Bài viết trình bày việc so sánh kết quả nội lực moment và lực cắt giữa phần mềm PLAXIS 3D với kết quả phân tích từ phần mềm ETABS. Từ đó có thể thấy được khả năng ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D trong việc phân tích và thiết kế công trình có xét đến tương tác hệ kết cấu móng-đất nền làm việc đồng thời.
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D TRONG PHÂN TÍCH TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-MĨNG-ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI HOÀNG NGỌC TRIỀU*,**, LÊ BÁ VINH*,** Research on the possibility of Plaxis 3D for analysing interaction of the superstructure-foundation-soil system working together Abstract: Over the last few years, the design works have been seperated from the design of superstructure and the foundation system The special structure softwares are often used to analyze the behaivour and design the struture above with the model which assumes that the supperstructure is fixed at the foot of the reinforced concrete columns and core walls In this design concept, assuming the above structures fixed at the base means that the building is built on hard ground (without settlement) and does not really simulate the true behaviour of the building The reason is that the ground is not completely hard which results in irregular settlement of the ground This settlement between coulumns will lead to the increasing internal force values in the superstructure above The reason for the conventional concept has been used up to now is that it is difficult to model a whole system including supperstructure, foundation system and soil to ananlyze the soil-structure interaction However, today as a result of the development of finite element software, this problems can be solved In this study, PLAXIS 3D will be used to ananlyse the behaviours of the superstructure-foundationsoil system working together After analysis, the results of calculating the settlement according to the construction time, the results of the raft-pile load distribution and the vertical force values in the piles were compared with the field-measured values to prove the reliability of PLAXIS 3D finite element software for simultaneous analysis of superstructure-foundation-soil system behavior Keywords: soil-structure interaction, fixed-base, PLAXIS 3D, reliability, superstructure-foundation-soil system behavior ĐẶT VẤN ĐỀ * Ngày nay, với phát triển ngày nhanh thành phố giới dẫn đến nhu cầu cơng trình xây dựng ngày phát triển số lượng chiều cao Do cơng tác thiết kế ngày phát triển khơng ngừng để đảm bảo cơng trình xây dựng khơng đảm bảo an tồn cho người sử dụng mà cịn hướng đến mục đích tối ưu hóa * ** 76 Bộ mơn Địa - Nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Tác giả liên hệ: trieuhn@hcmut.edu.vn toán thiết kế Từ trước đến nay, cơng trình xây dựng thiết kế thường tách riêng thiết kế kết cấu bên thiết kế hệ móng-đất bên Phần mềm ETABS thường sử dụng để phân tích ứng xử thiết kế kết cấu bên với sơ đồ tính xem kết cấu ngàm chân cột, vách Sau đó, giá trị phản lực chân cột, vách sử dụng để phân tích thiết kế hệ móng-đất bên Trong quan niệm thiết kế này, việc xem kết cấu bên