2. QUY TRèNH THIẾT KẾ
2.6.6. Cỏc phương phỏp mụ phỏng tải trọng động đất
Tải trọng động đất cú thể mụ phỏng thành nhiều phương phỏp khỏc nhau, nhưng hiện nay cú hai phương phỏp đang được sử dụng rộng rói: lực ngang tương đương và phổ thiết kế
2.6.6.1. Phương phỏp tĩnh lực ngang tương đương
Tải trọng động đất được quy đổi thành lực ngang tương đương khi kết cấu đỏp ứng hai điều kiện sau
1 4 2 C T T s ⎧ ≤ ⎨ ⎩
♦ Thỏa món những tiờu chớ về tớnh đều đặn mặt đứng
Theo mỗi phương nằm ngang được phõn tớch, lực cắt đỏy động đất ( )1 b d F =S T mλ trong đú ( )1 d
S T : tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1
1
T là chu kỳ dao động cơ bản của nhà do chuyển động ngang theo phương đang xột
m là tổng khối lượng của nhà ở trờn múng hoặc ở trờn đỉnh của phần cứng phớa dưới
λ là hệ số hiệu chỉnh lấy như sau λ=0.85 nếu T1≤2TC với nhà cú trờn 2 tầng hoặc λ =1 với cỏc trường hợp khỏc
Tỏc động động đất phải được xỏc định bằng cỏch đặt cỏc lực ngang Fi
vào tất cả cỏc tầng ở hai mụ hỡnh phẳng i i i b j j s m F F s m = ∑ trong đú i F là lực ngang tỏc dụng tại tầng thứ i b F là lực cắt đỏy do động đất tớnh theo Fb =Sd( )T mλ1 ; i j
s s lần lượt là chuyển vị của khối lượng m mi; j trong dao động cơ bản xuất từ Etabs
;
i j
m m là khối lượng của cỏc tầng xuất từ Etabs.
Khi dạng dao động cơ bản được lấy gần đỳng bằng cỏc chuyển vị nằm ngang tăng theo tuyến tớnh dọc theo chiều cao
i i i b j j z m F F z m = ∑ trong đú
;
i j
z z là độ cao của khối lượng m mi; j so với điểm đặt tỏc động động đất (mặt múng hoặc đỉnh múng của phần cứng phớa dưới).
2.6.6.2. Phổ thiết kế dựng cho phõn tớch đàn hồi
Phương phỏp này cần được ỏp dụng cho nhà khụng thỏa món những điều kiện nờu trong 2.6.6.1 khi ứng dụng phương phỏp phõn tớch tĩnh lực ngang tương đương.
Phải xột tới phản ứng của tất cả cỏc dạng dao động gúp phần đỏng kể vào phản ứng tổng thể của nhà. Cỏc yờu cầu này cú thể thỏa món nếu đạt được một trong hai điều kiện sau
♦ Tổng cỏc khối lượng hữu hiệu của cỏc dạng dao động được xột chiếm ớt nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu.
♦ Tất cả cỏc dạng dao động cú khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng khối lượng đều được xột đến.
Ghi chỳ: Xỏc định tỉ số khối lượng tham gia như hỡnh vẽ (SumUX và sum UY) Nếu cỏc yờu cầu trờn khụng thỏa món (vớ dụ trong nhà và cụng trỡnh mà cỏc dao động xoắn gúp phần đỏng kể) thỡ số lượng tối thiểu cỏc dạng dao động k được xột trong tớnh toỏn khi phõn tớch khụng gian cần thỏa món hai điều kiện sau
3
k≥ n và Tk ≤0.2s
trong đú
k là số dao động được xột tới trong tớnh toỏn
n là số tầng ở trờn múng và hoặc đỉnh của phần cứng phớa dưới
k
Khả năng khỏng chấn của hệ kết cấu trong miền phi tuyến thường cho phộp thiết kế kết cấu với cỏc lực động đất bộ hơn so với cỏc lực ứng với phản ứng đàn hồi tuyến tớnh.
