Tùy theo mức độ ứng xử của kết cấu chịu lực chính dưới tác dụng động đất mà nhà thép có các dạng kết cấu khác nhau như khung chịu mô men, khung với hệ giằng đúng tâm, kết cấu với lõi bê tông hoặc vách bê tông, vách thép,... Trong đó khung chịu mô men là dạng kết cấu trong đó lực ngang được chịu chủ yếu bởi các cấu kiện làm việc cơ bản chịu uốn. Mục tiêu thiết kế tổng thể của khung thép chịu mô men khi chịu tải trọng động đất là các vùng tiêu tán năng lượng chủ yếu được bố trí ở các khớp dẻo và các khớp dẻo xuất hiện ở một vị trí nào đó của dầm hoặc ở vị trí liên kết giữa dầm, cột mà không được xuất hiện ở cột. Điều này được gọi là “cột khỏe - dầm yếu”. Để làm được điều này tại vị trí liên kết dầm, cột dầm bị giảm yếu tiết diện. Dầm có thể bị yếu đi tại một khoảng cách từ cột bằng một vết cắt ở cánh khi đó khớp dẻo di chuyển xa cánh cột và làm giảm sự tập trung ứng suất tại nút trong sự phát triển của khớp dẻo.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Thiết kế nút khung chịu mô men hệ kết cấu khung thép chịu động đất có giảm yếu tiết diện dầm Design of connection moment resisting frame of steel frame to be earthquakes have reduced beam section Trịnh Duy Thành, Nguyễn Thị Kim Thịnh Trường Đại học Hải Phòng, thanhtd@dhhp.edu.vn Tóm tắt Tùy theo mức độ ứng xử kết cấu chịu lực tác dụng động đất mà nhà thép có dạng kết cấu khác khung chịu mô men, khung với hệ giằng tâm, kết cấu với lõi bê tông vách bê tông, vách thép, Trong khung chịu mơ men dạng kết cấu lực ngang chịu chủ yếu cấu kiện làm việc chịu uốn Mục tiêu thiết kế tổng thể khung thép chịu mô men chịu tải trọng động đất vùng tiêu tán lượng chủ yếu bố trí khớp dẻo khớp dẻo xuất vị trí dầm vị trí liên kết dầm, cột mà khơng xuất cột Điều gọi “cột khỏe - dầm yếu” Để làm điều vị trí liên kết dầm, cột dầm bị giảm yếu tiết diện Dầm bị yếu khoảng cách từ cột vết cắt cánh khớp dẻo di chuyển xa cánh cột làm giảm tập trung ứng suất nút phát triển khớp dẻo Có nhiều cách để giảm yếu tiết dầm Như hàn thêm cánh phụ vào dầm với tiết diện nhỏ yêu cầu kiểu giảm tiết diện dầm “ERBS-H”; cắt cánh khoảng cách từ cột đoạn dầm với tiết diện yêu cầu nối với dầm có tiết diện nhỏ kiểu giảm tiết diện dầm “ERBS-BH”; cắt cánh dầm khoảng cách từ cột theo hình “xương chó - dog bone” Trong giảm tiết diện dầm theo kiểu xương chó lựa chọn thơng minh liên kết dầm, cột Nó phát triển Arcelor Mittal đề xuất chương trình nghiên cứu năm 1988 sau hậu nặng nề trận động Northridge năm 1994 Kobe năm 1995 Từ khóa: Khung chịu mơ men, khớp dẻo, giảm tiết diện dầm Abstract Depending on the severity of the behavior of the main load bearing structure under the effect of the earthquake that steel have different types of structures: Moment Resisting Frame (MRF), BucklingRestrained Braced Frame (BRBF), Steel Plate Shear Wall (SPSW), Inside moment Resisting Frame - MRF is the structural form in which the horizontal forces are borne mainly by the basic structures bending work Overall design goals of moment Resisting Frame when load torque is the regional earthquake energy dissipation are arranged mainly in the joints supple and flexible joints appear in a certain position of the beam or at location links between beams