tải trọng động tác động:
Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy các khối xây chèn trong khung có c−ờng độ cao và độ cứng khá lớn ảnh h−ởng tới phản ứng động đất của hệ kết cấu chịu lực. Hệ kết cấu càng mềm, ảnh h−ởng của khối xây chèn càng lớn. Khối xây chèn có c−ờng độ và tính biến dạng kém hơn hệ kết cấu chịu lực bao quanh, do đó chúng th−ờng bị phá hoại đầu tiên khi hệ kết cấu dao động. Biểu hiện phá hoại th−ờng gặp là việc tách khối xây chèn khỏi khung và các vết nứt chéo hình chữ X trên bề mặt khối xây. Khi bị phá hoại, khối xây chèn hấp thụ và phân tán một phần khá lớn năng l−ợng do tải trọng động tác động (gió động, động đất…) đ−a vào công trình, nh− vậy khối xây chèn có vai trò nh− phòng tuyến đầu tiên bảo vệ cho công trình xây dựng. Trong giai đoạn đầu tiên khối xây chèn nhận một phần tải trọng ngang lớn hơn kết cấu bao quanh. Sau khi bị phá hoại, c−ờng độ và độ cứng của khối xây chèn sẽ bị giảm xuống và tải trọng sẽ đ−ợc chuyển từ khối xây sang hệ kết cấu chịu lực.
Tầm ảnh h−ởng của khối xây chèn tới sự làm việc của khung bê tông cốt thép thực tế liên quan rất nhiều đến ph−ơng pháp thi công cũng nh− cấu tạo liên kết giữa khối xây chèn với khung bao xung quanh. Nếu liên kết qiữa khối xây chèn mà đ−ợc liên kết cứng với hệ kết cấu khung chịu lực thì ảnh h−ởng của khối xây chèn rõ ràng sẽ lớn nhất.
Sự làm việc của khối xây chèn có lỗ cửa hay không có lỗ cửa d−ới tác động của tải trọng t−ơng đ−ơng nh− sự làm việc của 1 dải khối xây chỉ chịu nén và có thể mô hình khối xây chèn có lỗ cửa bằng 1 phần tử thanh chỉ chịu nén có tiết diện và Mô đun đàn hồi bằng Mô đun đàn hồi của dải khối xây chịu nén, điều này đã đ−ợc kiểm chứng bằng thực nghiệm qua các nghiên cứu tr−ớc đây.
Tuy nhiên, đối với các nhà cao tầng thì khối l−ợng tính toán lớn, các lỗ cửa ở trong các khối xây xuất hiện không cùng 1 vị trí nên khối l−ợng tính toán trung gian là rất lớn. Mặt khác, hiện nay việc tự động hoá tính toán ngày càng phổ biến, việc tính toán kết cấu bằng các phần mềm máy tính là bắt buộc, nhất là đối với các công trình nhà cao tầng. Do đó nhiệm vụ của đề tài nghiên cứu là phải tìm ra một mô hình tính toán có tính tự động hoá cao mà kết quả vẫn sát với kết quả của mô hình tính toán cũ (mô hình cổ điển). Trong các phần d−ới đây của ch−ơng 2 tác giả xin giới thiệu một số mô hình cổ điển và mô hình mô tả khối xây là các phần tử tấm để khảo sát so sánh kết quả.
2.2 Các mô hình tính toán của khung bê tông cốt thép có lỗ cửa: 2.2.1 Mô hình hóa khối xây chèn bằng 1 thanh chịu nén:
Đây là mô hình tính toán theo quan điểm cổ điển đã đ−ợc nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, đề xuất, trong n−ớc cũng có nhiều nhà khoa học triển khai, áp dụng nh− đã giới thiệu ở ch−ơng tổng quan. Mô hình hóa khối xây chèn bằng 1 thanh chịu nén thực chất là coi dải khối xây t−ơng đ−ơng là 1 thanh chịu nén, độ cứng của thanh chịu nén chính bằng độ cứng của dải khối xây t−ơng đ−ơng trong bài toán của S.V Poliakov, mô hình này đã đ−ợc nghiên cứu và phát triển trong thời gian dài, đã đ−ợc thực nghiệm kiểm chứng [7], [8], [9]...
1 phần tử thanh chịu nén L H L H lỗ cửa Wo
dải khối xây chịu nén
Hình 2. 1: Mô tả khối xây chèn bằng phần tử 1 thanh chịu nén.