Để trỏnh với phõn tớch trực tiếp cỏc kết cấu khụng đàn hồi, người ta kể đến khả năng tiờu tỏn năng lượng chủ yếu thụng qua ứng xử dẻo của cỏc cấu kiện của nú bằng cỏch phõn tớch đàn hồi dựa trờn phổ phản ứng được chiết giảm từ phổ phản ứng đàn hồi, vỡ thế phổ này được gọi là phổ thiết kế. Sự chiết giảm này được thực hiện bằng cỏch đưa vào hệ số ứng xử q.
Đối với cỏc thành phần nằm ngang của tỏc động động đất, phổ thiết kế
( )
d
S T được xỏc định bằng cỏc biểu thức sau
2 2,5 2 0 : ( ) . . 3 3 B d g B T T T S T a S T q ⎡ ⎛ ⎞⎤ ≤ ≤ = ⎢ + ⎜ − ⎟⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦; 2, 5 : ( ) . . B C d g T T T S T a S q ≤ ≤ = ; ( ) 2.5 . . . : . C g C D d g T a S q T T T T S T a β ⎧= ⎪ ≤ ≤ ⎨ ⎪≥ ⎩ ; ( ) 2 . 2,5 . : . C D g D d g T T a S q T T T S T a β ⎧= ⋅ ⋅ ⎪ ≤ ⎨ ⎪≥ ⎩ trong đú ( ) d S T Phổ thiết kế;
T Chu kỳ dao động của hệ tuyến tớnh một bậc tự do;
g
a Gia tốc nền thiết kế trờn nền loại A ag =γ1agR
1
γ Hệ số tầm quan trọng được cho trong phụ lục F, TCVN 375:2006;
gR
a
Đỉnh gia tốc nền, cho trong phụ lục I TCVN 375:2006;
η Hệ số điều chỉnh độ cản với giỏ trị tham chiếu η =1 (độ cản nhớt 5%);
q Hệ số ứng xử q = q k0 w≥1.5 trong đú q0là hệ số ứng xử cơ bản phụ thuộc vào loại kết cấu và tớnh đều đặn theo mặt đứng theo mục 4.2.3.3
Loại kết cấu Cấp dẻo kết
cấu trung bình Cấp dẻo kết cấu cao Hệ khung, hệ hỗn hợp, hệ t-ờng kép 3,0 αu/α1 4,5 αu/α1
Hệ dễ xoắn 2,0 3,0
Hệ con lắc ng-ợc 1,5 2,0
Và với loại nhà khụng đều đặn theo mặt đứng theo mục 4.2.3.1 (7), giỏ trị
0
q cần được giảm xuống 20%.
Hệ khung hoặc hệ kết cấu hỗn hợp t-ơng đ-ơng khung αu/α1
Nhà một tầng 1.1
Khung nhiều tầng, một nhịp 1.2
Khung nhiều tầng, nhiều nhịp hoặc kết cấu hỗn hợp t-ơng đ-ơng khung
1.3
Hệ t-ờng hoặc hệ kết cấu hỗn hợp t-ơng đ-ơng với t-ờng
αu/α1
Hệ t-ờng chỉ có hai t-ờng không phải là t-ờng kép theo từng ph-ơng ngang
1.0
Các hệ t-ờng không phải là t-ờng kép 1.1
Hệ kết cấu hỗn hợp t-ơng đ-ơng t-ờng, hoặc hệ t-ờng kép
1.2
Hệ sốkw phản ỏnh dạng phỏ hoại thường gặp trong kết cấu cú vỏch
Loại kết cấu kw
Hệ khung và hệ kết cấu hỗn hợp t-ơng đ-ơng khung
1.0
Hệ t-ờng, hệ kết cấu hỗn hợp t-ơng đ-ơng t-ờng và kết cấu dễ xoắn
0
0.5≤ +(1 α ) / 3 1≤
trong đú α0 là tỷ số kớch thước cỏc vỏch trong hệ kết cấu 0 wi wi h l α = ∑ ∑ , với hwi là chiều cao vỏch thứ i ; và lwilà độ dài của vỏch thứ i
β Hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương nằm ngang,
0.2
B
T Giới hạn dưới của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc;
C
T Giới hạn trờn của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc;
D
T Giỏ trị xỏc định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển khụng đổi trong phổ phản ứng; S Hệ số nền; Loại nền đất S TB (s) TC (s) TD (s) A 1.0 0.15 0.4 2.0 B 1.2 0.15 0.5 2.0 C 1.15 0.20 0.6 2.0 D 1.35 0.20 0.8 2.0 E 1.4 0.15 0.5 2.0