and columns that appear in the column are not This is called "strong column-weak beam" To this in the link position beams, columns, the reduced beam section Beams can be weakened at a distance from the column with a cut side while moving away from their joints flexible and reduce the column stress concentration in nodes in the development of flexible joints There are ways to reduce beams section As weld side wings on the beam with a smaller cross section requires the kind of reduce beams section "ERBS-H"; cut off at a distance from the passage of a beam columns with required sections connected with a smaller cross-section beam the kind of reduce beams section "ERBS-BH"; cut off the beam at a distance from the column under the dog bones In which reduced beam sections style dog bone is a smart choice at the link beams, columns It was developed by Arcelor Mittal first proposed in a research program in 1988 after the severe consequences of the earthquake in Northridge in 1994 and Kobe in 1995 Keywords: Moment Resisting Frame, plastic hinge, reduce beam section HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 321 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Mở đầu Nói cách đơn giản, động đất rung động mặt đất, mạnh yếu khác cảm nhận đựơc vùng rộng Chúng ta so sánh động đất với vụ nổ bên lòng đất Nhưng nói theo ngơn ngữ khoa học, động đất giải đột ngột lượng lượng lớn tích tụ thể tích bên Trái đất Thể tích tích tụ lượng gọi vùng chấn tiêu hay lò động đất tâm vùng gọi chấn tiêu Vị trí hình chiếu bề mặt Trái đất, nằm chấn tiêu gọi chấn tâm Khoảng cách chấn tiêu chấn tâm gọi độ sâu chấn tiêu Hình1 Chấn tiêu chấn tâm trận động đất Tùy theo mức độ ứng xử kết cấu chịu lực tác dụng động đất mà nhà thép có dạng kết cấu sau: - Khung chịu mô men (Moment Resisting Frame - MRF) dạng kết cấu lực ngang chịu chủ yếu cấu kiện làm việc chịu uốn; - Khung với hệ giằng tâm (lệch tâm), dạng kết cấu lực ngang chịu chủ yếu cấu kiện chịu lực dọc trục; - Kết cấu kiểu lắc ngược kết cấu mà vùng tiêu tán lượng bố trí chân cột, Trong khung thép chịu mơ men đối tượng nghiên cứu nhóm tác giả báo Trong khung chịu mô men, vùng tiêu tán lượng chủ yếu bố trí vị trí khớp dẻo dầm nút giao dầm - cột để tiêu tán lượng gây uốn theo chu kỳ Vùng tiêu tán lượng bố trí cột vị trí sau: chân khung; đỉnh cột tầng nhà nhiều tầng; đỉnh cột chân cột nhà tầng Hình Ví trí khớp dẻo khung chịu mô men (MRF) Mục tiêu thiết kế tổng thể khung thép chịu mô men chịu tải trọng động đất vùng tiêu tán lượng chủ yếu bố trí khớp dẻo khớp dẻo xuất vị trí HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 322 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 dầm vị trí liên kết dầm, cột mà không xuất cột Có lựa chọn thiết kế liên kết dầm, cột Mỗi phương pháp làm xuất khớp dẻo vị trí khác - Liên kết cổ điển hình khơng làm tăng khả chống mơ men liên kết dầm, cột Khớp dẻo sau hình thành tiết diện dầm gần cánh cột; Hình Gia cường liên kết dầm, cột kiểu cổ điển - Những lựa chọn thiết kế khác hình làm tăng khả chông uốn dầm tới mặt cột tới điểm có chiều dài ngắn Khớp dẻo phát triển sau từ bề mặt cột; Hình Các kiểu gia cường khác liên kết dầm, cột - Liên kết dầm, cột với dầm bị