3.1.2 Kích thƣớc các cấu kiện
Để đơn giản các cấu kiện của cơng trình sử dụng tồn bộ thép hình cho cả cấu kiện dầm, cột. Kích thước các cấu kiện dầm, cột và lõi thanh giằng BRB được thể hiện ở bảng 3.1. Các kích thước dầm và giằng BRB giảm dần sau một số tầng nhất định.
25
Bảng 3.1 Kích thước các cấu kiện trong mơ hình
Tầng Dầm Cột Diện tích lõi BRB (cm2(in2))
6 W18x55 W14x34 16,1 (2,50) 5 W18x55 W14x34 19,4 (3,00) 4 W18x55 W14x48 22,6 (3,50) 3 W18x55 W14x48 25,8 (4,00) 2 W18x55 W14x74 29,0 (4,50) 1 W18x55 W14x74 32,2 (5,00) 3.1.3 Tải trọng tác dụng - Tải trọng đứng
Tải trọng đứng tác dụng lên cơng trình bao gồm tỉnh tải và hoạt tải. Tuy nhiên vì luận văn khơng tập trung đánh giá sự ảnh hưởng của tải trọng đứng đến sự làm việc của BRB nên tải trọng đứng chỉ được đưa vào mơ hình dưới dạng tải phân bố đều tác dụng trực tiếp lên sàn.
26
- Tải trọng ngang.
Đối với luận văn này tải trọng ngang được đưa vào tính tốn dưới dạng tải trọng động đất nhằm đánh giá khả năng làm việc của thanh giằng BRBs. Ba phổ động đất của trận động đất Northridge (1994) được đưa vào mơ hình để phân tích.
27
3.2 Thiết lập thơng số mơ hình 3.2.1 Phần tử dầm, cột
Tất các các phần tử dầm và cột được xem là phần tử thanh và được mô phỏng bằng các yếu tố elasticBeamColumn trong OpenSees. Giả định này là hợp lý vì cả dầm và cột đều được thiết kế để duy trì bản chất đàn hồi.
Cột được mơ hình hóa liên tục giữa các tầng với chỗ nối giữa các tầng được mơ hình như các liên kết ngàm. Cột và dầm được đưa vào mơ hình sử dụng vật liệu “Steel01” trong OpenSees với các thơng số được thể hiện trong hình sau.
Bảng 3.2 Thông số vật liệu “Steel01” được thiết lập trong OpenSees
3.2.2 Giằng chống oằn (BRB)
Lõi thép của thanh giằng chống oằn được xem là một trong những bộ phận quan trọng nhất của thanh giằng.
Giằng chống oằn (BRB) được mơ hình trong OpenSees bằng phần tử “Truss”. Vùng lõi của BRB được mô phỏng với vật liệu “Steel02”. Độ cứng của vật liệu đã được thiết lập ở mức tối thiểu và các modul đàn hồi của vật liệu được tăng 1,5 lần để đảm bảo các thanh BRB đàn hồi thực tế hơn. Thông số được hiệu chuẩn từ các bài kiểm tra được tiến hành bởi Black và cộng sự [11] Hình 3.6 và được thể hiện trong bảng 3.2.
28
Hình 3.4 Kết quả thực nghiệm và toán trên OpenSees với “Steel02” bởi
Black và cộng sự [11]
29
Chƣơng 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Kết quả tính tốn mơ hình.
Để đánh đánh giá hiệu quả của hệ thống giằng BRB cũng như xác suất phá hoại của kết cấu khung thép nhà cao tầng. Luận văn này tiến hành nghiên cứu với tòa nhà 6 tầng 4 nhịp chịu tải trọng động đất Northridge (1994) với 3 mô hình tính tốn so sánh như sau:
- Mơ hình thứ nhất: Khung nhà sử dụng hệ thống BRBs và khung nhà không
sử dụng hệ thống giằng chống động đất.
- Mơ hình thứ hai: Khung nhà sử dụng hệ thống BRBs và khung nhà sử dụng
hệ thống giằng đồng tâm thông thường OCBF.
- Mơ hình thứ ba: Khung nhà sử dụng hệ thống BRBs được bố trí ở khung
giữa của tòa nhà và Hệ thống BRBs được bố trí ở khung biên của tịa nhà. Ngồi ra kích thước các cấu kiện, tải trọng tác dụng và các thông số được thiết lập theo các thông số ở chương 3 của luận văn đồng thời nó hồn tồn giống nhau giữa 2 mơ hình.