Đối với thành phần thẳng đứng của tỏc động động đất. phổ thiết kế được xỏc định theo cụng thức của phổ ngang; trong đú gia tốc nền thiết kế theo phương ngang ag được thay bằng avg =0.9ag; S =1; q=1.5; cỏc giỏ trị khỏc lấy theo bảng sau
g vg a a / TB (s) TC (s) TD (s) 0.90 0.05 0.15 1.0 2.6.7. Tổ hợp cỏc thành phần động đất (mục 4.3.3.5.) 2.6.7.1. Tổ hợp cỏc phản ứng dạng dao động
Phản ứng ở hai dạng dao động i và j (kể cả cỏc dạng dao động tịnh tiến và xoắn) cú thể xem là độc lập với nhau. nếu cỏc chu kỳ Ti và Tjthỏa món
0.9
j i
T ≤ T
2
E Ei
E = ∑E
trong đú
E
E hệ quả tỏc động động đất đang xột (lực. chuyển vị.…)
Ei
E giỏ trị của hệ quả tỏc động động đất này do dạng dao động thứ i gõy ra.
2.6.7.2. Cỏc thành phần nằm ngang của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.1)
Núi chung, cỏc thành phần nằm ngang của tỏc động động đất phải được xem là tỏc động đồng thời
Việc tổ hợp cỏc thành phần nằm ngang của tỏc động động đất cú thể thực hiện như sau
(1) Phản ứng kết cấu đối với mỗi thành phần phải được xỏc định riờng rẽ bằng cỏch sử dụng những quy tắc tổ hợp đối với cỏc phản ứng dạng dao động theo 2.6.7.1 (xem mục 4.3.3.3.2- TCVN 375-2006)
(2) Giỏ trị lớn nhất của mỗi hệ quả tỏc động lờn kết cấu do hai thành phần nằm ngang của tỏc động động đất, cú thể xỏc định bằng căn bậc hai của tổng bỡnh phương cỏc giỏ trị của hệ quả tỏc động do mỗi thành phần nằm ngang gõy ra
(3) Quy tắc (2) ở trờn núi chung cho kết quả thiờn về an toàn của cỏc giỏ trị cú thể cú của cỏc hệ quả tỏc động khỏc đồng thời với giỏ trị lớn nhất thu được như trong (2). Cú thể sử dụng cỏc mụ hỡnh chớnh xỏc hơn để xỏc định cỏc giỏ trị cú thể cú đồng thời từ nhiều hệ quả tỏc
động do hai thành phần nằm ngang của tỏc động động đất gõy ra
Nếu (1) và (2) khụng dựng được, cỏc hệ quả tỏc động do tổ hợp của cỏc thành phần nằm của tải trọng động đất cú thể được xỏc định
0.3 0.3 Edx Edy Edx Edy E E E E + + trong đú Edx
E biểu thị cỏc hệ quả tỏc động do đặt tỏc động động đất dọc theo trục nằm ngang x được chọn của kết cấu;
Edy
E biểu thị cỏc hệ quả tỏc động do đặt tỏc động động đất dọc theo trục nằm ngang y vuụng gúc của kết cấu;
2.6.7.3. Cỏc thành phần nằm đứng của tải trọng động đất (mục 4.3.3.5.2)
Nếu avg >0.25g=2.5 (m/s2) thỡ thành phần thẳng đứng của tỏc động động đất cần được xột trong cỏc trường hợp sau
♦ Cỏc bộ phận kết cấu nằm ngang hoặc gần như ngang cú nhịp L≥20m ♦ Cỏc bộ phận kết cấu dạng console nằm ngang hoặc gần như ngang dài
hơn 5m
♦ Cỏc thành phần kết cấu ứng lực trước nằm ngang hoặc gần như ngang ♦ Cỏc dầm đỡ cột
♦ Cỏc kết cấu cú cỏch chấn đỏy
Chỉ tớnh toỏn thành phần đứng của tải động đất với cỏc cấu kiện như trờn và cỏc cấu kiện đỡ hoặc liờn quan trực tiếp với chỳng.
