Lõi là một dạng biến thể của hệ kết cấu vách. Lõi có dạng vỏ hộp rỗng, tiết diện hín hoặc hở, nhận các loại tải trọng tác động lên công trình và truyền xuống móng Lõi được tạo thành từ việc kết hợp các vách cứng thành một hệ kín chịu lực. Hệ lõi có thể có hình dạng của tiết diện ngang là hình tròn, đa giác đều, hình vuông hoặc hình chữ nhật …v.v… Trong kết cấu nhà cao tầng, hệ lõi thường được sử dụng làm khoang thang máy và các hệ thống kỹ thuật khác.
Lõi là kết cấu có khả năng chịu uốn, cắt và khả năng chịu ảnh hưởng của xoắn đều tốt cho nên trong kết cấu nhà cao tầng hệ lõi được sử dụng rất phổ biến. Giống như đặc điểm của hệ kết cấu vách, kết cấu lõi trong công trình nhà cao tầng được đặt cách xa nhau sao cho vị trí bố trí lõi không lệch tâm giữa tâm cứng và trọng tâm của nó để công trình giảm thiểu tối đa hiện tượng xoắn khi dao động.
Lõi cứng làm việc như một consol lớn ngàm vào mặt móng công trình, lõi có tiết diện kín, hở hoàn toàn hoặc nửa hở, tuy nhiên thực tế lõi cứng thường có tiết diện hở hoặc nửa hở.
(Nguồn Giáo trình kết cấu nhà cao tầng, Phạm Phú Anh Huy, 2010) [4]
Hình 1.6 Lõi kín và lõi hở.
1.3. ĐỘNG ĐẤT VÀ TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊN NHÀ CAO TẦNG 1.3.1 Khái niệm
Động đất hay còn gọi là địa chấn là sự rung chuyển của mặt đất do kết quả của sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ trái đất. theo thông tin cập nhật từ Bách Khoa Toàn Thư Mở thì động đất ngoài nguyên nhân do vận động kiến tạo được gây ra bởi các nguyên nhân như
- - -
-
Do vận động kiến tạo của các mảng trái đất. Do thiên thạch va chạm vào trái đất.
Do các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn và do các kích động có chủ ý của con người trong việc khai thác hay xây dựng.
Do đặc biệt là các vụ thử hạt nhân.
Trong quan niệm thông thường thì động đất được hiểu là các rung chuyển đủ mạnh trên diện tích đủ lớn, ở mức nhiều người cảm nhận được, có thể để lại các dấu vết phá hủy hay nứt đất ở vùng nào đó. Về mặt vật lý, các rung chuyển động phải có biên độ đủ lớn, có thể vượt giới hạn đang hồi của môi trường đất đá và gây nứt vỡ. Nó ứng với động đất có nguồn gốc tự nhiên, hoặc mở rộng đến các vụ thử hạt nhân. Chú ý rằng các địa chấn kế tại các trạm quan sát địa chấn được thiết kế để ghi nhận các động đất như vậy, và lọc bỏ các chấn động do nhân sinh.
Nguyên nhân tự nhiên nội sinh liên quan đến vận động của các lớp và khối của trái đất. Tuy rất chậm, các lớp vỏ và trong lòng đất vẫn luôn chuyển động. Khi ứng suất cao hơn sức chịu đựng thể chất của trái đất thì sự đứt gãy xảy ra, giải phóng năng
lượng và xảy ra động đất.
1.2.2 Tác động của động đất lên nhà cao tầng
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý thuyết, được quy về một điểm gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt quả đất được gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tiêu đến chấn tâm được gọi là độ sâu chấn tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi tương ứng là tiêu cự hoặc khoảng cách chấn tiêu (D) và tâm cự hoặc khoảng cách chấn tâm (L).
(Nguồn Nguyễn Lê Ninh, 2011) [5]
Hình 1.7 Vị trí phát sinh động đất.
Động đất xảy ra hằng ngày trên trái đất, nhưng hầu hết không đáng chú ý và không gây ra thiệt hại. Đông đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng về tài sản và nhân mạng bằng nhiều cách.
Riêng đối với nhà cao tầng, ảnh hưởng của động đất đến sự rung chuyển của tòa nhà là rất nguy hiểm. Không giống như tải trọng gió, gió tác động chủ yếu vào phạm vi phía trên của tòa nhà, làm biến dạng khung và gây chuyển vị đỉnh trong nhà cao tầng. Động đất khi xảy ra sẽ tạo các dạng sóng năng lượng hay còn gọi là sóng địa chấn, sẽ trải dài trong một diện tích lớn và tác động trực tiếp vào phần kết cấu chính của toàn nhà là phần móng.
