b Khung ngang nhà L (b) Khung ngang nhà R ngang nhà b Khung O R Hình Mặt khung ngang nhà U N C Các khung phẳng liên kết với giằng chống mặt phẳng mái mặt phẳng cột khung theo PDN, tạo thành hệ kết cấu không gian chịu tải trọng động đất theo PDN Loại thép cán nóng sử dụng cho với số hiệu xác định sơ sau: hai số hiệu C12 sử dụng cho chống đỉnh mái, đỉnh cột cao trình L120×8 cho giằng mái giằng cột 3,7 m tính từ mặt móng; số hiệu số hiệu C10 cho xà gồ mái [10, 11] Xác định tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo phương dọc nhà 3.1 Xác định khối lượng tham gia dao động Nhà công nghiệp tầng thép có cầu trục thường sử dụng mái dốc bao gồm xà gồ đặt dầm mái phủ tơn lượn sóng Do mơ hình tính tốn dao động riêng cơng trình, việc kể đến ảnh hưởng mái giả thiết hệ kết cấu mái có độ cứng vơ mặt phẳng ngang không đảm bảo sát với thực tế làm việc dẫn đến kết tính tốn có sai số lớn Điều khác so với trường hợp kết cấu nhà [6, 7] (Hình 2) Mặc dù tác động động đất kết cấu cách trực phương pháp phổ phản ứng sử dụng phần mềm SAP2 thiết khối lượng tập trung số điểm báo nhằm cung Thuật, Đ V.,cần cs thiết / Tạp chívà Khoa học Cơng nghệ giảm Xây dựngbớt khối lượng phân tính toán trung gian đồng thời cao tầng gồm sàn phi tuyến bê tông cốt thépvật nằmliệu ngang vìtác dụng tầng sàncủa có thểbăng coi dụng mơtầng hình theo gia tốc nề N C O R R EC TE D PR O O F cứng vô mặt phẳng nằm ngang tính tốn dao động riêng hệ kết cấu [12] Để đơn giản việc xác định tải trọng động W7 W8 W đất tĩnh tương đương, khối lượng tham gia dao W4 W4 W động kết cấu giả thiết tập trung số W3 W W6 W vị trí khung trình bày [6, 7] (Hình 2) Mặc dù tác động động đất kết cấu có W2 W1 W2 W1 thể xác định cách trực phương pháp phổ phản ứng sử dụng phần mềm SAP2000 [13], việc giả thiết khối lượng tập trung số điểm báo nhằm cung cấp giá trị tính tốn trung gian cần thiết đồng thời Vị trí tập trung khối lượng tham gia giảm bớt khối lượng phân tích kết cấu sử Hình Vị tríHình tập2 trung khối lượng tham gia dao độ dao động dụng mơ hình phi tuyến theo vật liệu tác dụng băng gia tốc [5, 12] Khối lượng tham gia dao động kết cấu xác định từ tĩnh tả Khối lượng tham gia dao động kết cấu xác định từ tĩnh tải cầu trục Phần trọng lượng từ tĩnh trọng tải khungtừ đềutĩnh có giátải trị giống khung trìnhđều bày [6, 7] lượng vật lượng có giá trịTrọng giống trìn nâng hoạt tải mái không xét đến xác định khối lượng tham gia dao động xác suất xuất Trọng lượng củahợp vậtnàynâng vàđấthoạt mái xét đến đồng thời trường động thiết tải kế lớn nhấtkhơng xảy nhỏ bỏ qua xác địn Phần từ hai đượcxuất xếp cạnh truyền khung liền kề, hợp độ giatrọng daolượng động vìcầu xáctrụcsuất đồng thời đến củabacác trường khung tiếp nhận nhiều Trong báo này, xét khung trục nằm khoảng hai vị trí xảycộtralà cónhỏ vàlượng qua khoangnhất có giằng khung trọng từ cầubỏ trục truyền đến nhiều (Hình 1(a)) Dầm đỡ cầu trục sử dụng dầm đơn giản kê hai vai cột hai khung cạnh Do vậy, Phần lượng từảnh haihưởng cầudotrục chỉhiểm truyền đến tải trọng từ cầu trục đượctrọng xác định từ đường hai cầu trục xếp cạnh xếp vịnhau trí nguy cho khung trục ảnh hưởng đến ba khung trục 4, 6, có nghĩa trọng lượng cầu trục truyền khung tiếp nhận nhiều Trong báo này, xét kh đến khung trục nhiều nhất, đến khung trục nằm hai bên khung trục 5; trọng lượng từ cầu trục không truyền khác Trọng tham cột gia