4.1.1 Mơ hình thứ nhất.
Mơ hình so sánh thứ nhất sử dụng 2 hệ khung tòa nhà 6 tầng 4 nhịp hồn tồn giống nhau với tịa nhà thứ nhất có sử dụng hệ thống giằng chống động đất BRBs, tịa nhà thứ 2 khơng sử dụng hệ thống giằng chống động đất. Tải trọng tác dụng và các thông số được thiết lập theo các thông số ở chương 3 của luận văn này và hồn tồn giống nhau giữa 2 mơ hình.
Tịa nhà 1 Tịa nhà 2
Hình 4.1 Mơ hình 2 tịa nhà 6 tầng 4 nhịp với tòa nhà thứ nhất được tăng cường hệ
30
4.1.2 Kết quả tính tốn 4.1.2.1 Chuyển vị 4.1.2.1 Chuyển vị
Chuyển vị được tính tốn dựa trên chuyển vị nút trên sàn bằng cách cho tải trọng động đất Northridge (1994) tác dụng vào 2 mơ hình tịa nhà, kết quả chuyển vị được ghi lại sau 05 giây gia tải. Kết quả được thống kê theo các tầng cơ bản như sau:
Hệ khung không sử dụng BRBs Hệ khung có sử dụng BRBs
Tầng 1
Tầng 2
31
Tầng 4
Tầng 5
Tầng 6
32
Hình 4.2 Kết quả chuyển vị tầng giữa 2 mơ hình tính tốn
Qua kết quả tính tốn của phần mềm OpenSees về chuyển vị của các tầng đối với mơ hình khung thép thơng thường và khung thép được bổ sung thêm hệ thống giằng chống oằn (BRBs). Ta có thể rút ra được các đánh giá sau:
- Sử dụng hệ giằng chống oằn trong kết cấu nhà khung thép chịu tải trọng động
đất giúp cho chuyển vị của toàn bộ khung kết cấu ổn định và biến thiên tương đối đồng đều.
- Hệ khung sử dụng hệ giằng BRBs có chuyển vị giảm hơn 50% so với hệ khung kết cấu truyền thống không được gia cố giằng chống oằn.
- Chuyển vị ngang khung trôi tầng của khung cũng giảm đáng kể, làm giảm khả năng phá hoại cơng trình.
33
4.1.2.2 Nội lực
Hệ khung khơng sử dụng BRBs Hệ khung có sử dụng BRBs
Fx (lực dọc)
Fy (lực cắt)
Mz (momen uốn)
34
Qua kết qua tính tốn của phần mềm OpenSees về biểu đồ nội lực của mô hình khung thép truyền thống khơng sử dụng BRBs và khung thép có sử dụng hệ thống giằng chống oằn (BRBs) ta có thể rút ra được một số đánh giá về tác động của hệ giằng chống oằn (BRBs) và nội lực của hệ khung kết cấu như sau:
- Hệ giằng chống oằn được bổ sung thêm vào khung kết cấu về cơ bản không
là giảm nội lực Fx và Fy trong kết cấu khung chịu lực.
- Hệ giằng chống oằn được bổ sung thêm vào khung kết cấu làm giảm đáng kể
momen Mz của toàn bộ kết cấu dầm, cột của hệ khung chịu lực.
4.1.3 Kiểm tra hệ giằng BRBs
Để đánh giá được quá trình làm việc cũng như đánh giá khả năng chống oằn của hệ giằng BRBs chúng ta đi kiểm tra biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị của hệ thành giằng BRBs. Kết quả tính toán được thiết lập trên phần mềm OpeenSees và được thể hiện ở bản sau:
Tầng 1
35
Tầng 3
Tầng 4
Tầng 5
Tầng 6
36
Qua kết quả tính tốn của phần mềm OpenSees về mối quan hệ giữa lực và chuyển vị của thanh giằng BRB được thể hiện ở bảng trên ta có thể rút ra được một số đánh giá sự làm việc cũng như tác động của tải trọng động đất đến hệ giằng chống oằn (BRBs) như sau:
- Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị trong thanh giằng BRB là biểu đồ tuần
hoàn. Điều này cho thấy thanh giằng BRB không bị phá hủy khi chịu các tải trọng tuần hoàn.
- Chuyển vị của thanh giằng BRB giảm theo chiều cao tầng. Việc này cho thấy
khi lựa chọn kích thước hệ giằng BRB sử dụng để chống động đất cần giảm tương ứng với chuyển vị cũng như lực tác dụng vào thành giằng BRB theo từng tầng.
4.2 Mơ hình thứ 2.
Mơ hình so sánh thứ 2 được sử dụng để so sánh, đánh giá hiệu quả giữa khung nhà thép sử dụng hệ thống chống oằn BRBs và khung nhà sử dụng hệ thống giằng đồng tâm thông thường OCBF.