ngàm chân cột đồng nghĩa với việc giả sử công trình xây dựng đất cứng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 (không biến dạng) không thực mô ứng xử thật công trình thực tế đất khơng hồn tồn cứng dẫn đến độ lún không đất Độ lún lệch dẫn đến giá trị nội lực khung có sai khác nhiều so với ứng xử thực tế cơng trình Sở dĩ cách tính riêng rẽ phần từ trước đến sử dụng việc giải tính tốn làm việc chung đồng thời kết cấu-móng- đất cịn gặp nhiều khó khăn Ngày nay, với phát triển phần mềm phần tử hữu hạn ứng dụng xây dựng việc phân tích hệ kết cấu-móng-đất làm việc đồng thời đơn giản hóa, số phần mềm PLAXIS 3D Trong nghiên cứu này, phần mềm PLAXIS 3D sử dụng để phân tích ứng xử hệ kết cấu-móng-đất làm việc đồng thời cho cơng trình Messesturm Tower Các ứng xử hệ móng- đất gồm độ lún nền, phân chia tải bè-cọc giá trị nội lực cọc so sánh kết tính tốn với giá trị quan trắc thực tế để từ thấy khả ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D Ngoài ra, để chứng minh mức độ tin cậy phần mềm PLAXIS 3D việc phân tích ứng xử hệ kết cấu bên trên, nghiên cứu so sánh kết nội lực moment lực cắt phần mềm PLAXIS 3D với kết phân tích từ phần mềm ETABS Từ thấy khả ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D việc phân tích thiết kế cơng trình có xét đến tương tác hệ kết cấumóng-đất làm việc đồng thời CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU MESSETURM TOWER 2.1 Tổng quan cơng trình Messeturm Tower tịa nhà chọc trời thành phố Frankfurt am Main nước Đức Cơng trình xây dựng năm 1990 tòa nhà cao thứ hai Đức với tổng chiều cao 257 m gồm 63 tầng tầng hầm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 1: Cơng trình Messeturm Tower Hình 2: Mặt cắt đứng cơng trình [4] 77 2.2 Kết cấu phƣơng đứng cơng trình Cơng trình sử dụng giải pháp kết cấu hình ống cấu tạo ống bao xung quanh nhà gồm hệ thống cột, dầm phía nhà hệ lõi, vách cứng (Hình 2) Trong hệ cột bố trí xung quanh cách 3,6 m có kích thước 0,8x0,8 m tầng thay đổi tiết diện cm đến kích thước 0,3x0,3 m tầng Đối với hệ vách chịu lực sử dụng vách bê tơng 78 cốt thép có chiều dày 64 cm vách tầng hầm hệ vách lõi bên cơng trình chọn tiết diện vách dày 22 cm 2.3 Kết cấu phƣơng ngang cơng trình Cơng trình thiết kế theo giải pháp sàn bê tơng cốt thép kết hợp với hệ dầm (Hình 3) Trong sàn có chiều dày 22 cm hệ dầm chính, dầm phụ có kích thước 40 x 80 cm 20x40 cm Hình 3: Kết cấu vách hệ cột xung quanh cơng trình [4] Hình 4: Mặt kết cấu cơng trình tầng đến tầng [4] Hình 5: Mặt kết cấu cơng trình tầng điển hình tầng đến tầng 58 [4] Hình 6: Mặt kết cấu cơng trình tầng 59 đến tầng 60 [4] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 2.3 Kết cấu móng cơng trình Giải pháp móng sử dụng giải pháp móng bè cọc kết hợp với phần bè có kích thước 58,8 m x 58,8 m (Hình 7) chiều dày thay đổi từ m biên đến m khu vực tâm móng Phần cọc sử dụng phương án cọc khoan nhồi có đường kính 1,3 m với ba loại chiều dài cọc giảm dần từ tâm móng đến biên thể Hình Ở khu vực tâm móng bố trí 16 cọc với chiều dài cọc 34,9 m, khu vực xung quanh phần tâm móng bố trí 20 cọc với chiều dài 30,9 m phần biên ngồi bố trí 28 cọc với chiều dài cọc 26,9 m 2.4 Địa chất cơng trình Cơng trình