dao từ cầucó trụctrọng tác dụng khoảng đến haicácvịkhung trí khoang cólượng giằng động khung lượng từ c khung trục có giá trị tương tự trình bày [6, 7] nhiều (Hình 1a) Dầm đỡ cầu trục sử dụng dầm đơn giản đ Bảng trình bày kết trọng lượng để xác định khối lượng tham gia dao động vị trí Hình cho khung trục 4, từ trọng lượng cầu trục trọng lượng dầm đỡ cầu trục, bỏ qua trọng lượng vật nâng đề cập Trọng lượng từ cầu trục truyền sang hai bên vai cột giá trị phụ thuộc vào nhịp khung, bước khung loại cầu trục [10, 11] Trọng lượng W2 vị trí khung từ trục đến đến 16 (Hình 1(a)) gồm trọng lượng dầm đỡ cầu trục, 12,76 kN cho trường hợp dầm đỡ cầu trục có nhịp 6,5 m U Bảng Trọng lượng để xác định khối lượng tham gia dao động vị trí khung trục 4, (kN) Kết cấu khung H-20-100 H-26-100 H-32-100 H-38-100 W2 Trục Trục Trục 19,63 27,51 41,72 54,33 56,70 79,90 108,08 127,29 24,10 33,07 52,18 69,28 Kết cấu khung S-20-200 S-26-200 S-32-200 S-38-200 W2 Trục Trục Trục 23,36 32,83 48,86 62,14 79,52 101,11 128,75 146,73 30,95 41,59 64,71 81,82 Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 3.2 Xác định dao động riêng hệ kết cấu khung không gian O O F Hệ kết cấu khung không gian phân tích phần mềm SAP2000 [13] với giả thiết sau: liên kết ngàm chân cột khung liên kết cứng đỉnh cột khung theo tất phương; liên kết khớp a Theo phương ngang nhà đầu chống giằng; cột chống gió, liên kết ngàm với móng bê tông cốt thép, liên kết khớp với dầm mái theo phương dọc ngang nhà, liên kết khớp trượt với dầm mái theo phương đứng; sử dụng giàn hãm để truyền lực theo phương ngang dọc nhà vào khung; bỏ qua ảnh hưởng độ cứng độ bền xà gồ mái tơn lợp (Hình 3) Khối lượng tham gia dao động đặt tập trung vị trí khung Hình Bảng trình bày kết xác định chu kỳ dao động riêng bậc theo phương ngang, đứng dọc nhà hệ khung không gian khảo sát, tương ứng với ba trục y, z x Kết chu kỳ dao động riêng theo PDN nhỏ so với hai phương kia, khoảng 0,19 đến 0,30 giây cho trường hợp Hà Nội từ 0,18 đến 0,29 giây cho trường hợp Sơn La b Theo phương dọc nhà TE D PR a Theo phương ngang nhà Theo phương (a)a Theo phươngngang ngangnhà nhà EC Theo phương (b)b Theo phươngdọc dọcnhà nhà (c)c Theo phươngđứng đứng Theo phương Hình Các dạng dao động bậc hệ kết cấu nhà S-32-200 Hình Các dạng dao động bậc hệ kết cấu nhà S-32-200 Bảng Chu kỳ dao động riêng bậc theo phương ngang, đứng dọc nhà (giây Kết cấu khung T1y H-20-100 0,4339 T1z T1x Kết cấu khung T1y T1z T Ngang Đứng D S-20-200 0,3562 0,2403 0,1 T 1x H-26-100 0,4253 T 1y0,2349 S-26-200 T 1z 0,3330 Kết cấu khung Dọc Ngang Đứng T 1x 0,3986 0,3525 0,2 T 1y T 1z O R Kết cấu khung R Bảng Chu kỳ dao động riêng bậc theo phương đứng Dọc dọc nhà (giây) Ngangngang, Đứng Ngang Đứng 0,2796 0,1871 N C H-20-100 0,4339 0,2796 0,1871 S-20-200 0,3562 c Theo phương đứng b Theo phương dọc nhà H-26-100 0,4253Hình 3.0,3330 0,2349 S-26-200 0,3986 Các dạng dao động bậc hệ kết cấu nhà S-32-200 H-32-100 0,4448 0,4453 0,3075 S-32-200 0,3623 Bảng Chu kỳ dao động riêng bậc theo phương ngang, đứng dọc nhà (giây) H-38-100 0,4686 0,4681 0,3043 S-38-200 0,3817 Kết cấu khung T1y T1z T1x Ngang Đứng Dọc Kết cấu khung T1y T1z T1x Ngang Đứng Dọc U 0,1871 S-20-200 0,3562 dọc0,2403 3.3 Xác địnhH-20-100 tải trọng0,4339 động đất0,2796 tĩnh tương đương theo phương nhà H-26-100 0,4253 0,3330 0,2349 T1y T1z T1x Ngang Đứng Dọc S-26-200 0,3986 