CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÓNG CỌC
3.2. PHÂN TÍCH CÁC TƯƠNG TÁC TRONG KHUNG KẾT CẤU CÓ HỆ
3.2.2. Phân tích lực cắt trong khung bằng phương pháp thơng thường, thí nghiệm,
nghiệm, FEA tuyến tính và FEA phi tuyến
Lực cắt trong khung dưới tải trọng tập trung, UDL và tập trung lệch tâm tải đã được vẽ trong hình tương ứng. Từ những lý thuyết này, có thể nhận thấy rằng lực cắt được dự đốn theo phương pháp thơng thường ln ở phía cao hơn. Đối với tương đối tải trọng thấp hơn trên khung, lực cắt được dự đoán bởi FEA phi tuyến và
thực nghiệm tuân theo gần với lực cắt bởi FEA tuyến tính. Lực cắt được dự đốn theo phương pháp thơng thường là Cao hơn 40,2% so với FEA tuyến tính cho tất cả các cấp tải. Lực cắt thu được từ thử nghiệm sai lệch 8-10% so với giá trị được FEA phi tuyến đưa ra, điều này chỉ ra rằng mơ hình đất phi tuyến phù hợp tốt với kết quả thí nghiệm. Lực cắt dự đốn theo phương pháp thông thường cao hơn 54-60% so với thử nghiệm đối với tải cao hơn tác động lên khung. Sự khác biệt về lực cắt được dự đốn bởi FEA tuyến tính và phi tuyến chỉ là 15-25%. Do đó, bằng cách cho phép một số sai số biên khi tính tốn lực cắt, chúng ta có thể sử dụng tuyến tính FEA để đánh giá lực cắt thay thế cho FEA phi tuyến nghiêm ngặt trong một số sơ bộ kiểu dáng. Nói chung, chúng tơi sẽ theo phe bảo thủ khi lực cắt tối đa được đưa ra bởi FEA tuyến tính cao hơn FEA phi tuyến.
3.2.3. Phân tích moment uốn ở đầu cột bằng phương pháp thơng thường, thí nghiệm, tuyến tính FEA và FEA phi tuyến
Moment uốn đầu cột của khung chịu tải trọng tập trung và UDL và một trong những điểm cuối gần và đầu xa, tương ứng của khung chịu tải trọng lệch tâm được. Từ các số liệu trên, có thể quan sát thấy mơmen uốn dự đoán theo quy ước cao hơn so với các phương pháp phân tích khác, cho thấy rằng phương pháp thơng thường phân tích để đạt được thời điểm thiết kế là không kinh tế. So với thử nghiệm kết quả là mômen uốn dự đốn theo phương pháp thơng thường cao hơn 20-30%. Điều này cho thấy sự cần thiết phải xem xét sự tương tác của đất trong việc đánh giá các thông số thiết kế trong một tòa nhà khung. Các giá trị mơmen uốn dự đốn bởi FEA phi tuyến và các thí nghiệm khác nhau 5 Chỉ 7%, chỉ ra rằng mơ hình đất phi tuyến rất phù hợp để biểu diễn đất phi tuyến ứng xử của đất. Hơn nữa, mô men uốn được dự đốn theo phương pháp thơng thường là 10-15% cao hơn giá trị của FEA tuyến tính. Vì lý do trên, các nhà thiết kế có thể ưu tiên sử dụng phân tích tuyến tính liên quan đến nền kinh tế trong thiết kế. FEA tuyến tính cho mơmen uốn 7-14% cao hơn so với FEA phi tuyến, chỉ ra rằng mômen uốn được đánh giá bởi tuyến tính FEA sẽ đứng về phía bảo thủ. Điểm cần lưu ý đối với mômen uốn tại đầu cột của khung được dự đoán bằng các phương pháp khác nhau là mặc dù phần trăm biến thiên có
thể khơng lớn, nhưng sự khác biệt là đáng kể vì cường độ uốn khoảnh khắc là bội số của hàng nghìn.