xây dựng khu vực có mặt cắt địa chất Hình 8, gồm lớp đất đá san lấp dày 8-10 m mặt Bên lớp san lấp lớp đất sét Frankfurt đến độ sâu khoảng 70 m Mực nước ngầm khu vực độ sâu khoảng 4,55,0 m so với mặt đất tự nhiên Hình 7: Mặt bố trí cọc bè cơng trình Messeturm Tower [1] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 8: Mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main (Katzenbach et al [2]) PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU-MĨNGĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI TRONG PHẦN MỀM PLAXIS 3D Trong nghiên cứu này, hệ kết cấu-móng-đất cơng trình Messesturm Tower mơ PLAXIS 3D (Hình 9) Sau phân tích, kết tính tốn độ lún theo thời gian thi công kết phân chia tải bè cọc so sánh với kết quan trắc thực tế để chứng minh mức độ tin cậy phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS 3D-2018 việc phân tích ứng xử hệ kết cấu-móng-đất làm việc đồng thời 3.1 Thông số kết cấu mô Kết cấu cột, vách, lõi sử dụng vật liệu bê tông mác B45 dầm, sàn sử dụng bê tông mác B35 với thơng số trình bày Bảng Kết cấu móng sử dụng vật liệu bê tơng với thơng số mơ trình bày Bảng 3.2 Thơng số địa chất mơ Địa chất cơng trình mô dựa mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main Hình thơng số địa chất tóm tắt Bảng 79 Bảng 1: Thông số vật liệu cột, vách, lõi, dầm, sàn mô Các thông số Module đàn hồi Hệ số Poisson Trọng lượng riêng Ký hiệu E (MN/m2) m g (kN/m3) Bê tông B45 37500 0,2 25 Bê tông B35 34500 0,2 25 Bảng 2: Thông số vật liệu bè cọc mô (Reul 2000) [5] Các thông số Module đàn hồi Hệ số Poisson Trọng lượng riêng Ký hiệu E (MN/m2) m g (kN/m3) Bè 34000 0,2 25 Cọc 25000 0,2 25 Bảng 3: Bảng tổng hợp thông số địa chất [7] Lớp đất Sand and Gravel HSM 18 75000 75000 225000 100 1,0 30 Type g (kN/m3) E50ref (kN/m2) Eoedref (kN/m2) Eurref (kN/m2) Pref (kN/m2) m c' (kN/m2) j' (o) 3.3 Kết độ lún theo thời gian Giá trị độ lún theo thời gian phần mềm PLAXIS 3D tính tốn thời điểm thi cơng cơng trình tương ứng với giá trị Frankfurt clay HSM 18,7 50000 50000 150000 100 0,85 20 20 Frankfurt limestone MCM 22 2000000 1000 15 tổng tải trọng đo trường Bảng Sau đó, giá trị độ lún so sánh với kết độ lún quan trắc thực tế Hình 10 Bảng 4: Bảng giá trị tải trọng tác dụng lên công trình giai đoạn thi cơng [2] Giai đoạn 1A 1B 80 Thời gian (tháng) 0,25 6,3 14,1 32 121 Tải trọng đo trƣờng (MN) 402 891 1562,3 1880 1880 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 3.5 Kết phân chia tải bè cọc Kết phân chia tải bè cọc phần mềm PLAXIS 3D tính tốn thời điểm 121 tháng sau so sánh với giá trị quan trắc thực tế Trong kết phân tích từ phần mềm PLAXIS 3D cho kết phần trăm tải trọng bè gánh chịu chiếm 44,3 %, giá trị chênh lệch khoảng % so với kết quan trắc thực tế với 42 % [3] Hình 9: Mơ hình hệ kết cấu-móng-đất (SSI) PLAXIS 3D Hình 11: Kết độ lún ổn định PLAXIS 3D Hình 10: Độ lún cơng trình theo giai đoạn thi công Kết độ lún theo thời gian phân tích phần mềm PLAXIS 3D có chênh lệch khơng q lớn so với giá trị quan trắc thực tế Các giá trị chênh lệch dao động khoảng mm phần trăm chênh lệch nhỏ 20 % 3.4 Kết độ lún ổn định Kết độ lún ổn định tính tốn từ phần mềm PLAXIS 3D so sánh với kết phân tích tác giả