0,3525 0,2403 0,3525 0,3883 0,4170 Dọc 0,1835 0,2568 0,2586 0,2880 0,1835 0,2568 Tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng lên hệ kết cấu khảo sát theo PDN xác định giống theo phương ngang nhà trình bày [6, 7], sử dụng phổ gia tốc thiết kế loại 1, gia tốc tham chiếu agR = 0,1097g 0,1893g tương ứng với khu vực Hà Nội Sơn La, hệ số c Theo phương đứng tầm quan trọng cơng trình 1,0, đất yếu loại D với hệ số 1,35 hệ số ứng xử Hình Các dạng dao động bậc hệ kết cấu nhà S-32-200 lấy 3,0 [1, 2] Đối với nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục, giải pháp mái nhẹ ngang, đứng dọc nhà Chu kỳ dao độngvới riêng xàbậc gồnhất đặttheo kêphương lên dầm mái vàvàtrên đó(giây) có lợp tơn sử dụng phổ biến, chuyển vị T1y T1z T1x Kết cấu khung Ngang Đứng Dọc 0,4339 0,2796 0,1871 S-20-200 0,3562 0,2403 0,1835 0,4253 0,3330 0,2349 S-26-200 0,3986 0,3525 0,2568 Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng ngang đứng cho phép loại kết cấu nhà công nghiệp lớn [3] hệ số cản nhớt lấy 5%, lớn so với trường hợp kết cấu nhà cao tầng thép [12] Bảng đến trình bày kết xác định tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN vị trí tập trung khối lượng hệ khung khảo sát Hình 2, khung Bảng Tải trọng động đất tương đương theo PDN khung H-20-100 H-26-100 (kN) Trục −0,494 0,823 0,299 1,795 2,217 1,042 −0,349 3,920 −0,759 1,269 0,464 2,768 3,357 1,614 −0,497 5,965 −0,532 0,891 0,327 1,948 2,349 1,114 −0,358 4,108 Trục 13 −0,445 0,740 0,269 1,616 1,997 0,942 −0,333 3,542 Trục Trục Trục −0,503 1,266 0,425 2,539 2,567 1,164 −0,218 3,305 −0,816 2,061 0,690 4,099 4,083 1,908 −0,337 5,298 −0,543 1,375 0,458 2,724 2,720 1,249 −0,227 3,471 PR Trục TE D Trục H-26-100 O O F H-20-100 Vị trí Trục 13 −0,415 1,044 0,350 2,092 2,117 0,962 −0,191 2,731 Bảng Tải trọng động đất tương đương theo PDN khung H-32-100 H-38-100 (kN) H-32-100 −0,345 1,045 0,429 2,619 4,178 1,572 −0,326 4,539 −0,554 1,686 0,702 4,261 6,655 2,517 −0,504 7,168 Trục Trục 13 EC Trục −0,382 1,166 0,491 2,982 4,367 1,799 −0,344 4,934 R Trục O R Vị trí −0,255 0,775 0,325 1,972 3,042 1,172 −0,262 3,360 H-38-100 Trục Trục Trục −0,186 1,972 0,909 4,724 4,148 1,902 −0,827 4,039 −0,288 3,080 1,426 7,366 6,610 2,823 −1,199 6,076 −0,207 2,231 1,036 5,297 5,014 1,873 −0,888 4,222 Trục 13 −0,131 1,392 0,651 3,381 2,743 1,383 −0,846 2,835 N C Bảng Tải trọng động đất tương đương theo PDN khung S-20-200 S-26-200 (kN) U Vị trí S-20-200 Trục Trục Trục −0,763 1,371 0,489 3,045 4,147 1,911 −0,724 7,303 −1,354 2,444 0,870 5,400 7,307 3,390 −1,187 12,757 −0,856 1,550 0,548 3,402 4,597 2,116 −0,768 7,923 S-26-200 Trục 13 −0,655 1,175 0,420 2,611 3,556 1,639 −0,671 6,260 Trục Trục Trục −0,821 1,695 0,812 4,910 4,968 2,256 −1,007 6,518 −1,443 2,988 1,433 8,621 8,634 3,985 −1,637 11,292 −0,911 1,891 0,901 5,437 5,460 2,472 −1,062 7,008 Trục 13 −0,645 1,333 0,638 3,860 3,906 1,774 −0,924 5,120 Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Tải trọng động đất tương đương theo PDN khung S-32-200 S-38-200 (kN) S-32-200 Trục Trục −0,321 1,236 0,673 4,264 8,429 2,994 −1,045 9,052 −0,541 2,087 1,155 7,273 14,181 4,991 −1,676 14,956 −0,370 1,427 0,802 5,071 9,078 3,605 −1,136 10,221 Trục 13 −0,224 0,870 0,478 3,020 5,838 2,100 −0,857 6,320 Trục Trục Trục −0,391 4,059 1,793 9,094 7,571 3,357 −2,015 7,057 −0,629 6,548 2,878 14,624 11,772 