giảm yếu tiết diện Dầm bị yếu khoảng cách từ cột vết cắt cánh (RBS) Khớp dẻo di chuyển xa cánh cột làm giảm tập trung ứng suất nút (được tách ra) phát triển khớp dẻo Hình Giảm tiết dầm kiểu “ERBS - H” HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 323 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Giảm tiết dầm kiểu “ERBS - BH” Hình Giảm tiết dầm kiểu “xương chó - dog bone” Trong giảm tiết diện dầm theo kiểu “xương chó - dog bone” lựa chọn thông minh liên kết dầm, cột Nó phát triển Arcelor Mittal đề xuất chương trình nghiên cứu năm 1988 Sau trận động Northridge năm 1994 Kobe năm 1995 ứng xử liên kết quan sát thấy nhiều khung chịu mô men Và cách giảm tiết dầm theo kiểu “xương chó - dog bone” lựa chọn thiết kế cho liên kết dầm, cột khung thép chịu mô men tác dụng động đất Liên kết dầm, cột với dầm giảm yếu tiết diện kiểu “dog bone” 2.1 Liên kết dầm cột với tiết diện dầm giảm yếu kiểu “dog bone” Thiết kế hình dáng kích thước giảm yếu tiết diện dầm Một dạng tốt đề giảm tiết diện cánh dầm cắt tròn hình Chiều dài vết cắt tròn s khoảng cách từ chỗ cắt đến mặt cánh cột a thỏa mãn điều kiện: 0.5b a 0.75b;0.65h s 0.85h (2.1) Trong đó: b bề rộng cánh dầm; h chiều cao dầm; Độ sâu vết cắt nên thỏa mãn: 0.2b c 0.25b; (2.2) Mô men kháng uốn tiết diện giảm M pl ,Rd,RBS tính với chiều rộng cánh dầm: be = b - 2c; Công nhận khớp dẻo cách mặt cột khoảng: X = a + S / Kiểm tra tiết diện dầm giảm yếu: mô men uốn liên kết dầm cột là: M Ed ,connection = M pl,Rd,RBS + VEd X ;VEd = 2M pl,Rd,RBS / L ' (2.3) Trong đó: L’ khoảng cách khớp dẻo bên trái bên phải vị trí cuối dầm hình 11; VEd,E lực cắt theo tình thiết kế chịu động đất vị trí khớp dẻo; M Ed,connection mơ men uốn thiết kế tính tốn theo tình thiết kế chịu động đất Kiểm tra điều kiện mô men liên kế: M Rd ,connection 1,1 ov M pl ,Rd ,beam (2.4) Kiểm tra điều kiện lực cắt liên kết VRd ,connection VEd = VEd ,G + 1.1 ovVEd ,E HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 (2.5) 324 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Hình dáng kích thước giảm tiết diện dầm kiểu “xương chó - dog-bone” Hình Tính tốn mơ men lực cắt tiết diện giảm yếu (vị trí khớp dẻo) 2.2 Ví dụ tính tốn liên kết dầm, cột với dầm giảm tiết diện kiểu “xương chó - dog bone” hệ kết cấu khung thép chịu động đất 2.2.1 Số liệu cơng trình Thiết kế nút phía khung trục ngang nhà theo phương X với dầm giảm tiết diện kiểu “xương chó - dogbone” cơng trình tòa nhà văn phòng cao 10 tầng xây dựng Hải Phòng tầng cao m, kích thước mặt 28 x 25 m Hệ kết cấu bao gồm cột thép tiết diện chữ I (HBE) dầm thép tiết chữ I (IPE), lõi vách thang máy BTCT Mác thép S355 Tiết diện dầm cột cơng trình lựa chọn tính tốn đảm bảo điều kiện “cột khỏe - dầm yếu” - Tiết diện dầm theo phương ngang nhà X chọn IPE 330 - Tiết diện dầm theo phương dọc nhà Y chọn IPE 300 - Tiết diện cột chọn IPE 300HE340M HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 325 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 2.2.2 Tính tốn liên kết dầm, cột với dầm giảm tiết diện kiểu “xương chó - dog bone” Dùng phương pháp phân tích phổ phản ứng nhiều dạng dao động kết hợp với phần mềm tính tốn kết cấu Etabs 9.7.4 để tính tốn nội lực cơng trình với