Với giằng OCBF được thiết lập trong OpeenSees với vật liệu “Steel01” với các thông số được thiết lập như sau:
Bảng 4.1 Bảng thông số thiết lập của thanh giằng OCBF trong OpenSees
Trong mơ hình so sánh thứ 2 này ta vẫn sử dụng tải trọng của trận động đất Northridge (1994) để sử dụng tính tốn. Tuy nhiên, để đánh giá sâu hơn về khả năng chịu tải trọng tuần hoàn cũng như xác suất phá hoại của hệ giằng BRB và OCBF, ta tiến hành gia tải liên tiếp 2 lần tải của trận động đất Northridge (1994) với giản đồ gia tốc nền như sau:
37
Hình 4.5 Giản đồ gia tốc 2 trận động Northridge (1994) liên tiếp
được đưa vào mơ hình tính tốn.
4.2.1 Kết quả tính tốn
Tương tự như mơ hình so sánh thứ nhất. Các kết quả tính tốn của mơ hình thứ 2 cũng được lấy lần lượt ở giây thứ 05 của lần gia tải thứ nhất và gia tải thứ 2. Kết quả tính tốn được thể hiện như sau:
4.2.1.1 Chuyển vị
BRB OCBF
Tầng 1
38
Tầng 3
Tầng 4
Tầng 5
Tầng 6
39
Qua kết quả tính tốn trên mơ hình ta có thể rút ra được một số đánh giá sau về hiệu quả của hệ thống giằng chống oằn BRBs và OCBFs như sau:
- Chuyển vị của của các tầng hầu như tăng không đáng kể so với chuyển vị khi
được gia tải lần đầu tiên.
- Chuyển vị của hệ khung sử dụng hệ thống BRBs có giá trị nhỏ hơn nhiều so
với hệ khung sử dụng hệ giằng OCBFs. Điều này cho thấy được hiệu quả của hệ giằng BRB trong việc hạn chế chuyển vị trôi tầng của khung nhà thép chịu tải trọng động đất.
- Qua biểu đồ chuyển vị của khung nhà sử dụng hệ giằng OCBF cho thấy sau
mỗi lần chịu tải chuyển vị của hệ khung kết cấu ln bị lệch so với vị trí ban đầu một đoạn l1,l2 tương ứng sau mỗi đợt gia tải. Chuyển vị lệch sau các lần gia tải bằng với tổng các chuyển vị lệch của các lần gia tải trước đó (Hình 4.7), với l l1 l2
Hình 4.7 Biều đồ chuyển vị lệch sau các lần gia tải của khung sử dụng
40 4.2.1.2 Nội lực BRB CBF Fx ở giây 4,9 Fy ở giây 4,9 Mz ở giây 1,9 Fx ở giây 35,97
41
Fy ở giây 35,97
Mz ở giây 32,97
Hình 4.8 Bảng so sánh biểu đồ nội lực của khung sử dụng giằng BRB và OCBF
Từ kết quả so sánh về nội lực giữa 2 mơ hình ra có thể rút ra một số đánh giá sau: Biểu đồ nội lực trong khung nhà sử dụng hệ thống giằng BRB và OCBF khi chịu tải trọng động đầu tiên về cơ bản không khác nhau quá nhiều. Tuy nhiên sau khi tiếp tục gia tải lần thứ 2 thì nội lực trong khung nhà sử dụng hệ thống giằng OCBF lớn hơn so với nội lực trong khung sử dụng hệ giằng BRB. Điều này cho thấy nhược điểm lớn của hệ thống CBF là tích lũy biến dạng sau các lần gia tải làm lệch tâm hệ thống khung dẫn đến phát sinh và tích lũy nội lực trong khung sau các lần chịu tải tác dụng.
42
4.2.1.3 Đánh giá sự làm việc của BRB và CBF
BRB CBF
Sau khi gia tải lần đầu
Sau khi gia tải lần 2
Hình 4.9 Bảng so sánh biểu đồ quan hệ lực chuyển vị của giằng BRB và OBCF
Kết quả sau khi chạy mơ hình ta có một số đánh giá về các tác động của tải trọng động đất cũng như phản ứng của hệ thống BRB và OCBF như sau:
Hệ thống giằng BRB cho phép thanh giằng đàn hồi dẻo tái bền sự suy giảm về độ cứng của thành giằng BRB qua các lần chịu tác dụng của tải trọng không lớn chỉ khoảng 2% trên giá trị chuyển vị của lần đó và lõi giằng BRB hầu như trở lại trạng thái ban đầu trước khi chuyển vị. Trong khi đó đối với thanh giằng OCBF
43
đúng như những đánh giá ở chương 2 thanh giằng OCBF không thể đàn hồi tái bền sự suy giảm về chuyển vị của thanh giằng OCBF là tương đối lớn khoản 10% và hầu như không thể đàn hồi về vị trí ban đầu trước khi chuyển vị, chính hiệu ứng tăng trưởng này là nguyên nhân chính làm giảm khả năng chịu tải oằn của giằng OCBF khi gặp các trận động đất lớn.