5,513 −2,963 11,220 −0,451 4,709 2,057 10,419 8,441 3,890 −2,183 7,935 Trục 13 −0,269 2,786 1,230 6,247 5,167 2,337 −2,640 4,860 PR Trục S-38-200 O O F Vị trí TE D trục 4, có phần khối lượng từ trọng lượng cầu trục khung trục 13 khơng có trình bày Để thuận tiện cho việc tính tốn, tải trọng tác dụng lên khung khác khung trục 4, coi có giá trị giống nhau, giống khung trục 13 Kết cho thấy tải trọng động đất tác dụng khung trục lớn có khối lượng tham gia dao động lớn Đánh giá ảnh hưởng thành phần tải trọng động đất theo phương dọc nhà 4.1 Mô men uốn lực dọc cột U N C O R R EC Ảnh hưởng tải trọng động đất tác dụng theo PDN đánh giá thông qua kết nội lực hệ kết cấu xác định phần mềm SAP2000 [13] Nội lực trường hợp tải trọng gồm tĩnh tải, hoạt tải mái, cầu trục, gió thổi theo phương ngang dọc nhà, hai thành phần động đất tác dụng theo phương ngang đứng tính theo sơ đồ khung phẳng mà tách từ hệ kết cấu trình bày [6, 7] Với sơ đồ tính vậy, loại tải trọng gây mô men uốn mặt phẳng khung ngang (mô men uốn quanh trục khỏe tiết diện cột, quanh trục x), ký hiệu M x , với lực dọc N lực cắt Qy tương ứng Đối với trường hợp tải trọng động đất tác dụng theo PDN nội lực kết cấu phải tính theo sơ đồ kết cấu khơng gian từ xác định thành phần mơ men uốn cột theo PDN (theo phương ngồi mặt phẳng khung ngang, quanh trục y), ký hiệu My , với lực dọc N lực cắt Q x tương ứng Đối với trường hợp gió thổi theo PDN ngồi thành phần tải trọng gió tác dụng theo phương dọc lên tường hồi nhà, có thành phần tải trọng gió hút hai biên nhà hướng theo phương ngang; kết gây mô men uốn M x My cột tương ứng theo phương ngang dọc nhà, M x xác định theo sơ đồ khung phẳng trình bày [6, 7] My phải xác định theo sơ đồ kết cấu khơng gian Hình ?? minh họa kết nội lực tải trọng động đất tác dụng theo PDN hệ kết cấu S-32-200, trình bày kết bên cột khung lý đối xứng Hình vẽ khơng thể phần dầm khung giá trị mơ men uốn dầm theo phương mặt phẳng nhỏ, thực tế kể đến ảnh hưởng hệ xà gồ mái tôn làm việc với dầm khung theo PDN giá trị mơ men uốn dầm theo phương ngồi mặt phẳng có xu hướng nhỏ Kết tính cho thấy mơ men uốn My cột tải trọng động đất tác dụng theo PDN có giá trị nhỏ, chẳng hạn từ 4,12 đến 4,61 kNm 9,67 đến 10,99 kNm tương ứng chân cột khung nhà H-32-100 S-32-200 (Hình ??) Có thể thấy mơ men uốn chân cột thuộc khoang có giằng Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng TE D PR O O F cột trục có giá trị lớn cột khác khoang có độ cứng ngang lớn Khung trục có tải trọng động đất tĩnh tương đương lớn tác dụng theo PDN, lại có giá trị mơ men My nhỏ khơng nằm khoang có giằng cột Kết tương tự thu cho trường hợp khác hai cầu trục đặt vị trí truyền trọng lượng lớn từ cầu trục đến khung Như thấy kết tính My khơng phụ thuộc vào vị trí cầu trục di chuyển theo PDN Kết tính cho sơ đồ kết cấu khảo sát cho giá trị mô men My lớn chân cột khung trục 8, cụ thể từ 3,64 đến 6,16 kNm trường hợp Hà Nội từ 7,53 đến 13,98 kNm trường hợp Sơn La Có thể thấy giá trị nhỏ nhiều lần so với giá trị mô men uốn theo phương mặt phẳng khung, M x , trình bày [6, 7] tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang nhà đứng Bảng kết so sánh giá trị mô men uốn lớn chân cột khung trục tĩnh tải tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang, đứng dọc nhà Trong trường hợp xét đến vị trí xếp hai cầu trục để trọng lượng chúng truyền đến