6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
2.1 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN
Phân tích phi tuyến được chấp nhận trong cộng đồng thiết kế chuyên nghiệp như là một phương pháp đánh giá sự làm việc của cơng trình hiện hữu. Có 02 loại phân tích phi tuyến
- Phương pháp phi tuyến tĩnh - NSP - Phương pháp phi tuyến động - NDP.
Cả hai phương pháp đều địi hỏi thực hiện mơ hình tốn phi tuyến của khung nhà và tất cả các vị trí trên tịa nhà có ứng xử phi tuyến (thường gọi là khớp dẻo) trong khung phải được xác định trong mơ hình tốn và các quan hệ phi tuyến lực - biến dạng 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 mơ hình chi tiết cho tất cả các yếu tố phi tuyến liên quan đến ứng xử thật của kết cấu như trong thực tế. Các mức độ phân tích thơng 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.
- 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).
2.1.1 Phương pháp phân tích phi tuyến hình học (hiệu ứng P -)
Đối với các hệ kết cấu khi chịu các lực ngang do động đất gây ra sẽ xuất hiện các chuyển vị ngang dẫn đến tải trọng thẳng đứng P dịch chuyển theo phương
chuyển vị đó của khung, do đó làm tăng mơmen. Đối với kết cấu khung được thiết kế với độ dẻo cao, việc chuyển vị ngang kết hợp với tăng momnet tuần hồn có thể làm cho kết cấu bị mất ổn định và sụp đổ.
Khi phân tích các hệ kết cấu, thơng thường giả thiết rằng chuyển vị ngang là bé, do đó hệ kết cấu được mơ hình hóa và tính tốn trên sơ đồ 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 tải trọng ngang như gió, động đất, ... thường có giá trị chuyển vị ngang lớn dẫn đến việc mơ 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 tính 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 của tải trọng ngang, sẽ phát sinh chuyển vị ngang () lớn, các thành phần tải trọng đứng (P) sẽ dịch chuyển theo phương chuyển dịch của kết cấu làm tăng mômen tương ứng bằng P hoặc làm gia tăng tác động ngang F, hiện tượng này được gọi là hiện ứng P-delta.
Sự gia tăng tác động của 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 trong việc tính đến phản ứng của kết cấu một cách riêng biệt. Mặc dù đã đạt được những thành tựu về nghiên cứu và có được thuận lợi về sự phát triển của cơng nghệ nhưng vẫn có rất ít các nghiên cứu thí nghiệm thực hành về ảnh hưởng của hiệu ứng P- delta lên kết cấu.
Hiện nay, có nhiều nhà thiết kế sử dụng phương pháp phân tích tĩnh tuyến tính để phân tích kết cấu. Theo đó, khung được phân tích và tính tốn trên sơ đồ khơng biến dạng và hiệu ứng P-delta được bỏ qua, như được minh họa trong hình 2.1a [29]. Thực tế, 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 kết cấu. Như vậy, việc phân tích tính tốn khung sẽ được tiến hành trên sơ đồ biến dạng của khung nên khơng cịn là phương pháp phân tích tuyến tính, trường hợp này được gọi là phân tích phi tuyến, minh họa trong hình 2.1b [29].
(Nguồn Tài liệu của Yousaf Dinar, Samiul Karim, Ayan Barua, Ashraf Uddin, 2013 [6])
Xét hệ khung chịu tải trọng như hình 2.2
(Nguồn Tài liệu của Yousaf Dinar, Samiul Karim, Ayan Barua, Ashraf Uddin, 2013 [6])
Hình 2.2. Biến dạng của khung dưới tác dụng của tải trọng
Tác động của tải trọng ngang F sẽ làm cho cấu kiện thẳng đứng chịu tải bị chuyển vị ngang (đường nét đứt). Tác động của tải trọng đứng trở thành lệch tâm và làm xuất hiện các mômen uốn phụ, bổ sung tác động lên kết cấu theo công thức.