Vì thế tác động của động đất đến nhà cao tầng là tác động từ dưới lên và dễ dàng phá hoại kết cấu chịu lực của công trình. Đối với những công trình nhà cao tầng càng cao thì ảnh hưởng của động đất đến nhà cao tầng càng, lớn hơn tác động của tải trọng gió gây ra gấp nhiều lần.
1.2.2.1 Giản đồ gia tốc nền
Giản đồ gia tốc nền là đồ thị biểu diễn các giá trị gia tốc của chuyển động đất nền theo trục thời gian. Theo ghi nhận của giản đồ gia tốc nền các nhà nghiên cứu sẽ có được các thông số như thời gian tăng về cường độ, thời gian kéo dài về độ mạnh và thời gian suy giảm về độ mạnh của một trận động đất, điểm thời gian mà tại đó gia tốc đất nền đạt cực đại...
1.2.2.2 Đỉnh gia tốc nền (PGA)
Đỉnh gia tốc nền (PGA) là biên độ của gia tốc đỉnh lớn nhất ghi lại trên một giản đồ gia tốc của quá trình chuyển động đất nền tại một điểm nhất định theo thời gian. PGA thường được sử dụng như một tham số mô tả độ mạnh của chuyển động đất nền mặc dù nó chỉ có ý nghĩa trong một khoảng thời gian phân tích ngắn của kết cấu (T ≤0.3 s). Trong hồ sơ của một trận động đất có thể có các PGA theo phương đứng và phương ngang khác nhau theo các hướng.
1.2.2.3 Cường độ Arias (IA)
Nhằm xác định bản chất vật lý của năng lượng trong một quá trình chuyển động đất nền, năm 1970 Arturo Arias, một kỹ sư người Chi Lê đã đưa ra một thước đo để đánh giá độ mạnh của các trận động đất thông qua giản đồ gia tốc dạng sóng của đất nền theo thời gian
IA = 2� ��
Với g là gia tốc trọng trường, a (t) là sóng gia tốc theo thời gian, tn là tổng thời gian hữu hiệu của sóng gia tốc.
1.2.2.4 Khoảng thời gian hiệu dụng
Năm 1975, Trifunac và Brady định nghĩa thêm các giá trị D5-95 là khoảng thời gian xác định tại thời điểm đạt được 5% và 95% giá trị năng lượng IA, giá trị này thể hiện thời gian rung lắc mạnh của nền đất, một thông số quan trọng trong quá trình phân tích phi tuyến của kết cấu. Ngoài ra, giá trị tmid được đề xuất thêm nhằm
xác định khoảng giữa của giai đoạn rung lắc mạnh của đất nền, theo những báo cáo của Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật động đất Thái Bình Dương thì tmin được xác định tại thời điểm cường độ Arias đạt được 45% về giá trị. Công thức xác định cho các giá trị D5-95 và tmid như sau
D5-95 = t95 – t5
Tmid = t45
Với t5, t45, t95 là các điểm thời gian chuyển động đất nền đạt được 5%, 45% và 95% giá trị năng lượng IA.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu
Trong chương này trình bày cơ sở lý thuyết để phục vụ cho việc tính toán và phân tích số của luận văn.
2.2 Phân tích phi tuyến
Phân tích phi tuyến (nonlinear analysis) dần được chấp nhận trong cộng đồng thiết kế chuyên nghiệp như là một phương pháp có thể phát triển để đánh giá sự làm việc của công trình hiện hữu. Hai loại phân tích phi tuyến là
-
-
Phương pháp phi tuyến tĩnh - NSP (Nonlinear Static Procedure, Pushover Procedure)
Phương pháp phi tuyến động - NDP (Nonlinear Dynamic Procedure). Cả hai phương pháp này đòi hỏi sự chuẩn bị các mô hình toán phi tuyến của khung nhà. Như vậy, tất cả các vị trí có thể ứng xử phi tuyến (thường gọi là khớp dẻo - plastic hinge) trong khung phải được xác định trong mô hình toán, và các quan hệ phi tuyến lực - biến dạng (nonlinear force-deformation relationship) phải được lập trước cho từng thành phần của khung nhà có khả năng ứng xử phi tuyến.