cột khung trục lớn Kết giá trị mô men My chân cột tải trọng động đất tác dụng theo PDN nhỏ, khoảng 3,41 đến 4,69% 4,03 đến 8,05% so với giá trị mô men uốn M x tương ứng với tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang nhà đứng, không phụ thuộc vào chiều dài nhịp khung Giá trị mô men My nhỏ nhân với hệ số tổ hợp 0,3 để kể đến tác động đồng thời thành phần tải trọng động đất [1, 2] Bảng Mô men uốn lực dọc chân cột (kNm, kN) Do tải trọng động đất tĩnh tương đương Mx N C Theo phương dọc nhà Mx N Mx N My N 63,91 70,59 82,38 95,49 66,13 76,16 90,38 105,34 77,58 101,19 135,00 164,39 170,99 230,57 282,81 336,41 2,80 2,98 2,68 2,95 4,75 3,89 4,31 4,64 45,19 67,41 85,63 130,11 123,63 191,23 242,74 347,09 15,75 17,14 16,99 18,73 38,57 33,93 38,82 40,81 3,64 3,91 4,61 6,16 7,53 9,27 10,99 13,98 120,25 134,10 153,27 182,62 209,62 233,68 268,04 321,88 R 56,24 97,08 156,51 246,39 61,09 115,97 189,15 296,64 Theo phương đứng N O R H-20-100 H-26-100 H-32-100 H-38-100 S-20-200 S-26-200 S-32-200 S-38-200 Theo phương ngang EC Do tĩnh tải Kết cấu khung U Như Bảng 7, lực dọc cột thành phần tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN có giá trị lớn Trong số 16 cột từ trục đến 16, nội lực cột khung trục thuộc khoang có giằng cột có giá trị lớn nhất, cụ thể từ 120,25 đến 182,62 kN từ 209,62 đến 321,88 kN tương ứng với trường hợp Hà Nội Sơn La Các giá trị tăng theo chiều dài nhịp khung tương ứng từ 20 đến 38 m Tỷ lệ so sánh giá trị lực dọc lớn cột thành phần tải trọng động đất tác dụng theo PDN (trong cột trục 8) với giá trị tĩnh tải gây sau: từ 1,88 đến 1,91 cho trường hợp Hà Nội từ 2,97 đến 3,17 cho trường hợp Sơn La Như vậy, giá trị mơ men My theo phương ngồi mặt phẳng khung ngang nhỏ bỏ qua, giá trị lực dọc cột thuộc khoang có giằng cột thành phần tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN lại lớn cần phải kể đến tính tốn thiết kế cột Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng khung nhà công nghiệp tầng thép có cầu trục Hay nói cách khác cần phải xét đến ba thành phần tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang, đứng dọc nhà để tính lực dọc cột, đặc biệt cột thuộc khoang có giằng cột Hơn nữa, thực tế liên kết chân cột khung cấu tạo khơng hồn tồn liên kết ngàm theo PDN, thiên liên kết khớp, dẫn đến mô men My chân cột theo PDN nhỏ lực dọc cột khung giằng chéo cột lớn O O F 4.2 Tổ hợp nội lực tỷ lệ so sánh trường hợp có không xét thành phần tải trọng động đất theo phương dọc nhà PR Trong thiết kế kết cấu kháng chấn, thành phần tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang, đứng dọc nhà coi tác dụng với hệ số tổ hợp 1,0 hai thành phần lại coi tác dụng phụ với hệ số tổ hợp 0,3 [1, 2, 6, 7] Bảng trình bày trường hợp tổ hợp tĩnh tải thành phần tải trọng động đất, CE1, CE2 CE3 tương ứng với trường hợp có xét đến thành phần tải trọng động đất theo PDN; CE4 CE5 tương ứng với trường hợp không xét theo PDN Bảng Hệ số tổ hợp nội lực tĩnh tải tải trọng động đất TE D Có xét theo PDN Tải trọng CE1 CE2 CE3 CE4 CE5 1,0 1,0 0,3 0,3 1,0 0,3 1,0 0,3 1,0 0,3 0,3 1,0 1,0 1,0 0,3 0,0 1,0 0,3 1,0 0,0 EC Tĩnh tải Tải trọng động đất tĩnh ngang Tải trọng động đất tĩnh đứng Tải trọng động đất tĩnh dọc Không xét theo PDN O R R Bảng 10 kết tổ hợp nội lực bao gồm giá trị mô men M x hai thành phần tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang đứng gây trình bày [6, 7] giá trị lực dọc N cột tương ứng với ba hai thành phần tải trọng động đất gây Trong Bảng 9, tổ hợp EC1 tương ứng với thành phần động đất theo phương ngang cho giá trị mô men M x lớn nhất; tổ hợp EC3 tương ứng với thành phần động đất theo PDN cho giá trị lực nén N lớn nhất; tổ N C Bảng Kết tổ hợp nội lực xét ba thành phần tải trọng động đất; M x (kNm) N (kN) Kết cấu khung U H-20-100 H-26-100 H-32-100 H-38-100 S-20-200 S-26-200 S-32-200 S-38-200 EC1 EC2 EC3 N Mx My N Mx My N Mx My 107,51 118,94 136,14 158,85 145,34 160,33 186,75 218,79 147,38 218,49 317,20 449,81 269,17 403,91 544,78 737,18 1,09 1,17 1,38 1,85 2,26 2,78 3,30 4,19 116,58 128,85 146,16 169,89 169,01 181,36 210,91 244,11 124,70 194,85 282,64 425,82 236,02 376,37 516,73 744,65 1,09 1,17 1,38 1,85 2,26 2,78 3,30 4,19 189,73 210,73 241,55 284,61 288,75 321,19 371,36 440,86 93,07 147,66 222,70 334,74 149,48 242,51 346,82 501,69 3,64 3,91 4,61 6,16 7,53 9,27 10,99 13,98 Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng hợp EC2 tương ứng với thành phần động đất theo phương đứng cho giá trị khoảng trung gian hai trường hợp tổ hợp EC1 EC3 Bảng 10 Kết tổ hợp nội lực không xét thành phần tải trọng động đất theo PDN hệ số so sánh; My (kNm) N (kN) EC4 Hệ số N Mx N Mx 71,44 78,71 90,16 104,06 82,45 90,23 106,34 122,22 147,38 218,49 317,20 449,81 269,17 403,91 544,78 737,18 80,50 88,62 100,17 115,11 106,13 111,26 130,49 147,54 124,70 194,85 282,64 425,82 236,02 376,37 516,73 744,65 KN K Mx O O F H-20-100 H-26-100 H-32-100 H-38-100 S-20-200 S-26-200 S-32-200 S-38-200 EC5 2,36 2,38 2,41 2,47 2,72 2,89 2,85 2,99 PR Kết cấu khung 0,75 0,76 0,79 0,79 0,63 0,64 0,67 0,67 EC TE D Khi không xét đến thành phần động đất theo PDN, tổ hợp EC5 tương ứng với thành phần động đất tác dụng theo phương ngang cho giá trị lực dọc N lớn trường hợp tổ hợp EC4 tương ứng với thành phần động đất theo phương đứng (Bảng 10) Trong trường hợp mơ men My theo phương ngồi mặt phẳng khung ngang coi không Mức độ tăng lực nén cột có xét đến thành phần tải trọng động đất theo PDN đánh giá thông qua hệ số lực nén KN hệ số mô men tương ứng K Mx sau: KN = NCE3 /NCE5 K Mx = M x,CE3 /M x,CE5 (1) U N C O R R NCE3 NCE5 lực nén cột tương ứng với tổ hợp CE3 CE5; M x,CE3 M x,CE5 mô men uốn tương ứng mặt phẳng khung ngang Hai tổ hợp CE3 CE5 sử dụng cho kết lực nén lớn tương ứng với hai trường hợp có khơng xét đến thành phần tải trọng động đất theo PDN (Bảng 10) Bảng 10 kết so sánh, hệ số KN tương ứng với lực nén N có giá trị từ 2,36 đến 2,99 hệ số K Mx tương ứng với mô men M x có giá trị nhỏ đơn vị, cụ thể từ 0,67 đến 0,79 Kết lực nén cột tăng nhiều cho thấy việc cần thiết phải kể đến thành phần tải trọng động đất theo PDN, đặc biệt trường hợp tiết diện cột định điều kiện ổn định tổng thể theo phương mặt phẳng khung ngang (đối với trục yếu tiết diện cột) trình bày [7] Như vậy, từ kết khảo sát cho thấy ảnh hưởng tải trọng động đất tác dụng theo PDN làm tăng đáng kể lực nén cột, đặc biệt cột khoang có giằng cột điều cần phải kể đến tính tốn thiết kế kết cấu nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục chịu động đất Mức độ tăng giá trị lực nén cột phụ thuộc vào chiều dài nhịp cường độ tác động động đất 4.3 Kết chuyển vị dọc nhà Bảng 11 trình bày kết tính chuyển vị dọc nhà lớn đỉnh cột tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN Kết thu nhỏ, 14,23 đến 36,8% so với giá 10 Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng trị cho phép 1/300 chiều cao cột quy định [3] Trong đó, trình bày [6, 7], chuyển vị lớn đỉnh cột theo phương ngang nhà đạt gần đến giá trị cho phép quy định [3] Bảng 11 Chuyển vị lớn đỉnh cột tải trọng động đất theo PDN (mm) Chuyển vị dọc nhà lớn Chuyển vị cho phép Tỷ lệ (%) Kết cấu khung Chuyển vị dọc nhà lớn Chuyển vị cho phép Tỷ lệ (%) H-20-100 H-26-100 H-32-100 H-38-100 4,44 5,04 5,71 6,79 31,17 31,17 31,67 31,80 14,23 16,17 18,04 21,34 S-20-200 S-26-200 S-32-200 S-38-200 7,55 8,36 9,61 11,70 31,17 31,17 31,67 31,80 24,21 26,82 30,33 36,80 PR 4.4 So sánh tải trọng động đất gió theo phương dọc nhà O O F Kết cấu khung EC TE D Bảng 12 trình bày kết so sánh tổng giá trị tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng lên toàn hệ kết cấu theo PDN (bằng tổng lực cắt đáy theo PDN) tổng tải trọng gió tác dụng lên tường hồi nhà với giả thiết tường hồi kín, hệ số khí động lấy 0,8 0,6 tương ứng với phía gió đẩy gió hút, cơng trình xây dựng nơi có địa hình trống trải (địa hình A) tương ứng với địa hình có tải trọng gió lớn [4] Kết so sánh Bảng 12 cho thấy tổng lực động đất lớn tổng tải trọng gió từ 1,14 đến 1,50 lần trường hợp Hà Nội từ 3,10 đến 4,11 lần trường hợp Sơn La; tỷ lệ tăng nhịp khung giảm từ 38 m đến 20 m Bảng 12 Tổng tải trọng động đất gió tác động theo PDN (kN) Động đất dọc nhà H-20-100 H-26-100 H-32-100 H-38-100 259,493 304,580 363,410 409,456 Gió dọc nhà So sánh Hệ khung Động đất dọc nhà Gió dọc nhà So sánh 173,204 230,101 294,026 360,905 1,50 1,32 1,24 1,14 S-20-200 S-26-200 S-32-200 S-38-200 460,077 540,490 644,288 723,510 112,073 148,889 190,252 233,527 4,11 3,63 3,39 3,10 N C O R R Hệ khung U Xét thêm trường hợp cơng trình xây dựng khu vực có địa hình tương đối trống trải (địa hình B) địa hình bị che chắn mạnh (địa hình C) tỷ lệ so sánh tổng tải trọng động đất gió theo PDN lớn so với kết Bảng 12, cụ thể từ 1,82 đến 1,39 lần 7,97 đến 6,11 lần tương ứng với khu vực Hà Nội Sơn La Như vậy, kết khảo sát theo PDN tác động động đất lớn nhiều lần so với tác động gió, đặc biệt khu vực có động đất mạnh gió yếu Sơn La Kết luận Trong báo này, ảnh hưởng tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN kết cấu nhà công nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục đánh giá thơng qua kết phân tích cho tám hệ kết cấu khung theo sơ đồ không gian với nhịp khung 20, 26, 32 38 m, sức 11 Thuật, Đ V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng TE D PR O O F trục 100 200 kN, địa điểm xây dựng khu vực Hà Nội Sơn La Mỗi hệ kết cấu gồm 16 khung ngang với tiết diện cột dầm thiết kế theo sơ đồ khung phẳng đủ để chịu trường hợp tổ hợp nội lực tĩnh tải, hoạt tải mái, cầu trục, gió thổi theo phương ngang dọc nhà, hai thành phần tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang nhà đứng trình bày [6, 7] Dưới kết thu từ nghiên cứu này: - Thành phần tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN gây mô men uốn My cột theo phương mặt phẳng khung ngang; nhiên giá trị mô men My nhỏ bỏ qua, cụ thể giá trị lớn chân cột từ 1,26 đến 1,58% 1,53 đến 2,61% so với giá trị mô men M x mặt phẳng khung ngang tương ứng thành phần tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang nhà đứng gây - Trong đó, lực nén N cột thành phần tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN lớn, đặc biệt cột thuộc khoang có giằng cột, lớn so với giá trị tĩnh tải gây từ 1,88 đến 1,91 lần cho trường hợp Hà Nội 2,97 đến 3,17 cho trường hợp Sơn La Xét trường hợp tổ hợp nội lực tĩnh tải động đất, lực nén cột xét đến ba thành phần tải trọng động đất tác dụng theo phương ngang, đứng dọc nhà lớn từ 2,36 đến 2,99 lần so với trường hợp xét đến hai thành phần động đất theo phương ngang đứng - Kết khảo sát ảnh hưởng tải trọng động đất tác dụng theo PDN làm tăng đáng kể lực nén cột, đặc biệt cột khoang có giằng cột điều cần phải kể đến tính tốn thiết kế kết cấu nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục chịu động đất Mức độ tăng giá trị lực nén cột phụ thuộc vào chiều dài nhịp cường độ tác động động đất Tài liệu tham khảo U N C O R R EC [1] TCVN 9386:2012 Thiết kế cơng trình chịu động đất Hà Nội [2] CEN (2003) Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance, Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings Brussels, Belgium [3] TCVN 5575:2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế Hà Nội [4] TCVN 2737:1995 Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế Hà Nội [5] Thuat, D V., Chuong, H V., Duong, B (2020) Relationship of strength reduction factor and maximum ductility factor for seismic design of one-storey industrial steel frames Asian Journal of Civil Engineering, 21(5):841–856 [6] Thuat, D V., Hoa, N D., Chuong, H V., Hung, T V (2019) Effects of vertical seismic actions on the responses of single-storey industrial steel building frames Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE)-NUCE, 13(3):73–84 [7] Thuật, Đ V., Hòa, N Đ., Chương, H V., Khánh, T D (2019) Khung nhà công nghiệp tầng thép có cầu trục thiết kế chịu tải trọng động đất gió Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 13(5V):9–19 [8] Thuật, Đ V., Chương, H V., Hòa, N Đ (2017) Đánh giá tác dụng tải trọng động đất tĩnh ngang gió lên khung ngang nhà công nghiệp tầng thép có cầu trục Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 11(1):11–18 [9] Thuật, Đ V., Việt, Đ Q., Sơn, N V (2016) Một số vấn đề xác định tải trọng động đất tĩnh ngang gió lên khung ngang nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 10(1):17–24 [10] Hội, P V., Viên, N Q., Tư, P V., Tường, L V (2009) Kết cấu thép - Cấu kiện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [11] Quang, H V., Dũng, T M., Cường, N Q (2010) Thiết kế khung thép nhà công nghiệp Hà Nội [12] Chopra, A K (2007) Dynamics of structures: Theory and applications to earthquake engineering Prentice-Hall: Englewood Cliffs, NJ [13] SAP2000 Software for structural analysis and design v14.2.2, Computer and Structure Inc 12 ... thiết kế kết cấu nhà cơng nghiệp tầng thép có cầu trục chịu động đất Hệ kết cấu nhà công nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục U N C Xét cơng trình nhà cơng nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục gồm... tốn thiết kế kết cấu nhà công nghiệp tầng thép có cầu trục chịu động đất Mức độ tăng giá trị lực nén cột phụ thuộc vào chiều dài nhịp cường độ tác động động đất 4.3 Kết chuyển vị dọc nhà Bảng 11... tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo PDN kết cấu nhà công nghiệp tầng nhịp thép có cầu trục đánh giá thơng qua kết phân tích cho tám hệ kết cấu khung theo sơ đồ không gian với nhịp