Nếu cỏc thành phần nằm ngang xột đến cho cỏc cấu kiện này thỡ cú thể sử dụng ba tổ hợp sau
0.3 0.3
0.3 0.3
0.3 0.3
Edx Edy Edz
Edx Edy Edz
Edx Edy Edz
E E E E E E E E E + + + + + + Edz
E biểu thị hệ quả tỏc động do tỏc động động đất theo phương đứng. Nếu thực hiện phõn tớch tĩnh phi tuyến thỡ cú thể bỏ qua thành phần thẳng đứng của động đất.
Ghi chỳ về nhập giảm độ cứng chống uốn và chống cắt của cấu kiện bị nứt tại mục 4.3.1 (6) (7) trang 46 TCVN375-2006
(6) Trong nhà bờtụng, nhà thộp-bờtụng liờn hợp và nhà xõy, độ cứng của những cấu kiện chịu tải núi chung cần được đỏnh giỏ cú xột đến hệ quả của vết nứt. Độ cứng này cần tương ứng với sự bắt đầu chảy dẻo của cốt thộp.
(7) Trừ phi thực hiện sự phõn tớch chớnh xỏc hơn đối với cỏc cấu kiện bị nứt, cỏc đặc trưng về độ cứng chống cắt và độ cứng chống uốn đàn hồi của cỏc cấu kiện bờtụng và khối xõy cú thể lấy bằng một nửa (50%) độ cứng tương ứng của cỏc cấu kiện khụng bị nứt. (xem xột khi cú yờu cầu).
2.7.1. Xỏc định nội lực
Cú hai loại sơ đồ để tớnh toỏn nội lực là sơ đồ đàn hồi và sơ đồ dẻo phụ thuộc vào việc người thiết kế cho phộp vật liệu làm việc trong miền nào. (điều khiển sơ đồ này bằng ứng dụng End length offsets – vừng cứng tại nỳt khung trong ETABS).
Với kết cấu tĩnh định, chỉ được dựng sơ đồ đàn hồi bởi vỡ khi vật liệu trong kết cấu vượt qua giai đoạn đàn hồi (đến giai đoạn chảy dẻo) kết cấu bị phỏ hủy. Với kết cấu này sử dụng cỏc phương phỏp lực, phương phỏp chuyển vị hoặc phương phỏp PTHH để tỡm nội lực.
Với kết cấu siờu tĩnh, cú thể tớnh theo sơ đồ đàn hồi hoặc sơ đồ dẻo. Nếu dựng sơ đồ dẻo, kết cấu thiết kế sẽ làm việc trong miền dẻo nhưng vẫn khụng bị phỏ hủy. Để tỡm nội lực khi dựng sơ đồ dẻo cú thể sử dụng phương phỏp trạng thỏi tới hạn hoặc phương phỏp PTHH. Sử dụng sơ đồ đàn hồi tức là cho kết cấu làm việc trong miền đàn hồi, do đú sẽ an toàn hơn nhưng khụng kinh tế bằng khi cho kết cấu làm việc trong miền dẻo.