ΔM = PΔ (2.1)
Cánh tay đòn được xác định từ chuyển vị ngang sinh ra dưới tác dụng của mơmem uốn tồn phần do tải trọng ngang và đứng gây ra theo công thức
M = F.h + PΔ = M0 + ΔM (2.2)
(Nguồn Tài liệu của Yousaf Dinar, Samiul Karim, Ayan Barua, Ashraf Uddin, 2013 [6])
Trong đó
Mo - Mơmen do tải trọng ngang gây ra;
M - Mômen phụ thêm do sự dịch chuyển của tải trọng đứng gây ra.
Từ (2.2) thấy rằng phụ thuộc vào giá trị của F và P và được thể hiện thông qua quan hệ =(F,P)
Do vậy biểu thức (2.2) có thể viết M = F.h + P.(F.P)
(2.3) (2.4) 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 của hệ kết cấu đã bị thay đổi và được gọi là tính theo sơ đồ biến dạng hay cịn gọi là tính tốn bậc hai. Việc tính tốn này cho phép làm rõ được trị số tới hạn của tải trọng đứng, đặc trưng cho khả năng bị mất ổn định của hệ kết cấu.
- Các phương pháp tính tốn hệ kết cấu khung theo sơ đồ biến dạng
Tính tốn kết cấu có xét đến sự biến dạng đã được nhiều nhà khoa học để tâm nghiên cứu nhưng do đặc thù của vật liệu bê tông, cốt thép, liên hợp bê tông – cốt thép khác với vật liệu đàn hồi ở tính chất phi tuyến của nó, do vậy biến dạng của khung bê tơng cốt thép ít được nghiên cứu.
Trước đây khi xét đến yếu tố biến dạng trong việc tính tốn thiết kế kết cấu khung, người ta thường tính tốn thơng qua moment uốn dọc của cột. Tuy nhiên, biến dạng của cả hệ khung chưa được nghiên cứu nhiều do sự phức tạp của nó. Hiện nay, có nhiều nhà khoa học đề xuất các phương pháp tính tốn khác nhau nhưng tựu trung có thể chia thành 2 nhóm phương pháp phương pháp giải tích và phương pháp gần đúng (phân từ hũu hạn).
Đề tài này sẽ đề cập đến việc sử dụng phương pháp phần từ hữu hạn dựa trên phần mềm thương mại SAP2000 để xây dựng mơ hình và tính tốn kết quả.
2.1.2 Phương pháp phân tích phi tuyến theo vật liệu
Mức giới hạn tính năng của cơng trình là “tình trạng” của cơng trình sau khi xảy ra động đất, hay nói cách khác đây là chỉ tiêu đánh giá mức độ phá hoại cơng trình do động đất gây ra. Theo tài liệu FEMA-356 [13], 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.
Điểm A tương ứng điều kiện chịu tải, việc phân tích chấp nhận rằng tải trọng trọng lực có thể gây ra những tác động ban đầu, vì thế tải trọng ngang có thể bắt đầu ở một điểm khác A.
Điểm B cường độ tại tiết diện cân bằng với cường độ chảy dẻo danh nghĩa. Độ dốc từ B đến C thường được lấy từ 0 đến 10% đường dốc ban đầu và bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng trọng lực đến dịch chuyển ngang.
Điểm C, D là cường độ danh nghĩa được xác định theo các tiêu chuẩn khác nhau, nhưng kết cấu đã bị chảy dẻo hồn tồn nhưng chưa bị đứt lìa.
(Nguồn Trích từ tài liệu FEMA-356, 2000 [6])
Hình 2.4 Quan hệ lực và biến dạng đối với khớp dẻo của kết cấu bê tông cốt thép. Điểm IO (Immediate Occupancy Level) Tiếp tục sử dụng. Khơng có hư hỏng hoặc hư hỏng rất nhỏ đối với cấu kiện kết cấu; xuất hiện hư hỏng nhỏ đối với cấu kiện phi kết cấu. Nguy cơ ảnh hưởng an tồn sinh mạng ở các cơng trình là rất thấp.
Điểm LS (Life Safety Level) An toàn sinh mạng. Xuất hiện hư hỏng đáng kể đối với cấu kiện kết cấu và phi kết cấu. Phải thực hiện việc sửa chữa mới có thể đưa cơng trình sử dụng trở lại, tuy nhiên việc sửa chữa có thể khơng thực tế vì tính hiệu quả kinh tế. Nguy cơ ảnh hưởng an tồn sinh mạng ở các cơng trình này là thấp.
