Kết cấu công trình thực tế là kết cấu không gian. Việc bố trí mặt bằng cấu kiện sẽ quyết định sự làm việc có tính “không gian” của kết cấu công trình, ở đây là phản ứng của nó đối với tải trọng ngang, cụ thể là tải trọng động đất. Về mặt lý thuyết, với tải trọng động đất, kết cấu cần được thiết kế sao cho chịu được sóng đến từ mọi hướng bất kỳ. Trong thực hành, kết cấu thường được thiết kế chịu tải trọng động đất theo những phương nhất định, thường là hai phương vuông góc, tùy thuộc vào hướng bố trí cấu kiện chịu lực chính trên mặt bằng. Trừ trường hợp đặc biệt, nhà cao tầng thường có kết cấu đối xứng theo mặt bằng, cấu kiện được bố trớ với tư duy chịu lực (ngang) theo hướng rừ rệt và bố trớ sao cho giảm tối đa ảnh hưởng do xoắn. Với những kết cấu có mặt bằng đối xứng, việc phân tích nghiên cứu ứng xử tổng thể có thể được thực hiện thông qua mô hình đơn giản hóa - mô hình phẳng 2D. Trong trường hợp này, những đặc trưng ứng xử quan trọng của loại kết cấu áp dụng cho công trình đang xét (như đường truyền lực, phân bố biến dạng theo chiều cao, quá trình hình thành khớp dẻo và dạng cơ cấu, vv…) hoàn toàn có thể được đánh giá thông qua mô hình đơn giản 2D.
Đối tượng và nội dung nghiên cứu của luận án là ứng xử tổng thể kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng và ứng xử cục bộ của nút liên kết cột-dầm cứng. Vấn đề chính được nghiên cứu có liên quan tới các nội dung: đặc trưng phân phối lực - đường truyền lực - trong các cấu kiện chớnh (cột biờn, dầm cứng, lừi), chuyển vị tổng thể, đặc trưng hỡnh thành khớp dẻo, phõn tỏn năng lượng trong kết cấu, ứng xử cục bộ của liên kết cột-dầm cứng chịu lực dọc và mô men đổi chiều…. Ảnh hưởng của sự làm việc không gian của kết cấu nằm ngoài phạm vi nghiên cứu. Do vậy, mô hình kết cấu phục vụ khảo sát về mặt lý thuyết và thực nghiệm được xác định là mô hình đơn giản 2D. Về mặt nghiên cứu thực nghiệm, mô hình 2D là phù hợp với điều kiện kỹ thuật phòng thí nghiệm IBST và điều kiện của luận án. Việc thực hiện thí nghiệm gia tải ngang lặp đổi chiều hai phương là quá phức tạp với điều kiện hiện có.
NCS. Nguyễn Hồng Hải – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Trang 49
Mô hình khảo sát được xây dựng dựa trên việc tham khảo mô hình kết cấu của một số công trình cao tầng và siêu cao tầng của Việt Nam. Bên cạnh mục đích dành cho phân tích khảo sát lý thuyết của chương này, mô hình khảo sát được xây dựng phù hợp với việc thiết kế mẫu thí nghiệm trình bày trong Chương 4. Sau khi khảo sát sơ bộ theo phương pháp thử dần bằng cách thay đổi các tham số gồm số tầng, số tầng cứng và kích thước cấu kiện (dầm, cột, vách), với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của tầng cứng đối với công trình và các tầng lân cận, đặc biệt là nút liên kết dầm cứng – cột biên, sơ đồ kết cấu được đơn giản hóa với các thông số chính như sau:
— Kết cấu khung phẳng cao 55 tầng;
— Bố trí 01 dầm cứng ở tầng 34: Việc sử dụng một tầng cứng cho mô hình kết cấu khảo sát phù hợp với quy mô chiều cao công trình và cũng để thuận lợi hơn trong phân tích đánh giá kết quả. Qua nghiên cứu lý thuyết tổng quan trình bày trong chương 1, với công trình có một tầng cứng, vị trí hiệu quả ở khoảng 0.6H (H là chiều cao công trình).
Trước khi tiến hành phân tích sâu bằng các phương pháp phân tích tĩnh và động phi tuyến, kết cấu được thiết kế sơ bộ theo một tiêu chuẩn thông dụng. Tiêu chuẩn ACI 318-05 được lựa chọn để thiết kế với các thông số điều kiện tự nhiên phù hợp với Việt Nam, theo QCVN 02:2009/BXD Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia - Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong Xây dựng.
Các thông số thiết kế cơ bản được trình bày dưới đây:
NCS. Nguyễn Hồng Hải – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Trang 50
- Cấu tạo khung (xem Hình 3-1):
+ Lưới nhịp kết cấu: 13m, 12m và 13m;
+ Vách giữa: t=1200mm;
+ Cột biên: 1500x2500mm, 1500x1800mm (khu vực tầng cứng) và 1200x1500mm ở phía trên;
+ Dầm các tầng: bxh=2000x500mm;
+ Dầm cứng: 800x6500mm;
- Tiêu chuẩn thiết kế: ACI 318-05 - Vật liệu
+ Bê tông: f’c = 28Mpa
+ Cốt thép: fy = 490Mpa
- Tải trọng:
+ Tĩnh tải: trọng lượng kết cấu và tải trọng lớp hoàn thiện 1.1 kN/m2 ứng với bước khung 9m;
+ Hoạt tải: 2 kN/m2;
+ Gió: IIB, chuyển sang gió 3s, 50 năm theo ASCE 7-05 96.5 mph.
+ Động đất:
§ agR 0.103g chuyển sang hệ số Ss và S1 theo ASCE 7-05, Ss=0.45; S1=0.18;
§ Loại đất nền D
§ Hệ số tầm quan trọng 1.0 - Tổ hợp tải trọng:
+ 1.4D + 1.2D+1.6L
+ 1.2D+1.0L+1.6W + 1.2D+1.0L+1.0E
Hình 3-1: Mô hình kết cấu khảo sát trong đó: D là ký hiệu tĩnh tải, L là hoạt tải, W là tải trọng gió và E là tải động đất;