Hinh 3.10. Moment uốn ở đầu cột tại: (a) tải trọng tập trung ở giữa và
(b) UDL
Hinh 3.11. Moment uốn ở đầu cột tại: (a) đầu gần và (b) đầu xa (tải
trọng tập trung lệch tâm)
3.2.4. Phân tích moment uốn ở chân cột bằng phương pháp thơng thường, thí nghiệm, tuyến tính FEA và FEA phi tuyến
Sự biến đổi của mômen uốn ở chân cột của khung dưới trọng tâm tải trọng tập trung và UDL. Những con số này cho thấy rằng, đối với phương pháp thông thường và FEA tuyến tính, khi tải trọng làm tăng moment uốn tăng theo cách tuyến tính, vì các đường cong tải trọng dịch chuyển là tuyến tính. Phương pháp thơng thường cho giá trị mômen uốn cao hơn 97% so với giá trị của FEA tuyến tính bất kể lượng tải
trên khung. Mơmen uốn do các thí nghiệm đưa ra cũng phù hợp với mômen uốn của FEA phi tuyến với độ dao động từ 15-25%. Hơn nữa, mômen uốn ở gốc của cột thay đổi dấu hiệu của nó, khi tải đạt đến giá trị nào đó. Điều này là do thực tế rằng tải trọng tương đối nhỏ hơn lên khung, cột được liên kết cứng với mũ cọc và đất trong phạm vi tuyến tính của nó do đó nó hoạt động giống như một khung có đế cố định. Khi tải trọng trên khung tăng lên, kết nối giữa chân cột và nắp cọc trở nên cứng một phần và hoạt động của đất sẽ ở trong phạm vi phi tuyến, sự gia tăng độ quay của mũ cọc sẽ rất cao do đó bản chất của uốn của cột ở chân sẽ thay đổi dấu hiệu của nó. Phương pháp thơng thường đưa ra một moment uốn ở chân cột cao hơn 70-100% so với thực nghiệm.
Hinh 3.12. Moment uốn ở chân cột tại: (a) đầu gần và (b) đầu xa (tải
trọng tập trung lệch tâm)
Hinh 3.13. Moment uốn ở chân cột tại: (a) đầu gần và (b) đầu xa (tải
3.2.5. Kết quả của tương tác
Dựa trên kết quả của các điều tra thực nghiệm và số lượng hiện tại trên mơ hình xây dựng khung tựa trên nhóm cọc nhúng trong đất khơng dính kết, các kết luận sau là:
- Khi tải trọng lên khung tăng lên, hoạt động của khung về độ dịch chuyển và xoay ở chân cột được dự đốn bởi FEA tuyến tính, FEA phi tuyến và thử nghiệm dường như tuyến tính đối với tải tương đối nhỏ hơn. Đối với phạm vi tải cao hơn, kết quả thử nghiệm cho thấy một sự biến đổi phi tuyến tính và độ lệch đáng kể so với các kết quả FEA tuyến tính;
- Các chuyển vị và phép quay từ các kết quả thực nghiệm và FEA phi tuyến cho thấy một chênh lệch tối đa khoảng 15%, cho thấy rằng các đường cong phi tuyến được sử dụng để mơ tả ứng xử của đất nói chung là tốt để đại diện cho phản ứng chuyển tải của đất. Vì khung chịu tải trọng tập trung lệch tâm, dịch chuyển bên lớn hơn, quay và nhỏ hơn sự lắng đọng được tạo ra ở chân cột của đầu xa tải. Hành vi này của độ lún và độ quay vi sai có thể làm thay đổi mơmen uốn ở chân cột;
- Các độ lệch được ước tính bằng phân tích tuyến tính sử dụng độ cứng của đất được đề xuất bởi IS: 2911- Năm 1979 cao hơn những gì được tính tốn bằng phân tích phi tuyến sử dụng độ cứng thực tế của đất (phần tuyến tính ban đầu của các đường cong truyền tải trọng);
- Phương pháp phân tích thơng thường cho lực cắt cao hơn khoảng 40% so với lực cắt của FEA tuyến tính bất kể lượng tải trên khung và cao hơn khoảng 40-60% từ kết quả thực nghiệm. Khi tải trọng tác động lên khung tăng, phần trăm của sự thay đổi của lực cắt được dự đoán bằng phương pháp thông thường đối với sự thay đổi của lực cắt kết quả thí nghiệm cũng tăng lên;
- Phương pháp thông thường cho mômen uốn ở đỉnh cột là 20-30% cao hơn so với kết quả thử nghiệm, nhưng sự khác biệt như vậy vẫn đáng kể vì Giá trị mơmen
uốn là bội số của hàng nghìn. Mơmen uốn ở cuối gần của khung cao hơn đầu xa đối với trường hợp tải trọng tập trung lệch tâm;
- Phương pháp thông thường cho mômen uốn ở chân cột là 75 - 100% cao hơn so với kết quả thực nghiệm. Đối với độ lệch tâm danh nghĩa được đưa ra cho tải trọng tập trung (10% chiều dài của dầm), phương pháp thông thường cho giá trị cao hơn mômen uốn ở chân cột của đầu xa hơn tải trọng so với mômen uốn ở chân cột của đầu xa hơn tải trọng ở đầu gần, nhưng kết quả thực nghiệm cho mômen uốn ở đầu xa tải thấp hơn một ở cuối gần. Điều này có nghĩa là sự uốn cong ở chân cột của phần cuối gần phải được coi là tham số thiết kế quản lý. Đáp ứng của khung về các thông số thiết kế (tức là mơmen cắt và uốn) so với phương pháp phân tích thơng thường ln ở phía cao hơn bất kể mức độ.