Cần chỳ ý bờ tụng cốt thộp là vật liệu đàn hồi-dẻo và khụng đồng nhất. Do đú cỏc cụng thức của cả hai sơ đồ đều chỉ mang tớnh gần đỳng. Đối với sơ đồ dẻo, rất khú khăn khi đỏnh giỏ mức độ dẻo của kết cấu và khi xuất hiện biến dạng dẻo kết cấu sẽ phõn phối lại nội lực như thế nào. Do vậy hiện nay
chỉ ỏp dụng sơ đồ dẻo đối với cấu kiện dầm, cũn nội lực và biến dạng của kết cấu nhà cao tầng được tớnh toỏn theo phương phỏp đàn hồi (mục 2.6.2 – TCXD198-1997)
2.7.2. Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị
Đối với tĩnh tải, đõy là loại tải thường xuyờn tỏc dụng lờn kết cấu do đú nú luụn gõy ra nội lực. Đối với hoạt tải, cú thể xuất hiện hoặc khụng và thậm chớ cú thể đổi chiều tỏc dụng (tải trọng giú). Ngay cả với hoạt tải do đồ đạc gõy ra cũng cú thể cú hoặc khụng, cú thể xuất hiện ở chỗ này hoặc ở chỗ khỏc. Do đú khi thiết kế phải tổ hợp nội lực để tỡm ra giỏ trị bất lợi cho kết cấu:
g ij
S =S +γS
trong đú Sg là nội lực do tĩnh tải gõy ra (luụn khụng đổi), Sij là nội lực do trường hợp thứ i của hoạt tải thứ j gõy ra (thay đổi cả về trị số và dấu), cũn
γ là hệ số tổ hợp, trong đú γ =1 khi chỉ lấy 1 hoạt tải và γ =0.9 khi lấy từ hai hoạt tải trở lờn.
Một dạng khỏc để tỡm nội lực nguy hiểm trong cỏc cấu kiện là tổ hợp tải trọng. Theo cỏch này thỡ khụng tớnh nội lực từng trường hợp tải rồi lựa chọn để cộng tỏc dụng mà tiến hành tổ hợp trước cỏc loại tải trọng, sau đú tớnh nội lực với tải trọng tổ hợp này.
Tổ hợp tải trọng và tổ hợp nội lực sẽ giống nhau khi kết cấu làm việc tuyến tớnh (nguyờn lý cộng tỏc dụng) và sẽ khỏc nhau khi kết cấu làm việc phi tuyến. Trong thực hành, thường dựng tổ hợp tải trọng vỡ nú đơn giản, dễ làm, dễ hỡnh dung, sai số khụng đỏng kể.
Theo TCXD2737-1995, cú hai tổ hợp tải trọng sau:
♦ Tổ hợp cơ bản: Tĩnh tải DL (mục 2.3.3), hoạt tải dài hạn LL(mục 2.3.4) và ngắn hạn(mục 2.3.3) W
♦ Tổ hợp đặc biệt: Tĩnh tải, hoạt tải dài hạn và ngắn hạn cú thể xảy ra một trong cỏc tải trọng đặc biệt (mục 2.3.6) E
Ghi chỳ: Trong quỏ trỡnh gỏn tải trọng giú vào mụ hỡnh, cần tỏch ra hai thành
phần tĩnh Wt và động Wd. Sau đú, tổ hợp lại giú theo cụng thức sau W = Wt + Wd
Theo TCXD2737-1995 và TCVN375-2006, ♦ Tĩnh tải + Hoạt tải
♦ Tĩnh tải + Giú
♦ Tĩnh tải + 0.9 Hoạt tải + 0.9 Giú
♦ Tĩnh tải + động đất
♦ Tĩnh tải + động đất + ψ2,i x Hoạt tải (Mục 3.2.4 (TCVN375-2006))
Cỏc giỏ trị ψ2,i cho trong Bảng 3.4 trang 36 (TCVN375-2006)
Bảng 3.4: Cỏc giỏ trị Ψ2,i đối với nhà
Tỏc động Ψ2
Tải trọng đặt lờn nhà, loại Loại A: Khu vực nhà ở, gia đỡnh 0,3
Loại B: Khu vực văn phũng 0,3
Loại C: Khu vực hội họp 0,6
Loại D: Khu vực mua bỏn 0,6
Loại G: Khu vực giao thụng 30kN; trọng lượng xe 160kN 0,3
Loại H: Mỏi 0
Đõy là bảng tổ hợp triển khai cho thiết kế cụng trỡnh nhà ở và văn phũng Tờn tổ hợp Tổ hợp Thành phần Hệ số tổ hợp Nội dung tớnh toỏn - kiểm tra