Điểm CP (Collapse Prevention Level) Ngăn ngừa sụp đổ. Có nguy cơ ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn sinh mạng do sự phá hoại của cấu kiện phi kết cấu. Các cơng trình thuộc cấp tính năng này đều bị thiệt hại hồn tồn về kinh tế.
2.2 Quy trình tính tốn tải trọng động đất theo TCVN 9386 2012 2.2.1 Xác định giá trị agR
Căn cứ vào bản đồ phân vùng gia tốc nền, chu kỳ lặp lại 500 năm cho nền loại A lãnh thổ Việt Nam hoặc căn cứ phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính để xác định giá trị tỉ số agR (agR Đỉnh của gia tốc nền tham gia chiếu ở địa điểm xây dựng cơng trình).
Đỉnh của gia tốc nền agR cũng có thể lấy theo số liệu được cung cấp bởi cơ quan có thẩm quyền. Các giá trị cho trong bảng đồ phân vùng gia tốc nền và bảng phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính thực chất là các giá trị của tỉ số agR.
2.2.2 Xác định giá trị gia tốc đỉnh đất nền thiết kế
Gia tốc đỉnh đất nền thiết kế ag được xác định Chú ý đối với ag = (agR). (2.5) - - Động đất mạnh ag Động đất yếu 0.04
0.08g phải tính tốn cấu tạo kháng chấn.
ag < 0.08g chỉ cần áp dụng các giải pháp kháng chấn đã được giảm nhẹ.
- Động đất rất yếu ag <0.04g không cần thiết kế kháng chấn.
2.2.3 Nhận dạng điều kiện đất nền theo tác động của động đất
Theo TCVN 9386 2012 có tất cả 7 loại đất nền, bao gồm A, B, C, D, E, S1, S2. Căn cứ vào mặt cắt địa tầng và các số liệu khảo sát địa chấn cơng trình tại khu vực xây dựng và điều kiện đất nền theo tác động của động đất để nhận dạng nền đất phục vụ cho việc tính tốn kháng chấn.
Đất nền được mơ tả các địa tầng, các tham số có trong bảng 2.1 có thể được sử để kể đến ảnh hưởng của điều kiện nền đất tới tác động động đất.
Bảng 2. 1 Các loại đất nền đất theo TCVN 9386 2012.
Loại Mô tả Vs, 30 Các tham số
(m/s) NSPT (Nhát/30cm) Cu (Pa) A
Đá hoặc các kiến tạo địa chất khác tựa đá, kể cả các đất yếu hơn trên bề mặt với bề dày lớn nhất là 5 m.
> 800
(Nguồn Bộ xây dựng, 2012, TCVN 9386 2012 [1])
2.2.4 Xác định hệ số ứng xử q của kết cấu
Đối với hệ khung hoặc hệ khung tương đương (Hỗn hợp khung – vách), có thể xác định gần đúng hệ số ứng xử q như sau (Theo cấp trung bình)
- - -
q = 3.3 Đối với nhà một tầng.
q = 3.6 Đối với nhà nhiều tầng, khung một nhịp.
q = 3.9 Đối với nhà nhiều tầng, khung nhiều nhịp hoặc kết cấu hỗn hợp tương đương khung.
B
Đất cát, cuội sỏi rất chặt hoặc đất sét rất cứng có bề dày ít nhất hàng chục mét, tính chất cơ học tăng dần theo độ sâu.
360 - 800
> 50 > 250
C
Đất cát, cuội sỏi chặt, chặt vừa hoặc đất sét cứng có bề dày lớn từ hàng chục tới hàng trăm mét. 180 - 360 15 – 50 70- 250 D
Đất rời trạng thái từ xốp đến chặt vừa (Có hoặc khơng xen kẹp vài lớp đất dính) hoặc có đa phần đất dính trạng thái từ mềm đến cứng vừa.
< 180 < 15 < 70
E
Địa tầng bao gồm lớp đất trầm tích sơng ở trên mặt với bề dày trong khoảng 5m đến 20m có giá trị tốc độ truyền sóng như loại C, D và bên dưới là các đất cứng hơn với tốc độ truyền sóng Vs lớn hơn 800 m/s.