3.3. CÁC VẤN ĐỀ XEM XÉT CHO THIẾT KẾ KHUNG KẾT CẤU
3.3.1. Các yêu cầu về phương pháp tính tốn thiết kế khung kết cấu
Kết cấu có vai trị rất quan trọng, nó là bộ phận chịu lực chính cho cơng trình. Kết cấu cơng trình gồm nhiều bộ phận như sàn, dầm, cột, vách, móng… Để đảm bảo việc thiết kế được hoàn hảo các đơn vị liên quan cần chú ý ván đề sau:
- Việc thiết kế kết cấu nhà được đơn giản hố dựa trên kết quả phân tích của mơ hình kết cấu đàn hồi tuyến tính. Điều này cũng được áp dụng trong giai đoạn thiết kế ban đầu ở những nước có động đất mạnh. Với việc giả thiết mơ hình kết cấu đơn giản như vậy ta hồn tồn có thể sử dụng ngun lý cộng tác dụng trong q trình phân tích nội lực kết cấu, tức là việc tổ hợp theo tải trọng hay theo nội lực đều khơng có gì khác biệt;
- Nhiệm vụ của người thiết kế là phải tìm ra được những trường hợp bất lợi nhất cho từng vị trí mặt cắt của các cấu kiện kết cấu dưới tác dụng của các ngoại lực có thể xảy ra. Hay nói cách khác là phải xác định được yêu cấu lớn nhất có thể có về hàm lượng thép, bố trí thép, và tiết diện mặt cắt cho từng cấu kiện;
- Tác dụng dụng của các tải trọng thiết kế như tĩnh tải, gió (gồm gió trái, phải, trước, và sau), và lực động đất tĩnh tương đương (theo phương từ trái, phải, trước, và sau) lên một cơng trình nào đó đều được quy định có sự phân bố khơng thay đổi. Do vậy ta có thể tìm ra được trường hợp bất lợi cho những loại tải trọng này bằng cách tổ hợp theo tải trọng hay theo nội lực.
- Đối với hoạt tải thì việc tác dụng của nó có thể có rất nhiều trường hợp phân bố khác nhau, và thực tế ta khó có thể xét hết được tất cả các trường hợp có thể xảy ra. Quy định trong các tiêu chuẩn cũng chỉ là chung chung, còn cụ thể cho từng trường hợp thì anh em kết cấu phải tự chủ động xử lý cho hợp lý,…
3.3.2. Phương pháp giám sát
Do thực tế, đối với thiết kế kết cấu cần tuân thủ theo các tiêu chuẩn hiện hành. Trong giai đoạn xây dựng và giai đoạn sử dụng, giám sát phải thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Xác minh mơ hình tính tốn và các thơng số được sử dụng; - Phát hiện sớm các trạng thái tới hạn;
- Xác minh cơng trình liên quan đến các biến dạng dự đoán trước; - Bảo đảm chất lượng và bảo quản bằng chứng.
3.4. THIẾT KẾ KHUNG KẾT CẤU
3.4.1. Nguyên lý thiết kế khung kết cấu
Tuân theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành
3.4.2. Các vấn đề thiết kế
Khung kết cấu cũng như các kết cấu khác, đều yêu cầu phải nhận xét, đánh giá và kết luận một số vấn đề quan trọng cho thiết kế sau:
1. Khả năng giới hạn mang tải thẳng đứng, tải ngang và moment; 2. Độ ổn định của khung kết cấu;
3. Đánh giá giá trị lực cắt, moment đối với khung kết cấu;
4. Đánh giá giá trị moment và sức chịu tải của cọc đối với thiết kế khung kết cấu.
3.4.3. Quy trình thiết kế khung kết cấu
Trình bày quy trình thiết kế khung kết cấu.