Đối với mô hình mô tả dải khối xây chịu nén bằng 1 thanh chịu nén t−ơng đ−ơng trên thực tế có mặt hạn chế là bề rộng của dải khối xây là ch−a đ−ợc xét đến. Nếu kể đến bề rộng của dải khối xây thì ảnh h−ởng đến nội lực xuất hiện trong cột, dầm, biến dạng của khung sẽ thay đổi so với mô hình 1 thanh chịu nén t−ơng đ−ơng liên kết hai đầu tại hai nút khung trên đ−ờng chéo. Để gải quyết đ−ợc vấn đề này, nhiều tác giả đã đề xuất mô hình thứ hai là mô tả khối xây chèn bằng nhiều phần tử thanh chịu nén. Mô hình này vẫn kế thừa các nghiên cứu về việc thay thế tác dụng của khối xây chèn bằng dải khối xây chịu nén. Sau khi tìm đ−ợc độ cứng, bề rộng của dải khối xây chịu nén, sẽ dùng một số phần tử thanh phân bố trong khoảng bề rộng của dải khối xây để liên kết các dầm-cột với nhau sao cho tổng độ cứng các thanh chéo này bằng độ cứng của dải khối xây t−ơng đ−ơng. Ví dụ hình 2.2 d−ới đây là việc ta đã mô tả khối xây chèn bằng 3 thanh chịu nén t−ơng đ−ơng.
Wo
dải khối xây chịu nén
phần tử thanh chịu nén 2 L H L H phần tử thanh chịu nén 1 phần tử thanh chịu nén 3
Hình 2. 2: Mô tả khối xây chèn bằng nhiều thanh chịu nén
Nguyên tắc chung khi mô hình hóa khối xây thành nhiều thanh chịu nén là: - Chia dải khối xây có độ cứng C, chiều rộng W0 thành n dải có độ cứng C/n và chiều rộng W0/n.
- Mỗi dải khối xây nhỏ đ−ợc mô hình hóa thành 1 thanh chéo chịu nén có cùng độ cứng.
- Các thanh chéo có vị trí trùng với đ−ờng tâm của các dải khối xây nhỏ, liên kết các dầm và cột t−ơng ứng.
Mô hình này miêu tả khối xây chèn thành các phần tử tấm (Shell) có chiều dày bằng chiều dày bằng dải khối xây, môđun đàn hồi bằng môđun đàn hồi của khối xây.
Mô hình hóa khối xây chèn thành các phần tử tấm cùng kết hợp làm việc với các phần tử thanh của khung bê tông cốt thép là mô hình đơn giản có kể tới đ−ợc sự ảnh h−ởng của khối xây chèn tới sự làm việc của khung bê tông cốt thép, ngày nay việc mô hình tính toán kết cấu bằng các phần mềm tính toán nh− Etabs, Sap sẽ dễ dàng xây dựng mô hình nhất là những công trình nhà cao tầng phức tạp. Đây là −u điểm nổi bật của mô hình này, nó giảm đ−ợc các b−ớc tính toán trung gian của các truyền thống kể trên. Tuy nhiên, mô hình này có thể không phản ánh đúng bản chất làm việc của khối chèn trong thực tế, cụ thể nh− khả năng chịu kéo của khối xây rất kém so với khả năng chịu nén của nó, các khối xây chèn không chèn khít hoàn toàn ô của khung bê tông cốt thép…
Phần tử tấm (t−ờng chèn) Phần tử thanh của khung (cột-dầm)
lỗ cửa
Hình 2. 3: Mô hình miêu tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm
2.2.4 Mô hình hóa khối xây chèn thành phần tử tấm có giải phóng liên kết với đáy dầm của khung bê tông cốt thép: dầm của khung bê tông cốt thép:
Phần tử tấm (t−ờng chèn) Phần tử thanh của khung (cột-dầm)
các phần tử tấm không đ−ợc liên kết với đáy dầm
lỗ cửa
Hình 2. 4: Mô hình mô tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm, các phần tử tấm ở trên cùng không liên kết cứng với đáy dầm của khung bê tông cốt thép
Mô hình này cũng miêu tả khối xây chèn thành các phần tử tấm có chiều dày bằng chiều dày khối xây chèn, môđun đàn hồi bằng môđun đàn hồi của khối xây chèn. Tuy nhiên, phần tử tấm tiếp xúc trực tiếp với đáy của dầm của khung đ−ợc giải phóng liên kết trên biên này (dầm phía trên và t−ờng chèn coi nh− không tiếp xúc với nhau).
Mô hình này đ−ợc thiết lập dựa trên thực tế về thi công. Đối với nhà cao tầng hiện nay đều thi công phần khung bê tông cốt thép tr−ớc rồi với tiến hành xây chèn khối xây gạch nên dẫn đến các điểm của khối xây chèn không liên kết chặt hoàn toàn với ô của khung.