Khi phân tích kết cấu, rất khó để có thể mô hình tất cả các yếu tố phi tuyến liên quan đến ứng xử thật của kết cấu như trong thực tế một cách chi tiết. Các mức độ phân tích thông thường nhất được chia thành bốn loại, tùy thuộc vào yếu tố phi tuyến vật liệu hoặc phi tuyến hình học, bao gồm
- - - -
Phân tích đàn hồi bậc nhất (first-order elastic analysis) Phân tích đàn hồi bậc hai (second-order elastic analysis) Phân tích phi đàn hồi bậc nhất (first-order inelastic analysis) Phân tích phi đàn hồi bậc hai (second-order inelastic analysis).
2.2.1 Phương pháp phân tích phi tuyến hình học (hiệu ứng P -)
Đối với các hệ kết cấu khi chịu các lực do động đất gây ra sẽ xuất hiện các chuyên vị ngang, tải trọng thẳng đứng P cùng dịch chuyển theo chuyển vị đó của khung, do đó làm tăng thêm mômen gây lật. Đối với khung BTCT được thiết kế với độ dẻo cao. hiện tượng này có thế làm cho kết cấu bị mất ổn định và sụp đổ. Vậy một câu hỏi đặt ra là mức độ ánh hưởng của hiện tượng này lên sự làm việc của khung
BTCT là như thế nào? Và biện pháp gì để khắc phục nó tránh cho những sự cố đáng tiếc có thể xảy ra?
Khi phân tích các hệ kết cấu, thông thường giả thiết rằng chuyển vị ngang là nhỏ, do đó hệ kết cấu được mô hình hóa và tính toán trên sơ đồ không biến dạng ban đầu của nó, tức là đã bỏ qua các ảnh hưởng thứ cấp do chuyển vị ngang gây ra. Tuy vậy, đối với các hệ kết cấu mềm (ví dụ như hệ khung thép, khung BTCT nhiều tầng) khi chịu tài trọng ngang ( gió, động đất, ...) thường có một chuyển vị ngang đáng kể. Điều này khiến cho việc mô hình hóa vả phân tích khung trên trạng thái không biến dạng là không phù hợp với sự làm việc thực tế cùa kết cấu. Do đó. đối với các hệ kết cấu này phải kể đến ảnh hưởng do chuyển vị ngang lớn gây ra và phân tích khung trên sơ đồ biến dạng của nó. Khi các hệ kết cấu mềm chịu tác động cùa tải trọng ngang, sẽ phát sinh chuyển vị ngang lớn. các thành phần tải trọng đứng, sẽ dịch chuyên theo sự chuyển dịch của kết cấu làm tăng thêm mômen gây lật tương ứng bằng Px hoặc làm gia tăng tác động ngang F, hiện tượng này được gọi là hiện ứng P-delta, hay hiệu ứng bậc hai. Hiệu ứng này càng lớn nếu như chuyển vị ngang và tải trọng đứng càng lớn. Sự gia tăng tác động cùa các lực ngang đến lượt nó lại tiếp tục làm tăng thêm chuyển vị ngang ở các hệ kết cấu rất mềm, hiện tượng này có thể làm cho kết cấu bị mất ổn định và gây ra sụp đổ. Đa số các kết cấu làm việc đàn hồi - dẻo đều có chuyển vị ngang lớn và kèm theo đó là hiệu ứng bậc hai lớn.
Hiệu ứng P-delta là một vấn đề lớn còn tồn tại mà có tác động đến phàn ứng cùa kết cấu một cách riêng biệt. Mặc dù đã đạt được những thành tựu về nghiên cứư và có được thuận lợi về sự phát triển cùa công nghệ, tuy nhiên vẫn có rất ít các nghiên cứu thí nghiệm thực hành về ảnh hưởng của hiệu ứng này lên kết cấu. Hầu hết các phương pháp phân tích kết cấu được dùng cho kết cấu BTCT là phương pháp phân tích tĩnh tuyến tính. Theo đó, khung được phân tích và tính toán trên sơ đồ không biến dạng và hiệu ứng P-delta được bỏ qua, như được minh họa trong hình 3a [6]. Tuy nhiên như đã nói ờ trên, khi phân tích các hệ kết cấu mềm có biến dạng lớn, sự dịch chuyển của tải trọng đứng theo biến dạng của hệ kết cấu có thể gây ra các tác động phụ thêm lên nó và được gọi là hiệu ứng bậc hai. Việc phân tích tính toán khung sẽ được tiến hành trên sơ đồ biến dạng của khung, lúc này nó không còn là phân tích tuyến tính nữa mà lả phân tích phi tuyến, như được minh họa trong hình 3b [6].
