Ứng xử của nhà cao tầng khi kể đến sự suy giảm độ cứng các cấu kiện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TỐNG ĐỨC SƠN ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TỐNG ĐỨC SƠN ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG TÙNG Đà Nẵng - Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Tống Đức Sơn ii ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN Học viên: TỐNG ĐỨC SƠN Chun ngành: Kỹ thuật cơng trình xây dựng Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Các cơng trình cao tầng thường phải chịu tác động tải trọng ngang lớn, hệ phải thường xuyên làm việc ngồi giai đoạn đàn hồi bê tơng Các vết nứt bê tông xuất dẫn đến suy giảm độ cứng kết cấu ảnh hưởng đến ứng xử tồn cơng trình Bài báo trích dẫn hệ số suy giảm độ cứng kết cấu nêu tiêu chuẩn, nghiên cứu dẫn thiết kế nước giới Áp dụng kết vào mơ ứng xử cơng trình cao tầng bê tông cốt thép để đưa kiến nghị thiết kế kết cấu làm việc giai đoạn đàn hồi Nghiên cứu cho thấy, kể đến suy giảm độ cứng vết nứt bê tông gây nên, đặc trưng dao động kết cấu khơng thay đổi nhiều, tải trọng tác động lên cơng trình (động đất, gió động) khơng bị ảnh hưởng nhiều Tuy nhiên, độ cứng suy giảm chuyển vị ngang cơng trình tăng lên nhiều nội lực cấu kiện chịu lực cơng trình bị ảnh hưởng đáng kể Chênh lệch ứng xử cơng trình khơng kể kể đến suy giảm độ cứng khác nhiều xét tiêu chuẩn khác Từ khóa - suy giảm độ cứng, chuyển vị ngang, dao động, nội lực khung-vách, phần tử hữu hạn EFFECT OF THE SOIL STRUCTURE INTERACTION ON THE RESPONSE OF THE CONCRETE DEEP BASEMENT HIGH RISE BUILDINGS UNDER EARTHQUAKE Abstract - The high rise buildings are often subjected to strong lateral loads, consequently they often work outside the elastic phase of the concrete Effect of the cracking concrete is the stiffness reduction of the structure This paper present indications of stiffness reduction in different codes, standards, and recommendations in the world Applying theses results into the simulation the response of the high rise buildings to making recommendation on the structural design Studies show that, take into account the stiffness redcution dont make significant changes in the modal response of the structure, so that no important changes in the latteral load as well as earthquakes and wind loads However, the horizontal displacement and the internal stresses of the structure take a significant changes These variations are different depending on the codes using in the simulation Key words - stiffness reduction, horizontal displacement, modal response, internal stresses, finite element method iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU .v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Tình hình nghiên cứu suy giảm độ cứng kết cấu Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung thực .3 Bố cục đề tài .3 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘ CỨNG CƠNG TRÌNH 1.1 Nhà cao tầng xu hướng phát triển 1.1.1 Tổng quan nhà cao tầng Việt Nam .4 1.1.2 Hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng 1.1.3 Xu hướng phát triển nhà cao tầng 1.2 Độ cứng cơng trình bê tơng cốt thép 10 1.2.1 Khái niệm độ cứng kết cấu 10 1.2.2 Ảnh hưởng độ cứng đến đặc trưng dao dộng cơng trình .11 1.2.3 Ảnh hưởng độ cứng đến chuyển vị ngang cơng trình 14 1.3 Kết luận chương 16 CHƢƠNG SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU 17 2.1 Các nguyên nhân gây suy giảm độ cứng 17 2.1.1 Suy giảm độ cứng tải trọng lặp 17 2.1.2 Suy giảm độ cứng ứng xử phi tuyến kết cấu 19 2.1.3 Kể đến suy giảm độ cứng quan niệm thiết kế 23 2.2 Sự suy giảm độ cứng theo quan niệm thiết kế .24 2.2.1 Suy giảm độ cứng theo Brandson DE - 1963 .24 2.2.2 Suy giảm độ cứng theo ACI 318-14 25 2.2.3 Suy giảm độ cứng theo CSA A23.3-04 26 2.2.4 Suy giảm độ cứng theo Paulay 1992 & Priestley 1997 26 2.2.5 Suy giảm độ cứng theo NZS 3101 26 iv 2.2.6 Suy giảm độ cứng theo Elwood & Eberhard 2006 .27 2.2.7 Suy giảm độ cứng theo TCVN 27 2.3 Kết luận chương 28 CHƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CƠNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TƠNG CỐT THÉP .29 3.1 Mơ hình phân tích 29 3.2 Hệ số suy giảm độ cứng theo trường hợp 35 3.2.1 Hệ số suy giảm độ cứng theo TCVN 9386-2012 .35 3.2.2 Hệ số suy giảm độ cứng theo Brandson .35 3.2.3 Hệ số suy giảm độ cứng theo ACI 318-14 36 3.2.4 Hệ số suy giảm độ cứng theo CSA 23.3-04 37 3.2.5 Hệ số suy giảm độ cứng theo Paulay&Priestley .40 3.2.6 Hệ số suy giảm độ cứng theo Elwood&Eberhard 42 3.3 Phân tích ứng xử cơng trình theo tiêu chuẩn .43 3.3.1 Ảnh hưởng suy giảm độ cứng đến đặc trưng dao động 43 3.3.2 Ảnh hưởng suy giảm độ cứng đến chuyển vị ngang cơng trình 43 3.3.3 Ảnh hưởng suy giảm độ cứng đến nội lực kết cấu 45 3.4 Kết luận 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 54 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) v DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng bảng 1.1: Trang Thống kê số cơng trình cao tầng Việt Nam Kết chu kỳ dao dộng 3.1: chuyển vị dao động 43 3.2: Chuyển vị ngang cơng trình 44 3.3: Mơ men nút trái dầm biên 45 3.4: Lực dọc chân cột biên 46 3.5: Mô men chân cột biên 47 3.6: Lực dọc chân vách 48 3.7: Mô men chân vách 49 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1: Một số cơng trình cao tầng bê tông cốt thép 1.2: Một số hệ kết cấu nhà cao tầng 1.3: Mơ hình chịu lực kết cấu khung-vách 1.4: Độ cứng cơng trình bê tông cốt thép 10 1.5: Mối quan hệ chu kỳ dao động riêng độ cứng 12 1.6: Mơ hình tính tốn hệ kế cấu có nhiều bậc tự động 12 1.7: Kết cấu khung-vách phẳng 15 2.1: Phản ứng phi tuyến cấu kiện bê tông cốt thép 17 2.2: Các giai đoạn làm việc kết cấu bê tông cốt thép 18 2.3: Quan hệ độ võng dầm thí nghiệm 19 2.4: Sự suy giảm độ cứng dầm thí nghiệm 20 2.5: Biểu đồ mô men – độ cong tiết diện bị nứt 21 2.6: Sự thay đổi độ cứng theo mô men tiết diện bị nứt 22 2.7: Ảnh hưởng lực dọc đến quan hệ mô men – độ cong cột có tiết diện chữ nhật 23 3.1: Mơ hình cơng trình phần mềm phân tích kết cấu Etabs 2016 30 3.2: Mô men dầm khung trục – Trường hợp Ref 31 3.3: Lực dọc chân cột khung trục – Trường hợp Ref 32 3.4: Lực dọc chân vách khung trục – Trường hợp Ref 33 3.5: Mô men chân vách khung trục – Trường hợp Ref 34 3.6: Hệ số suy giảm độ cứng dầm – Trường hợp Brandson 36 3.7: Hệ số suy giảm độ cứng cột – Trường hợp CSA 38 3.8: Hệ số suy giảm độ cứng dầm – Trường hợp CSA 39 3.9: Hệ số suy giảm độ cứng cột – Trường hợp P&P 40 3.10: Hệ số suy giảm độ cứng vách – Trường hợp P&P 41 3.11: Hệ số suy giảm độ cứng cột – Trường hợp E&E 42 3.12: Chuyển vị ngang công trình 44 3.13: Mơ men nút trái dầm biên 46 3.14: Lực dọc chân cột biên 47 vii Số hiệu Tên hình hình Trang 3.15: Mơ men chân cột biên 48 3.16: Lực dọc chân vách 49 3.17: Mô men chân vách 50 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với bùng nổ dân số phát triển kỹ thuật xây dựng, ngày nhiều nhà cao tầng thiết kế xây dựng Cùng với tầm quan trọng loại cơng trình này, phương pháp tính tốn tải trọng phân tích ứng xử liên tục thay đổi để phù hợp với tính chất cơng trình Hai loại tải trọng đặc biệt quan tâm cho công trình gió động đất Trung tâm Hành - TP Đà Nẵng Tòa nhà Bitexco – TP HCM Int.Commerce Centre – Hong Kong World Financial Center – Shanghai Hình 1: Nhà nhiều tầng Trong suốt thời gian kể từ nhà cao tầng đưa vào tính tốn thiết kế, có nhiều thay đổi quan niệm tính tốn bố trí kết cấu cho loại cơng trình Nếu trước đây, cơng trình cao tầng phải xem vật cứng tuyệt đối, khơng chịu hư hỏng có động đất để đảm bảo sinh mạng người tải sản thơng qua việc bảo vệ cơng trình Thì ngày nay, mục tiêu thiết kế thay đổi, cơng trình bị hư hại, không sụp đổ để đảm bảo an tồn cho ầ 50 Hình 3.17: Mơ men chân vách Một điều đáng lưu ý phân phối lại nội lực hệ kết cấu chịu lực khung-vách Trong hệ khung có xu hướng làm việc có lợi giá trị mơ men dầm có xu hướng giảm mạnh Điều dẫn đến lượng thép cần bố trí dầm để đảm bảo điều kiện bền giảm mạnh, mức độ suy giảm mơ men lớn tính theo phương pháp 35,2%; 48,2%; 25,3% 48% cho TCVN, ACI, CSA Paulay&Priestley; Nội lực cột thay đổi theo chiều hướng có lợi mơ men giảm mạnh lực dọc khơng giảm nhiều, điều có lợi cho cột tầng cao mà độ lệch tâm giảm tương đối nhiều Do tiết kiệm tính toán thiết kế cột; Tuy nhiên, theo chiều hướng ngược lại, nội lực vách thay đổi theo hướng nguy hiểm, lực dọc giảm nhẹ mơ men thay đổi mạnh, điều gây bất lợi cho việc bố trí cốt thép vách; Từ phân tích nói trên, việc kể đến suy giảm độ cứng vết nứt bê tơng cần thiết, giúp dự đốn tình hình gia tăng chuyển vị ngang cơng trình, từ có biện pháp hạn chế để giảm bớt hiệu ứng thứ cấp P-Delta Nhờ có phân phối lại nội lực hệ kết cấu chịu lực mà vách cứng chịu lực nhiều hơn, khung giảm tải, nói có lợi cho làm việc kết cấu, thơng thường vách cứng không tận dụng hết khả chịu lực 3.4 Kết luận Nghiên cứu tổng hợp công thức xác định mức độ suy giảm độ cứng gây vết nứt bê tông Việc kể đến suy giảm độ cứng kết cấu 51 làm thay đổi đáng kể ứng xử công trình, từ đặc trưng dao động, chuyển vị cơng trình phân phối lại nội lực kết cấu Khi kể đến suy giảm độ cứng, rõ ràng chu kỳ dao động cơng trình tăng lên nhiều, nhiên chuyển vị dao động hệ chịu lực không thay đổi đáng kể nên trị số tải trọng động (động đất gió động) tác động lên cơng trình khơng thay đổi nhiều Do độ cứng bị suy giảm nên chịu tải trọng ngang, chuyển vị thực cơng trình tăng lên đáng kể gây ảnh hưởng khơng nhỏ làm việc bình thường cơng trình, làm tăng hiệu ứng thứ cấp P-Delta Một yếu tố có lợi cho làm việc kết cấu kể đến, phân phối lại nội lực khung vách, theo khung làm việc có lợi hơn, vách chịu bất lợi Tuy nhiên, tính tốn thiết kế, vách thường thiết kế có khả chịu lực lớn so với cần thiết nên việc vách chịu làm việc bất lợi không gây nhiều ảnh hưởng đến làm việc 52 KẾT LUẬN Cùng với bùng nổ dân số phát triển khoa học kỹ thuật xây dựng, ngày nhiều cơng trình cao tầng thiết kế xây dựng Việc tính tốn thiết kế cơng trình cao tầng phụ thuộc nhiều vào đặc trưng dao động tải trọng tác dụng lên cơng trình Hai yếu tố phụ thuộc lớn vào độ cứng kết cấu Từ trước đến nay, thiết