tiết diện dầm chưa giảm yếu Kết nội lực nút phía khung trục ngang nhà theo phương X phương pháp phổ phản ứng dạng dao động Giá trị mô men uốn lớn dầm tầng phần tử B59: 114,52 kNm Tầng STORY9 Dầm B59 Bảng Kết nội lực dầm khung trục X2 Tổ hợp Loc P V2 V3 THBAO MIN 2.1 0.00 0.96 0.00 T 0.00 M2 0.00 M3 -114.52 Dầm IPE330 M pl , Rd = 804.103 355 = 285, 42kNm 114,52kNm Thiết kế hình dáng kích thước giảm yếu tiết diện cánh dầm theo kiểu “dog - bone”: Khoảng cách a từ chỗ cắt đến mặt cánh cột thỏa mãn (2.1): 0.5b a 0.75b; Chọn: a = 0, 75 b = 0, 75 160 = 120mm; Chiều dài s vết cắt tròn thỏa mãn (2.1): 0.65h s 0.85h ; Chọn: s = 0,85 h = 0,85 330 = 280,5mm ; Độ sâu vết cắt nên thỏa mãn (2.2): 0.2b c 0.25b; Chọn c = 0, 25 b = 0, 22 160 = 40mm ; Vị trí khớp dẻo: X = a + s / = 120 + 280,5 / = 260,25mm Hình 10 Nút khung với giảm tiết diện dầm IPE330 kiểu “dogbone” Kiểm tra điều kiện giảm yếu tiết diện dầm: Mô men lớn thu đầu dầm biểu đồ mô men uốn xấp xỉ tuyến tính dầm 1/3 nhịp, thời điểm thiết kế uốn RBS sau: 1/3 nhịp = 7000/3 = 2333 mm Mơ men tiết diện vị trí khớp dẻo: M d , RBS = 114,52 (2333 - 260, 25) / 2333 = 101,75kNm Hình 11 Vị trí khớp dẻo dầm giảm tiết diện (RBS) kiểu “dogbone” Mô men dẻo mặt cắt IPE 330 (chưa giảm tiết diện dầm) bằng: HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 326 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 M pl ,yfy = Wy , pl f yc = 804 103 355 = 285, 42 106 Nmm; Đây kết việc bổ sung: M flange = bt f f y (h - t f ) = 160 11,5 355 (330 - 11,5) = 208.10 Nmm M flange = bt f f y (h - t f ) = 160 11,5 355 (330 - 11,5) = 208.10 Nmm M web = t w f y (h - 2t f ) / = 355 (360 - 12,7) = 62,7 106 Nmm Mô men bán kính gốc nút giao cánh bụng: M pl , y , fy - M flange - M web = (285, 42 - 208 - 62,7) 106 = 14,64 106 Nmm Mô men dẻo việc giảm IPE 360 tính sau: be = b - 2c = 80mm Mô men cánh: M flange ( RBS ) = bt f f y (h - t f ) = 80 11,5 355 (330 - 11,5) = 104 10 Nmm Mô men dẻo giảm tiết diện dầm: M pl , Rd , RBS = (104 + 62,7 + 14,64).106 = 181, 4.106 Nmm = 181, 4kNm Bán kính cắt tròn: R = (4c2 + s ) / 8c = 265,88mm Lực cắt ngang giảm tiết diện dầm tác động động đất tương ứng với việc khớp dẻo hình thành đầu bên trái bên phải dầm: VEd ,E = 2M pl ,Rd , RBS / L ' L' = L - hcolumn - X = 7000 - 377 - 260,25 = 6363mm = 6,363m Lực cắt tác động động đất: VEd ,E = 181,4 / 6,363 = 57kN Lực cắt VEd ,G tải trọng thân G + 2iQ là: VEd ,G = 83,41/ 0,5 / 7*0,5*6,363 = 75,82kN VEd ,RBS = VEd ,G + 1,1 ovVEd ,E = 75,82 + 1,11,25 57 = 154,22kN Mô men nút sau giảm tiết diện dầm : M Ed ,connection,RBS = 1,1 ov M pl , Rd , RBS + VEd X = 289,56kNm Mô men nút sau trước giảm tiết diện dầm: M Rd ,connection 1,1 ov M pl , Rd ,beam = 1,11, 25 285, 42 = 392,5kNm; ov = 1, 25 Nhờ có việc giảm tiết diện dầm, mô men thiết kế cho dầm nút giao dầm cột giảm từ 392,5 kNm xuống 289,56 kNm Việc giảm mô men thiết kế cho liên kết giảm tiết diện dầm là: (392-289,56)/392,5 = 26% Việc kiểm tra thiết kế cho lực cắt kết nối là: VRd ,connection VEd = VEd ,G + 1,1 ovVEd ,E Trước giảm tiết diện dầm: VRd ,connection 83.41 + 1,11, 25 112,13 = 237,59kN Sau giảm tiết diện dầm (RBS): VRd ,connection,RBS 75,82 + 1,11,25 57 = 154,22kN Việc giảm lực cắt thiết kế