4.3 Mơ hình thứ 3
Qua 2 mơ hình so sánh trên ta thấy được ưu điểm vượt trội của hệ thống sử dụng giằng chống oằn BRB. Tuy nhiên để đánh giá được về cấu tạo cũng như việc bố trí hệ giằng BRBs trong khung sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ kết cấu và tìm ra phương án bố trí hệ giằng BRBs tối ưu. Vì thế trong nội dung của luận văn này tác giả tiến hành sánh Mơ hình thứ 3 về để đánh giá hiệu quả của việc bố trí hệ giằng BRBs ở giữa khung kết cấu và việc bố trí hệ thống chống oằn BRBs ở biên.
Với hệ giằng BRB và khung thép được thiết lập hoàn toàn giống nhau ở cả 2 mơ hình trong OpeenSees.
Các mơ hình được bố trí như sau:
Khung thép bố trí hệ BRBs giữa Khung thép bố trí hệ BRBs biên
Hình 4.10 Mơ hình 2 khung nhà sử dụng hệ giằng BRBs biên và BRBs giữa 4.2.2 Kết quả tính tốn
Tương tự như 2 mơ hình so sánh trước đó. Các kết quả tính tốn của mơ hình thứ 3 cũng được lấy lần lượt ở giây thứ 05 sau khi gia tải và tải trọng sử dụng là tải trọng động đất Northridge (1994).
44
4.2.2.1 Chuyển vị
Hình 4.11 Bảng so sánh biểu đồ chuyển vị của hệ khung sử dụng BRBs biên
và BRBs giữa nhịp
Khung thép bố trí hệ BRBs giữa Khung thép bố trí hệ BRBs biên
Tầng 1
Tầng 2
45
Tầng 4
Tầng 5
Tầng 6
Kết quả từ việc tính tốn, so sánh chuyển vị của mơ hình khung nhà thép sử dụng hệ giằng BRBs được bố trí ở giữa và biên của khung nhà ta có thể rút ra được một số nhận xét sau:
Chuyển vị trôi tầng của khung bố trí hệ giằng BRBs ở biên nhỏ hơn so với khung được bố trí hệ giằng ở giữa khoản 6,7%. Điều này cho thấy việc bố trí các hệ giằng BRB tác động trực tiếp đến sự làm việc của kết cấu khung, cụ thể việc bố trí hệ giằng BRBs ở biên của hệ khung kết cấu giúp hạn chế chuyển vị ngang của hệ khung kết cấu hơn so với việc bố trí hệ giằng BRBs ở giữa.
46
4.2.1.1 Nội lực
Hình 4.12 Bảng so sánh biểu đồ nội lực khung sử dụng hệ giằng
BRBs biên và BRBs giữa nhịp
Fx
Fy
47
Qua kết quả so sánh biểu đồ nội lực ở trên ra có thể đưa ra một số nhận xét về việc bố trí hệ giằng BRBs tác động đến việc phân phối nội lực trong hệ kết cấu khung như sau:
Lực dọc Fx: Việc bố trí hệ giằng ở giữa khung kết cấu giúp lực dọc Fx trong hệ
khung kết cấu nhỏ hơn đáng kể so với việc bố trí hệ giằng BRBs ở biên khung kết cấu.
Lực ngang Fy: Hầu như việc bố trí hệ giằng BRBs ở biên hay giữa khung kết
cấu không ảnh hưởng lớn về mặt giá trị độ lớn của nội lực Fy trong khung. Tuy nhiên việc bố trí hệ giằng BRBs ở giữa khung kết cấu làm nội lực Fy có giá trị lớn ở các tầng thấp, cịn việc bố trí hệ giằng ở biên làm nội lực Fy có giá trị lớn ở các tầng giữa.
Momen Mz: Tương tự với việc phân bố nội lực Fy trong khung, Momen Mz
trong khung cũng hầu như khơng có sự chênh lệch về độ lớn của Momen Mmax
trong hệ khung. Tuy nhiên việc bố trí hệ khung khác nhau làm momen trong khung được phân bố lại, cụ thể: đối với hệ khung bố trí hệ giằng BRBs ở giữa khung kết cấu làm Momen tập trung chủ yếu ở các cấu kiện biên và phân bố giá