kế cơng trình người ta thường bỏ qua suy giảm độ cứng kết cấu phân tích ứng xử cơng trình Nghiên cứu kể đến ảnh hưởng suy giảm độ cứng vết nứt bê tông gây ra, điều tác động không nhỏ đến ứng xử cơng trình cao tầng bê tơng cốt thép Sự suy giảm độ cứng nhiều nhóm nghiên cứu giới phân tích đưa cơng thức tính tốn Luận văn tổng hợp hệ số suy giảm kết cấu nghiên cứu khuyên dùng nước giới Sau có cơng thức xác định suy giảm độ cứng kết cấu, phân tích ứng xử cơng trình phương pháp phần tử hữu hạn 3D cho thấy, kể đến suy giảm độ cứng, rõ ràng chu kỳ dao động cơng trình tăng lên nhiều, nhiên chuyển vị dao động hệ chịu lực không thay đổi đáng kể nên trị số tải trọng động (động đất gió động) tác động lên cơng trình không thay đổi nhiều Do độ cứng bị suy giảm nên chịu tải trọng ngang, chuyển vị thực công trình tăng lên đáng kể gây ảnh hưởng khơng nhỏ làm việc bình thường cơng trình, làm tăng hiệu ứng thứ cấp P-Delta Một yếu tố có lợi cho làm việc kết cấu kể đến, phân phối lại nội lực khung vách, theo khung làm việc có lợi hơn, vách chịu bất lợi Tuy nhiên, tính tốn thiết kế, vách thường thiết kế có khả chịu lực lớn so với cần thiết nên việc vách chịu làm việc bất lợi không gây nhiều ảnh hưởng đến làm việc 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 9386 : 2012 (2012), ”Thiết kế cơng trình chịu động đất”, Nhà Xuất Xây dựng, Hà Nội American Concrete Institut (2011), “ACI 318M-11 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary” CSA-A23.3-04 (2004), “Design of concrete structures” Branson DE (1963), “Instantaneous and timedependent deflections of simple and continuous reinforced concrete beam”, HPR Publication No.7, Part 1, AHD, U.S.B of Public Road Elwood KJ, Eberhard MO (2006), “Effective stiffness of reinforced concrete columns”, PEER report 1-5, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley Paulay T., Priestley M.J.N (1992), “Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings”, John Wiley M.H Vo, L.N Nguyen (2016), “Anh huong cua khe nut den ung xu cua khung be tong cot thep chiu dong dat”, Tạp chí Xây dựng, vol 02/2016, no ISSN 0886-0762, pp 13-17, 2016 V.H Ho (2010), “Su suy giam cung ket cau be tong cot thep va anh huong cua no den tac dong cua dong dat len cong trinh”, Master Thesis, Ha Noi, 2010 M C Marin, M K El Debs (2012), “Contribution to assessing the stiffness reduction of structural elements in the global stability analysis of precast concrete multi-storey buildings”, Revista IBRACON de Estruturas e Materiais, vol.5 no.3 São Paulo June 2012 54 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Tống Đức Sơn, Nguyễn Quang Tùng, “Ảnh hưởng suy giảm độ cứng kết cấu đến ứng xử cơng trình cao tầng bê tơng cốt thép”, Tạp chí Xây dựng, vol 02/2018, no ISSN 0886-0762, 2018 ... cấu Độ cứng có phân biệt theo cấp độ vật thể, độ cứng cấu kiện độ cứng hệ kết cấu (hay độ cứng tổng thể) cấp độ cấu kiện, tuỳ theo loại tải trọng biến dạng tương ứng mà có loại độ cứng: độ cứng. .. CHƢƠNG SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU 17 2.1 Các nguyên nhân gây suy giảm độ cứng 17 2.1.1 Suy giảm độ cứng tải trọng lặp 17 2.1.2 Suy giảm độ cứng ứng xử phi tuyến kết cấu ... 2.1.3 Kể đến suy giảm độ cứng quan niệm thiết kế 23 2.2 Sự suy giảm độ cứng theo quan niệm thiết kế .24 2.2.1 Suy giảm độ cứng theo Brandson DE - 1963 .24 2.2.2 Suy giảm độ cứng theo