Ashutosh Kumar [1] Trong đó, độ lún ổn định tâm móng 17,01 cm gần tương đương với kết phân tích tác giả Ashutosh Kumar với 16,95 cm [1] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 12: Lực dọc phân bố dọc theo chiều dài cọc 81 Kết lực dọc cọc có chênh lệch đáng kể giá trị quan trắc thực tế [1] phân tích PLAXIS 3D, đặc biệt nhóm cọc tâm móng, Hình 12 Đối với nhóm cọc ngồi (Outer ring pile) giá trị lực dọc cọc so chênh lệch nhỏ, dao động khoảng 300 kN phần trăm chênh lệch nhỏ 15%, riêng vị trí đỉnh cọc có phần trăm chênh lệch nhỏ với 7,7 % (Bảng 5) Đối với nhóm cọc trung tâm (Inner ring pile), giá trị lực dọc cọc có chênh lệch đáng kể với giá trị chênh lệch dao động khoảng 1,8 MN phần trăm chênh lệch nhỏ 38 % Trong đó, giá trị chênh lệch vị trí đầu cọc trình bày Bảng với phần trăm chênh lệch 14,4% Bảng 5: Bảng so sánh kết phân tích PLAXIS giá trị quan trắc thực tế Chia tải bè-cọc Độ lún (cm) Tải trọng truyền vào cọc (Inner pile) Tải trọng truyền vào cọc (outer pile) Giá trị quan trắc [1] 0,43 14,4 9,7 7,8 KHẢ NĂNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU CỦA PHẦN MỀM PLAXIS 3D Trong nghiên cứu phần mềm PLAXIS 3D [8] phần mềm ETABS [9] sử dụng để phân tích ứng xử kết cấu bên Sau đó, kết nội lực (moment, lực cắt) Hình 13: Mơ hình phân tích ứng xử kết cấu phần mềm ETABS 82 Kết tính tốn PLAXIS 3D 0,44 15,2 11,1 7,2 (%) sai khác 2,3% 5,5% 14,4% 7,7% kết cấu bên so sánh hai phương pháp phân tích Từ thấy khả ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D việc phân tích thiết kế cơng trình có xét đến tương tác hệ kết cấu-móng-đất làm việc đồng thời Hình 14: Mơ hình phân tích ứng xử kết cấu phần mềm PLAXIS 3D ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 4.1 Thông số đất Theo nghiên cứu tác giả Granano, Fargnoli, Boldini Amorosi [6], theo quy định PLAXIS mơ ln có đất bên dưới, để chuẩn hóa ngàm mơ hình, PLAXIS 3D-2018 đất mơ có module đàn hồi 750Gpa, hệ số poison Theo nghiên cứu tiến hành chia lưới phần tử hữu hạn PLAXIS 3D cần chia lưới mịn vừa tương ứng với chức chia lưới tự động ETABS 4.2 So sánh kết Kết nội lực moment lực cắt dầm DC1 có chênh lệch khơng nhiều PLAXIS 3D ETABS Các giá trị moment có chênh lệch khoảng nhỏ 8,5% hai phương pháp Trong giá trị lực cắt hai mơ hình phân tích chênh lệch khoảng 20 kN DC2 D C Hình 15: Vị trí dầm DC1 DC2 Bảng 6: Nội lực dầm DC1 ETABS PLAXIS 3D-2018 (%) sai khác Moment (kN.m) Mmax 414,6 442,9 6,8% Mmin 1383,3 1265,8 8,5% Lực cắt (kN) Qmax 330,8 311,2 5,9% Qmin -20,9 -42,9 105% Đối với dầm DC2, kết phân tích nội lực moment lực cắt PLAXIS 3D gần tương tự với kết phân tích ETABS Kết phân tích PLAXIS 3D cho kết nhỏ ETABS moment lực cắt Tuy nhiên, giá trị chênh lệch hai phương pháp phân tích nhỏ khoảng 4% giá trị moment 5% giá trị lực cắt Bảng 7: Nội lực dầm DC2 Moment (kN.m) Lực cắt (kN) Mmax Mmin Qmax ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 ETABS 298,7 332,1 270,4 PLAXIS 3D-2018 287,0 321,5 256,0 (%) sai khác 3,9% 3,2% 5.3% 83 KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng phần mềm PLAXIS 3D-2018 để phân tích ứng xử hệ kết cấu-móng-đất làm việc đồng thời cho cơng trình Messesturm Tower Đối với ứng xử móngđất nền, phần mềm