Ưu điểm và nh−ợc điểm của mô hình này t−ơng đối giống với mô hình miêu tả khối xây bằng phần tử tấm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3 So sánh các mô hình tính toán để lựa chọn mô hình phù hợp nhất để tính toán cho khung bê tông cốt thép nhà cao tầng: toán cho khung bê tông cốt thép nhà cao tầng:
Qua 4 mô hình tính toán xét tới ảnh h−ởng của khối xây chèn có lỗ cửa kể trên cho thấy mỗi mô hình có những −u điểm và nh−ợc điểm rõ rệt. Mục đích chính của đề tài nh− đã nói là phải đ−a ra đ−ợc một mô hình tính toán vừa đơn giản, có tính tự động háo thiết kế cao, vừa đạt độ chính xác có thể chấp nhận đ−ợc. Do đó, chúng ta cần phải so sánh để lựa chọn mô hình.
Nhận xét định tính của các mô hình:
Mô hình khối xây chèn thành dải khối xây chịu nén là phù hợp với sự làm việc thực tế của khung đã đ−ợc thực nghiệm kiểm chứng, nh−ng mô hình này không thể tự động hóa thiết kế đ−ợc vì có nhiều b−ớc tính toán trung gian nh− tính toán đ−a ra các thông số cho dải khối xây chịu nén.
Mô hình dải khối xây chịu nén đ−ợc mô hình thành 1 thanh chịu nén t−ơng đ−ơng cũng ch−a kể đ−ợc các yếu tố về bề rộng của dải khối xây t−ơng đ−ơng.
Mô hình nhiều thanh chịu nén có khả năng nâng cao đ−ợc độ chính xác hơn mô hình 1 thanh chịu nén tuy nhiên cũng vẫn tồn tại các b−ớc tính toán trung gian rất lớn.
Mô hình phần tử tấm có khả năng tự động hóa cao, đơn giản nh−ng đã lý t−ởng hóa khối xây, không phản ánh đúng thực chất làm việc của khối xây trong khung bê tông cốt thép.
Mô hình phần tử tấm không liên kết với đáy dầm cũng t−ơng tự nh− mô hình phần tử tấm nh−ng đã để ý tới thực tế thi công và sự tách ra của khối xây chèn với khung bê tông cốt thép.
Do đó, việc so sánh các mô hình tính toán trên cụ thể là mô hình 3 và mô hình 4 so với mô hình 1 và mô hình 2 xem mô hình nào có độ chính xác sát với mô hình 2 nhất thì mô hình đó có thể vận dụng vào thực tế tính toán.
Do khối xây chèn có lỗ cửa mà lỗ cửa lại tồn tại có thể ở nhiều vị trí khác nhau trong panô khối xây nên chúng ta phải đ−a ra đ−ợc 4 vị trí đặc tr−ng của các lỗ cửa trong khối xây chèn.
l h b a h' l' b lỗ cửa lỗ cửa l h a h' l'
a, Vị trí 1: lỗ cửa ở vị trí giữa nhịp dầm, phía d−ới b, Vị trí 2: lỗ cửa ở vị trí giữa khối xây
b b lỗ cửa lỗ cửa l h a h' l' l h h' l'
c, Vị trí 3: lỗ cửa ở vị trí giữa nhịp dầm, phía trên d, Vị trí 4: lỗ cửa ở vị trí sát góc khung
Hình 2. 5: Các vị trí chủ yếu của lỗ cửa trong khối xây.
Chọn yếu tố đính l−ợng để đ−a ra so sánh các mô hình:
Đối với công trình cao tầng, ảnh h−ởng của yếu tố tải trọng ngang là rất lớn, cụ thể là động đất và tải trọng gió động. Các giá trị tải trọng này đ−ợc quyết định bởi các đặc tr−ng dao động của hệ kết cấu công trình, quyết định từ các tải trọng bên ngoài đặt vào công trình đến nội lực và lựa chọn tiết diện, tính toán cốt thép cho các kết cấu trong công trình. Vì vậy, đối với các mô hình 3 và 4 nếu mô hình nào khảo sát cho ra đ−ợc các chỉ số tần số, chu kỳ sát với mô hình 2 nhất thì ta sẽ lựa chọn mô hình đó để đ−a vào thực tế tính toán công trình.
Với mỗi tr−ờng hợp vị trí lỗ cửa ở 1 trong 4 tr−ờng hợp sơ đồ nh− trên ta sẽ tiến hành khảo sát, so sánh 5 mô hình khác nhau nh− sau:
- Mô hình 1: Mô hình không kể đến ảnh h−ởng của khối xây chèn.
- Mô hình 2: Mô hình coi khối xây chèn là 1 thanh chịu nén t−ơng đ−ơng. - Mô hình 3: Mô hình coi khối xây chèn là 3 thanh chịu nén t−ơng đ−ơng. - Mô hình 4: Mô hình coi khối xây chèn là các phần tử tấm.