3.4.4. Quy trình thiết kế khung kết cấu cho trường hợp móng và khung làm đồng thời với nền đồng thời với nền
Trình bày quy trình thiết kế khung kết cấu cho trường hợp móng và khung làm đồng thời với nền.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH - MĨNG CỌC – ĐẤT NỀN CÙNG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI
4.1. CƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG
4.1.1. Giới thiệu
Cơng trình để nghiên cứu có 19 tầng cao và 1 tầng hầm, mặt bằng tầng điển hình thể hiện trên hình 5.1
Hình 5.1. Mặt bằng tầng điển hình
4.1.2. Thông số đất nền
Các thông số về đất nền lấy theo cơng trình Chung cư Nhà ở xã hội An Phú Thịnh, địa chỉ 170 Lê Hồng Phong, Thành phố Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định
- Sức chịu tải cọc đơn, nhóm cọc và sức chịu tải móng cọc; - Độ lún của móng cọc;
- Chọn chiều dày đài móng; - Chọn số lượng và kích thước cọc.
4.3. MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM SAP 2000
4.3.1. Mơ hình chân cột ngàm tại mặt móng
Phân tích nội lực theo phương pháp truyền thống xem chân cột ngàm tại mặt móng và cơng trình chỉ chịu tĩnh tải và hoạt tải (khơng xét đến gió và động đất)
4.3.2. Mơ hình cơng trình – móng cọc – đất nền cùng làm việc
Trên hình 5.3 minh họa cách mô phỏng, áp dụng phần mềm Sap 2000 với đất nền được mô phỏng bằng phần tử Solid để phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền với phương án móng cọc. Tương tự như mục 4.3.1 chỉ xét trường hợp cơng trình chịu tĩnh tải và hoạt tải (khơng xét đến gió và động đất).
Hình 5.2. Mơ phỏng móng – cơng trình – đất nền trên phần mềm sap 2000
4.4. MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PLAXIS 3D
Sử dụng công cụ PLAXIS Coupling tool trong Plaxis 3D để kết nối các ứng dụng trong Plaxis 3D và Sap 2000. Trong công cụ này cho phép người dùng trực tiếp kết nối mơ hình kết cấu bên trên và nền đất bên dưới để phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền.
Hình 5.3. Phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền, sử dụng công cụ PLAXIS Coupling tool trong Plaxis 3D
4.5. SO SÁNH ĐÁNH GIÁ CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN
4.5.1. Nội lực trong khung
So sánh và đánh giá nội lực trong khung theo các phương pháp phân tích nội lực trong mục 4.3.1, 4.3.2 và 4.4.
4.5.2. Nội lực và biến dạng trong móng cọc
So sánh nội lực và biến dạng trong móng cọc theo các mơ hình phân tích trên sap 2000 và Plaxis 3D, ứng với trường hợp phân tích móng và khung làm việc đồng thời với nền, và trường hợp chỉ xét phần móng cọc – đất nền.
4.5.3. Độ lún của móng cọc
So sánh độ lún của móng theo các phương pháp giải tích được trình bày ở chương 3 và mô phỏng trên phần mềm Sap 2000 và plaxis 3D, ứng với trường hợp phân tích móng và khung làm việc đồng thời với nền, và trường hợp chỉ xét phần móng cọc – đất nền.
4.5.4. Phân chia tải trọng cho các cọc
So sánh sự phân chia tải cho các cọc theo các phương pháp giải tích được trình bày ở chương 2 và mơ phỏng trên phần mềm Sap 2000 và plaxis 3D, ứng với trường hợp phân tích móng và khung làm việc đồng thời với nền, và trường hợp chỉ xét phần móng cọc – đất nền.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Dự kiến đưa ra các kết luận sau:
- Khả năng áp dụng của phần mềm Sap 2000 trong việc phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền;
- Cách bố trí cọc để nội lực cọc cũng như kết cấu bên trên nhỏ nhất;
- Giá trị về độ lún lệch giới hạn cho phép của các chân cột có thể phân tích nội lực theo phương pháp truyền thống xem chân cột ngàm tại mặt móng;
- Về sự phân chia tải cho các cọc;
- Phương pháp tính lún thích hợp cho móng cọc;
KIẾN NGHỊ
Dự kiến đưa ra các kiến nghị sau:
- Áp dụng phần mềm Sap 2000 trong việc phân tích bài tốn móng và khung làm việc đồng thời với nền;
- Cách bố trí cọc để nội lực cọc cũng như kết cấu bên trên nhỏ nhất;
- Giá trị về độ lún lệch giới hạn cho phép của các chân cột có thể phân tích nội lực theo phương pháp truyền thống xem chân cột ngàm tại mặt móng;
- Phương pháp tính lún cho móng cọc;