S1
Địa tầng bao gồm hoặc chứa một lớp đất sét mềm/bùn (bụi) tính dẻo cao (PI lớn hơn 40) và độ ẩm cao, có chiều dày ít nhất là 10m.
<100 (tham khảo)
- 10-20
S2 Địa tầng bao gồm các đất dễ hóa lỏng, đất sét nhạy hoặc các đất khác với các đất trong các loại A-E hoặc S1.
Đối với hệ kết cấu vách cứng hoặc vách cứng có lỗ
- q = 3.6 Hệ kết cấu hỗn hợp tương đương vách cứng, hoặc hệ vách cứng có lỗ (Hệ tường có dầm liên kết).
- q = 3.0*kw Hệ tường/vách cứng chỉ có hai tường/vách cứng (Khơng phải là vách cứng có lỗ).
- q = 3.1*kw Các hệ vách cứng khơng phải là vách cứng có lỗ. Trong đó kw xác định theo công thức
Mà =
0.5 < kw = (1+ 0)/3 1 (2.6)
hwi Chiều cao tường thứ i; lwi Độ dài tường thứ i.
2.2.5 Xác định chu kỳ dao động riêng cơ bản của cơng trình
Đối với cơng trình có chiều cao khơng lớn hơn 40m, giá trị T1 (Tính bằng giây) có thể tính tốn gần đúng theo cơng thức
Trong đó
T1 = Ct.H3/4 (2.7)
- -
-
Ct = 0.085 Đối với khung thép không gian chịu moment.
Ct = 0.075 Đối với khung bê tông không gian chịu moment và khung thép có giằng lệch tâm.
Ct = 0.050 Đối với các cấu kiện khác.
H là chiều cao của cơng trình (Tính bằng m) từ mặt móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới.
2.3 Phương pháp phổ phản ứng
Chuyển động động đất tại một điểm cho trước trên bề mặt được biểu diễn bằng phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, được gọi tắt là phổ phản ứng đàn hồi.
Phổ phản ứng đàn hồi là tên gọi tắt của phổ phản ứng gia tốc đàn hồi, phổ này biểu diễn chuyển động đất tại một điểm cho trước trên bề mặt.
Dạng của phổ phản ứng đàn hồi được lấy như nhau đối với hai mức tác động động đất với yêu cầu không sụp đổ (Trạng thái cực hạn – tác động động đất thiết kế) và đối với yêu cầu hạn chế hư hỏng.
Dạng cong phổ Trong Eurocode 8 kiến nghị dùng hai loại đường cong phổ, đường cong phổ dạng 1 dùng co những vùng có cường độ chấn động Ms 5.5,
đường cong phổ dạng 2 dùng cho những vùng có cường độ chấn động Ms 5.5. trong tiêu chuẩn TCVN 9386 2012 sử dụng đường cong phổ dạng 1 vì phần lớn vùng phát sinh động đất của Việt Nam có cường độ chấn Động Ms 5.5.
Tác động động đất nằm theo phương ngang được mô tả bằng hai thành phần vng góc được xem là độc lập và biểu diễn bằng cùng một phổ phản ứng.
Đối với ba thành phần của tác động động đất, có thể chấp nhận một hoặc nhiều dạng khác nhau của phổ phản ứng, phụ thuộc vào các vùng nguồn và độ lớn động đất phát sinh từ chúng.
Ở những nơi chịu ảnh hưởng động đất phát sinh từ các nguồn rất khác nhau, khả năng sử dụng nhiều hơn một dạng phổ phản ứng phải được xem xét để có thể thể hiện đúng tác động động đất thiết kế. Trong những trường hợp như vậy, thông thường giá trị của ag cho từng loại phổ phản ứng và từng trận động đất sẽ khác nhau.
Đối với các cơng trình quan trọng (γI > 1) cần xét các hiệu ứng khuyếch đại địa hình.
Có thể biểu diễn chuyển động động đất theo hàm của thời gian.
Đối với một số loại cơng trình, có thể xét sự biến thiên của chuyển động nền đất trong không gian cũng như theo thời gian.
Phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang
Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ phản ứng đàn hồi Se(T) được xác định bằng các công thức T TB (2.8) TB T TC Se (T ) ag .S..2,5