- Mô hình 5: Mô hình coi khối xây chèn là các phần tử tấm có giải phóng liên kết ở đáy dầm.
Sau đây sẽ đ−a ra một công trình cụ thể để khảo sát lựa chọn mô hình. Các số liệu để khảo sát lựa chọn mô hìnhnh− sau:
* Các đặc tr−ng hình học của nhà có kết cấu khung Bê tông cốt thép: + Chiều cao 10 tầng, mỗi tầng cao 3,9 m.
+ Các b−ớc gian đều nhau rộng 3,9 m.
+ Mặt bằng bao gồm 2 nhịp, nhịp 1 rộng 2,4 m, nhịp 2 rộng 7,2 m. + Tiết diện dầm nhịp 7,2 m: 0,7 x0,3 m.
+ Tiết diện dầm nhịp 2,4 m: 0,4 x0,3 m. + Tiết diện các dầm dọc: 0,4 x0,3 m. + Tiết diện cột lớn nhất: 0,8 x0,3 m. + Tiết diện cột hiên: 0,3 x0,3 m. + Chiều dày bản sàn: 0,12 m. + Chiều dày các t−ờng: 0, 22 m.
+ Bề rộng thực tế của lỗ cửa: a1= 1,2 m. + Chiều cao thực tế của lỗ cửa: b= 2,2 m.
+ Khối xây đ−ợc bố trí tại tất cả các trục từ trục 1 đến trục 10 (theo ph−ơng X) ở tất cả các tầng dọc theo ph−ơng Y từ trục B đến trục C. Tất cả các khối xây đều bố trí lỗ cửa có kích th−ớc 1,2x2,2m.
* Các đặc tr−ng về vật liệu:
+ Bê tông sử dụng có cấp độ bền B20. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Gạch xây chèn là gạch đất sét nung mác 75, vữa xây là vữa XM mác 50 + Mô đun đàn hồi của bê tông có cấp độ bền B20 là: Eb= 2,4.104 Mpa. + Môđun đàn hồi của khối xây chèn khi tính toán với kết cấu hỗn hợp là: Ekx=0,5 E0
Với E0= α.Rc α =1000 R’=k.R= 2.0,85.13 Ta tính đ−ợc: Ekx=2,2.103 Mpa. 3.90 3.90 3.90 3.90 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A B C 3.90 3.90 3.90 3.90 3.90 2. 40 7. 20 9. 60 35.10 1
Hình 2. 6: Sơ đồ mặt bằng công trình khảo sát
2.3.1 Tr−ờng hợp 1: Lỗ cửa ở vị trí số 1 (giữa nhịp dầm, phía d−ới)
Đối với vị trí lỗ cửa ở sơ đồ này ta lại khảo sát 5 tr−ờng hợp với 5 mô hình khác nhau:
* Tr−ờng hợp MH1-1: Mô hình không kể đến ảnh h−ởng của khối xây chèn Trọng l−ợng của cả khối xây gạch đặc là:
1,8.[(3,9-0,7).(7,2-0,8)-1,2.2,2).0,22 = 7,06464 (tấn) Coi tải trọng t−ờng là tĩnh tải phân bố đều trên dọc thanh là:
Hình 2. 7: Tr−ờng hợp MH1-1: Mô hình không gian không kể ảnh h−ởng của khối xây chèn có lỗ cửa
Theo kết quả phân tích dao động của phần mềm ETABS, ta có bảng kết quả các dạng dao động theo tr−ờng hợp MH1-1 đối với công trình nh− sau:
Dạng Dao động Tần số (vòng/giây) Chu kỳ (Giây)
1 0.47952 2.08541
2 0.69917 1.43028
3 0.71366 1.40123
4 1.44612 0.69151
5 2.20852 0.45279
lỗ c ử a lỗ c ử a lỗ c ử a lỗ c ử a lỗ c ử a lỗ c ử a lỗ c ử a lỗ c ử a lỗ c ử a 3.90 3.90 3.90 3.90 3.90 2. 40 7. 20 9. 60 35.10 1 3.90 3.90 3.90 3.90 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A B C 3. 01 1. 20 3. 00 lỗ c ử a
Hình 2. 8: Tr−ờng hợp MH1-2: Mặt bằng bố trí khối xây và lỗ cửa ở vị trí số 1
Để tính bề rộng của dải khối xây chịu nén ta sử dụng công thức 4.101; 4.102 và 4.103 trang 331 tại giáo trình Động đất và thiết kế công trình chịu động đất của PGS. TS Nguyễn Lê Ninh:
α θ θ λ λ 2 2 2 2 1 ) 1 ( cos ) ' ' 1 ( 1 ) ' ( ' I h k h I h d e w