CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÓNG CỌC
2.4. THIẾT KẾ MÓNG CỌC
2.4.1. Nguyên lý thiết kế móng cọc
Tuân theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành
2.4.2. Các vấn đề thiết kế
Móng cọc cũng như bất kỳ một hệ kết cấu móng nào 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 môment; 2. Độ lún tổng lớn nhất;
3. Độ lún không đều lớn nhất;
4. Đánh giá giá trị lực cắt, moment đối với kết cấu móng cọc;
5. Đánh giá giá trị moment và sức chịu tải của cọc đối với thiết kế móng cọc.
2.4.3. Quy trình thiết kế móng cọc
Trình bày quy trình thiết kế móng cọc
2.4.4. Quy trình thiết kế móng cọc cho trường hợp móng và khung làm đồng thời với nền thời với nền
Trình bày quy trình thiết kế móng cọc cho trường hợp móng và khung làm đồng thời với nền.
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHUNG KẾT CẤU
3.1. KHÁI NIỆM KHUNG KẾT CẤU
3.1.1. Định nghĩa
Khung kết cấu là một hệ gồm các cột liên kết với các dầm bằng các nút hoặc khớp và liên kết với móng là ngàm hoặc khớp tại mặt móng tạo thành hệ bất biến hình.
Hình 3.1. Sơ đồ tính tốn khung kết cấu
3.1.2. Các ưu điểm của khung kết cấu
Khung kết cấu có các ưu điểm sau:
- Khung có độ cứng tương đối cao, khả năng chịu tải trọng đúng và ngang lớn; - Cho phép sử dụng không gian linh hoạt với phạm vi sử dụng rộng rãi;
- Phổ biến trong các dự án cao tầng hiện nay;
3.2. PHÂN TÍCH CÁC TƯƠNG TÁC TRONG KHUNG KẾT CẤU CĨ HỆ
CỌC BÊN DƯỚI
Phân tích trình bày kết quả của các thử nghiệm tải trọng thẳng đứng tĩnh được thực hiện trên một tịa nhà mơ hình khung được hỗ trợ bởi các nhóm cọc nằm trong đất không cố kết(cát). Ảnh hưởng của tương tác đất đến chuyển vị và chuyển động
quay ở chân cột cũng như momen cắt và uốn trong cột của khung tòa nhà đã đượcxem xét. Kết quả thực nghiệm đã được so sánh với kết quả thu được từ phương pháp phân tích phần tử hữu hạn và phương pháp phân tích thơng thường. Tính phi tuyến của đất ở mặt bên hướng được đặc trưng bởi các đường cong p-y và theo hướng trục bởi các lò xo thẳng đứng phi tuyến chiều dài của cọc (đường cong τ-z) tại các đầu của chúng (đường cong Q-z). Kết quả cho thấy rằng phương pháp cho lực cắt trên cột khoảng 40-60%, momen uốn ở đỉnh cột khoảng 20-30% và ở chân cột nhiều hơn khoảng 75-100% so với kết quả thí nghiệm. Các phản ứng của khung từ các kết quả thử nghiệm phù hợp tốt với phản ứng của khung phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến.
Hình 3.2. Sơ đồ phân tích ảnh hưởng của khung kết cấu đến cọc đơn và nhóm cọc
3.2.1. Phân tích chuyển vị ngang, độ lún và xoay ở chân cột từ kết quả thực nghiệm, FEA tuyến tính và FEA phi tuyến nghiệm, FEA tuyến tính và FEA phi tuyến
Có thể thấy, các biểu đồ được đề cập ở đây cũng thể hiện hành vi tương tự như biểu đồ của biến thể của chuyển vị bên. Do đó, cùng một quan sát có lợi cho cả khu định cư và vòng xoay. Trong tất cả các kết quả nói trên, người ta quan sát thấy độ lệc thu được bằng phân tích tuyến tính lớn hơn so với phân tích phi tuyến khi tải nhỏ. Hàn vi bất thường này là do thực tế là phân tích tuyến tính được thực hiện bằng cách mơ hình hóa đất như một chuỗi các lị xo tuyến tính, với hệ số của phản ứng phụ bê được lấy là 2,551 MN / m3 như được đề xuất bởi IS: 2911-1979 cho loại đất
được sử dụng trong bài tốn hiện tại để tính tốn mùa xn độ cứng, trong khi trong phân tích phi tuyến, đất được mơ hình hóa bằng cách sử dụng các lị xo phi tuyến cho các hướng bên và trục và các đường cong truyền tải phi tuyến được đánh giá từ các biểu thức trong Eqs. (2) - (4) và các thông số cơ bản của đất liên quan đến các biểu thức được tìm thấy từ thí nghiệm trong phịng thí nghiệm đối với đất được sử dụng trong nghiên cứu này. Người ta quan sát thấy rằng độ cứng được đề xuất bởi IS: 2911-1979 cho đất được sử dụng trong nghiên cứu hiện tại để phân tích tuyến tính nhỏ hơn phần tuyến tính ban đầu của các đường cong truyền tải được sử dụng trong phân tích phi tuyến (tức là API mơ hình và các biểu thức được đề xuất bởi McVay et al. (1989)). Cũng rõ ràng từ các tài liệu là độ cứng của đất do Reese et al. (1974) đối với loại đất được sử dụng trong nghiên cứu này là 2,67 lần so với độ cứng được đề xuất bởi IS: 2911-1979. Những điều trên có thể giải thích tại sao độ lệch được tính tốn từ phân tích tuyến tính trong nghiên cứu hiện tại cao hơn so với độ lệch của phân tích phi tuyến.
Hình 3.3. Chuyển vị ngang của chân cột: (a) tải trọng tập trung ở giữa
Hình 3.4. Chuyển vị ngang của chân cột: (a) đầu gần và (b) đầu xa (tải
trọng tập trung lệch tâm)
Hình 3.5. Độ lún ở chân cột: (a) tải trọng tập trung ở giữa và (b) UDL
Hình 3.6. Độ lún ở chân cột: (a) đầu gần và (b) đầu xa (tải trọng tập
Hình 3.7. Chuyển vị xoay ở chân cột: (a) tải trọng tập trung ở giữa và (b)
UDL
Hình 3.8. Chuyển vị xoay ở chân cột: (a) đầu gần và (b) đầu xa (tải trọng
Hình 3.9. Lực cắt: (a) tải trọng tập trung ở giữa, (b) UDL và (c) tải trọng
tập trung lệch tâm
3.2.2. Phân tích lực cắt trong khung bằng phương pháp thơng thường, thí nghiệm, FEA tuyến tính và FEA phi tuyến 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 đoán 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 thơng số thiết kế trong một tịa 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 đoán 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 đốn bằng phương pháp thơng 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 mômen 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.