(Nguồn OpenSees_User, 2016)
Hình 2.1 Sự khác nhau giữa phân tích tĩnh phi tuyến và phân tích P - Xét hệ khung chịu tải trọng như hình 4
(Nguồn OpenSees_User, 2016)
Hình 2.2 Biến dạng của khung dưới tác dụng của tải trọng
Tác động cùa tải trọng ngang F sẽ làm cho cấn kiện thẳng đứng chịu tải bị chuyển vị ngang (đường nét đứt). Tác động của tải trọng đứng do đó sẻ trờ thành lệch tâm. Sự lệch tâm này sẽ làm xuất hiện các mômen uốn phụ thêm tác động lên kết cấu.
Cánh tay đòn được xác định từ chuyển vị ngang sinh ra dưới tác dụng của mômem uốn toàn phần do tải trọng ngang và đứng gây ra.
(Nguồn OpenSees_User, 2016)
Hình 2.3. Sơ đồ tính toán
Trong đó
Mo - Mômen do tài trọng ngang gây ra;
M - Mômen phụ thêm do sự dịch chuyển của tải trọng đứng gây ra. Từ (1.2) thấy rằng phụ thuộc vào giá trị cùa F và P và được thể hiện thông qua quan hệ
=(F,P) Do vậy biểu thức (1.2) có thề viết lại thành
M = F.h + P.(F.P)
(1.3)
(1.4)
Ta thấy rằng, quan hệ tuyến tính bình thường giữa tải trọng và chuyển vị ngang trở thành quan hệ phi tuyến, chuyển vị phụ thuộc vào nội lực nhưng nội lực lại là hàm của chuyển vị.
Trong phép tính này, sơ đồ cùa hệ kết cấu đã bị thay đồi, do đó nó có tên gọi là tính theo sơ đồ biến dạng hay còn gọi là tính toán bậc hai. Việc tính toán này cho phép làm rõ được trị số tới hạn của tài trọng đứng, đặc trưng cho khả năng bị mất ổn định cùa hệ kết cấu.
- Các phương pháp tính toán hệ kết cấu khung theo sơ đồ biến dạng
Tính toán kết cấu có xét đến sự biến dạng đã được nhiều nhà khoa học để tâm nghiên cứu từ lâu. Tuy nhiên, do đặc thù của vật liệu bê tông cốt thép khác với vật liệu đàn hồi ở tính chất phi tuyến cùa nó, do vậy biến dạng cùa khung bê tông cốt thép được nghiên cứu chậm hơn.
Trước đây khi xét đến yếu tố biến dạng trong việc tính toán thiết kế kết cấu khung, người ta có kể đến thông qua uốn dọc của cột. Công việc này đã được nghiên cứu kỹ và đề cập đến trong rất nhiều tài liệu chuyên ngành. Tuy nhiên, biến dạng của cả hệ khung chưa được nghiên cứu nhiều do sự phức tạp của nó. G.Macgregor và Sven E.Hage là một trong những tác già đần tiên nghiên cứu sự biến dạng tổng thể của kết cấu khung bê tông cốt thép. Tháng 10/1997, trong một bài báo đăng trên “Tạp chí kết cấu công trình” cùa Mỹ, hai tác giã đà đưa ra một số phương pháp tính toán kết cấư khung bê tông cốt thép có xét đến ảnh hưởng do biến dạng. Một số tác già khác như R.Wood, Beaulieu, Adams... cũng có những nghiên cứu quan trọng về vấn đề này. Mỗi tác giả có những đề xuất các phương pháp tính toán khác nhau nhưng tựu trung có thể chia thành 2 nhóm phương pháp phương pháp giải tích và phương pháp gần đúng (phân tử hữu hạn).
Ở trong đề tài luận văn này chúng ta sẽ dùng phương pháp phần từ hữu hạn dựa trên phần mềm thương mại SAP 2000 để xây dựng mô hình và tính toán kết quả.
2.2.2 Phương pháp phân tích phi tuyến theo vật liệu
Mức giới hạn tính năng của công trình là “tình trạng” của công trình sau khi xảy ra động đất, hay nói cách khác đây là chỉ tiêu đánh giá mức độ phá hoại công trình do động đất gây ra. Hướng dẫn của FEMA-356 [7] quy định các giả định cơ bản cho các tòa nhà bê tông thông thường, các mối quan hệ minh họa tổng thể giữa lực và biến dạng gồm ba giai đoạn hư hỏng của kết cấu là IO, LS và CP. Nó là sự đánh giá để lưu ý rằng các trạng thái hoạt động không được quy định trong phân tích địa chấn sử dụng một tỷ lệ định lượng về tính năng mặc định của khớp dẻo vì chúng không ảnh hưởng đến bất kỳ kết quả mô phỏng địa chấn nào.