PLAXIS 3D cho kết độ lún theo thời gian, kết phân chia tải bècọc kết lực dọc cọc có chênh lệch không nhiều so với giá trị quan trắc thực tế Trong đó, giá trị độ lún theo thời gian có chênh lệch nhỏ mm so với giá trị quan trắc kết phân chia tải bè-cọc chênh lệch 3% Từ thấy khả ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D-2018 việc phân tích ứng xử hệ móng bècọc-đất làm việc đồng thời Ngoài ra, nghiên cứu cịn phân tích ứng xử hệ kết cấu bên phần mềm PLAXIS 3D, từ so sánh với kết phân tích theo phương pháp thơng dụng sử dụng phần mềm ETABS để thấy khả sử dụng phần mềm PLAXIS 3D để phân tích giá trị nội lực moment lực cắt kết cấu bên Từ kết so sánh, nhận thấy giá trị moment dầm hai phương pháp phân tích chênh lệch khơng lớn khoảng nhỏ 8% giá trị lực cắt giá trị chênh lệch khoảng nhỏ 20kN Nguyên nhân sai lệch phần tử PLAXIS 3D không chịu xoắn chịu xoắn kết sai lệch lớn Lời cảm ơn Chúng xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ashutosh Kumar, Deepankar Choudhury and Roft Katzenbach, “Effect of Earthquake on Combined Pile-Raft Foundation”, International Journal of Geomechanics, vol 16, no 5, 2016 [2] Rolf Katzenbach, Gregor Bachmann and Hendrik Ramm, “Combined Pile Raft Foundations (CPRF): An Appropriate Solution For The Foundations of High-Rise Buildings”, Slovak Journal of Civil Engineering, vol 3, pp 19-29, 2005 [3] Phung Duc Long, “Piled Raft-A CostEffective Foundation Method for High-Rises”, Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, vol 41, no 3, 2010 [4] Sommer, H., Katzenbach, R., and DeBeneditis, “Lát Verformungsverhalten des mesturmes Frank am Mai”, Vortrage dẻ Baugrundtagung in Karlsruhe, DGGT, Essen, Germany, pp 371-380, 1990 [5] Reul, O., “In situ-Messungen und numerische stuien Zum Tragverhalten der Kombinierten Pfahl-plattengtundung.”, Mitteilungen des Institutes und der versuchsanstalt fur Geotechnik ser Technischen Universitat Darmstadt, Heft 53 (in German), 2000 [6] Gragnano C G., Farnoli V., Boldini D and Amorosi A , “Comparison of Structural Elements Response in PLAXIS 3D and SAP 2000”, Spring issue 2014, PLAXIS bulletin, 2014 [7] Amann, P./ Breth, “Verformungsverhalten des Baugrundes beim Baugrubenaushub und anschließendem Hochhausbau am Beispiel des Frankfurter Ton Mitteilungen der Versuchsanstalt für Bodenmechanik und Grundbau der Technischen Hochschule Darmstadt”, (1975) [8] PLAXIS 3D Manual 2018 [9] ETABS Manual 2017 Người phản biện: GS,TS NGUYỄN CÔNG MẪN 84 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 ... tích hệ kết cấu- móng- đất làm việc đồng thời đơn giản hóa, số phần mềm PLAXIS 3D Trong nghiên cứu này, phần mềm PLAXIS 3D sử dụng để phân tích ứng xử hệ kết cấu- móng- đất làm việc đồng thời cho... [2]) PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU-MÓNGĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI TRONG PHẦN MỀM PLAXIS 3D Trong nghiên cứu này, hệ kết cấu- móng- đất cơng trình Messesturm Tower mơ PLAXIS 3D (Hình 9) Sau phân tích, kết. .. cậy phần mềm PLAXIS 3D việc phân tích ứng xử hệ kết cấu bên trên, nghiên cứu so sánh kết nội lực moment lực cắt phần mềm PLAXIS 3D với kết phân tích từ phần mềm ETABS Từ thấy khả ứng dụng phần mềm