giảm tiết diện dầm là: (237,59-154,22)/237,59 =35% Vậy việc giảm yếu tiết diện dầm giảm mô men thiết kế xuống 26% lực cắt xuống 35% liên kết dầm cột (nút khung) phía khung trục ngang nhà theo phương X Kết luận kiến nghị Như việc giảm tiết diện dầm theo kiểu “xương chó - dog bone” liên kết dầm, cột khung thép chịu mô men tác dụng động đất mang lại ưu điểm: giảm độ cứng kết cấu không đáng kể tiết điện dầm giảm đoạn chiều dài ngắn; khơng đòi hỏi HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 327 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 thay đổi tiết diện để bù đắp lại phần tiết diện giảm yếu; giảm tập trung ứng suất kết cấu; cho phép tiết diện cột giảm xuống giả thiết tiết diện cột chọn theo“cột khỏe - dầm yếu”; cho phép giảm kích thước phần tử tăng cứng (độ dày lót, đường kính bu lông, ) cần thiết cột cho việc truyền mơ men lực cắt liên kết từ giúp giảm giá thành liên kết Việc giảm tiết diện dầm liên kết dầm, cột làm cho khớp dẻo (vùng tiêu tán lượng động đất) xuất vị trí dầm vị trí liên kết dầm, cột mà khơng xuất cột Từ giúp tính tốn thiết kế chủ động thiết kế số lượng khung kháng chất định với tiết diện dầm cột lực chọn theo điều kiện “dầm yếu cột khỏe” Còn khung lại thiết kế với tiết diện dầm, cột nhỏ nhằm giảm chí phí chế tạo xây dựng Để đánh giá xác việc giảm tập trung ứng suất liên kết dầm cột mơ hình hóa nút khung với dầm giảm tiết diện từ đầu tính tốn thiết kế cơng trình nhóm tác giả kiến nghị sử dụng phần mềm tính tốn sử dụng phần mềm phân tích kết cấu mạnh mẽ Analysis Tài liệu tham khảo Tiếng Việt: [1] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737 Tải trọng tác ichsA - Tiêu chuẩn thiết kế NXB Xây dựng Hà Nội 1995 [2] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế NXB Xây dựng Hà Nội 2012 [3] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386 Thiết kế cơng trình chịu động đất NXB Xây dựng, Hà Nội 2012 [4] Nguyễn Lê Ninh Cơ sở lý thuyết tính tốn cơng trình chịu động đất NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2011 Tiếng Anh: [5] Arcelor Mittal Commercial Sections Earthquake Resistant Steel Structure 2010 [6] Chopra, A K Dynamic ofstructures Prentice HallInternational US, 844p 2001 [7] EN1998-1:2004 (Eurocode 8) Designof structuresforearthquakeresistance Park 1: General Rules, [3] Seismic Action anh Rules for Buildings (Eurocode 8) CEN, European Committee for Standardisation [8] F.MAZOOLANI; E&F SPON Edition Moment resisting Connection of Steel Frames in Seismic Areas Design and Reliability ISBN 0-451-23577-4 2000 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 328 ... thép chịu mô men tác dụng động đất Liên kết dầm, cột với dầm giảm yếu tiết diện kiểu “dog bone” 2.1 Liên kết dầm cột với tiết diện dầm giảm yếu kiểu “dog bone” Thiết kế hình dáng kích thước giảm. .. trận động đất Tùy theo mức độ ứng xử kết cấu chịu lực tác dụng động đất mà nhà thép có dạng kết cấu sau: - Khung chịu mô men (Moment Resisting Frame - MRF) dạng kết cấu lực ngang chịu chủ yếu cấu. .. ov = 1, 25 Nhờ có việc giảm tiết diện dầm, mô men thiết kế cho dầm nút giao dầm cột giảm từ 392,5 kNm xuống 289,56 kNm Việc giảm mô men thiết kế cho liên kết giảm tiết diện dầm là: (392-289,56)/392,5