CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ
2.3. Lựa chọn giải pháp kết cấu
2.3.4. Khái quát quá trình tính toán hệ kết cấu
2.3.4.1. Mô hình tính toán.
Trong giai đoạn hiện nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử, đã có những thay đổi quan trọng trong cách nhìn nhận phương pháp tính toán công trình.Khuynh hướng đặc thù hoá và đơn giản hoá các trường hợp riêng lẻ được thay thế bằng khuynh hướng tổng quát hoá. Đồng thời khối lượng tính toán số học không còn là một trở ngại nữa. Các phương pháp mới có thể dùng các
sơ đồ tính sát với thực tế hơn, có thể xét tới sự làm việc phức tạp của kết cấu với các mối quan hệ phụ thuộc khác nhau trong không gian. Việc tính toán kết cấu nhà cao tầng nên áp dụng những công nghệ mới để có thể sử dụng mô hình không gian nhằm tăng mức độ chính xác và phản ánh sự làm việc của công trình sát với thực tế hơn.
2.3.4.2. Tải trọng tác dụng lên công trình.
- Tải trọng thẳng đứng:
▫ Trọng lượng bản thân kết cấu và các loại hoạt tải tác dụng lên sàn, lên mái.
▫ Tải trọng tác dụng lên sàn, kể cả tải trọng các tường ngăn, các thiết bị đề quy về tải trọng phân bố đều trên diện tích ô sàn.
▫ Tải trọng tác dụng lên dầm do sàn truyền vào, do tường xây trên dầm quy về tải phân bố đều trên dầm.
- Tải trọng ngang:
▫ Tải trọng gió tính theo tiêu chuẩn Tải trọng và tác động TCVN 2737:1995.
▫ Tải trọng ngang được phân phối theo độ cứng ngang của từng tầng.
2.3.4.3. Phương pháp tính toán các định nội lực.
Hiện nay có ba trường phái tính toán hệ chịu lực nhà nhiều tầng thể hiện theo ba mô hình sau:
- Mô hình liên tục thuần túy: Giải trực tiếp phương trình vi phân bậc cao, chủ yếu là dựa vào lý thuyết vỏ, xem toàn bộ hệ chịu lực là hệ chịu lực siêu tĩnh. Khi giải quyết theo mô hình này, không thể giải quyết được hệ có nhiều ẩn. Đó chính là giới hạn của mô hình này.
- Mô hình rời rạc (Phương pháp phần tử hữu hạn): Rời rạc hoá toàn bộ hệ chịu lực của nhà
nhiều tầng, tại những liên kết xác lập những điều kiện tương thích về lực và chuyển vị. Khi sử dụng
Chương 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ Trang 17
mô hình này cùng với sự trợ giúp của máy tính có thể giải quyết được tất cả các bài toán. Hiện nay
ta có các phần mềm trợ giúp cho việc giải quyết các bài toán kết cấu như ETABS, SAP, SAFE...
- Mô hình rời rạc - liên tục (Phương pháp siêu khối): Từng hệ chịu lực được xem là rời rạc,
nhưng các hệ chịu lực này sẽ liên kết lại với nhau thông qua các liên kết trượt xem là phân bố liên tục theo chiều cao. Khi giải quyết bài toán này ta thường chuyển hệ phương trình vi phân thành hệ phương trình tuyến tính bằng phương pháp sai phân. Từ đó giải các ma trận và tìm nội lực.
Kết luận: Trong các phương pháp kể trên, “phương pháp phần tử hữu hạn” được sử dụng phổ
biến hơn cả do những ưu điểm của nó cũng như sự hỗ trợ đắc lực của một số phần mềm phân tích và tính toán kết cấu SAFE, ETABS, SAP, STAAD…. Dựa trên cơ sở phương pháp tính toán này.
Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH).
- Trong các phương pháp kể trên, phương pháp phần tử hữu hạn hiện được sử dụng phổ biến hơn cả
do những ưu điểm của nó cũng như sự hỗ trợ đắc lực của một số phần mềm tính toán dựa trên cơ sở phương pháp tính toán này.
- Theo phương pháp phần tử hữu hạn, vật thể thực liên tục được thay thế bằng một số hữu hạn các phần tử rời rạc có hình dạng đơn giản, có kích thước càng nhỏ càng tốt nhưng hữu hạn, chúng được nối với nhau bằng một số điểm quy định được gọi là nút. Các vật thể này vẫn được giữ nguyên là các vật thể liên tục trong phạm vi của mỗi phần tử, nhưng có hình dạng đơn giản và kích thước bé nên cho phép nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở quy luật về sự phân bố chuyển vị và nội lực (chẳng hạn các quan hệ được xác lập trong lý thuyết đàn hồi). Các đặc trưng cơ bản của mỗi phần tử được xác định và mô tả dưới dạng các ma trận độ cứng (hoặc ma trận độ mềm) của phần tử. Các ma trận này được dùng để ghép các phần tử lại thành một mô hình rời rạc hóa của kết cấu thực cũng dưới dạng một ma trận độ cứng (hoặc ma trận độ mềm) của cả kết cấu. Các tác động ngoài gây ra nội lực và chuyển vị của kết cấu được quy đổi về các thành các ứng lực tại các nút và được mô tả trong ma trận tải trọng nút tương đương. Các ẩn số cần tìm là các chuyển vị nút (hoặc nội lực) tại các điểm nút được xác định trong ma trận chuyển vị nút (hoặc ma trận nội lực nút). Các ma trận độ cứng, ma trận tải trọng nút và ma trận chuyển vị nút được liên hệ với nhau trong phương trình cân bằng theo quy luật tuyến tính hay phi tuyến tùy theo ứng xử thật của kết cấu. Sau khi giải hệ phương trình tìm được các ẩn số, người ta có thể tiếp tục xác định được các trường ứng suất, biến dạng của kết cấu theo các quy luật đã được nghiên cứu trong cơ học.
Sau đây là thuật toán tổng quát của phương pháp PTHH:
Chương 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ Trang 18
▫ Rời rạc hóa kết cấu thực thành thành một lưới các phần tử chọn trước cho phù hợp với hình dạng hình học của kết cấu và yêu cầu chính xác của bài toán.
▫ Xác định các ma trận cơ bản cho từng phần tử (ma trận độ cứng, ma trận tải trọng nút, ma trận chuyển vị nút….) theo trục tọa độ riêng của phần tử.
▫ Ghép các ma trận cơ bản cùng loại thành ma trận kết cấu theo trục tọa độ chung của cả kết cấu.
▫ Dựa vào điều kiện biên và ma trận độ cứng của kết cấu để khử dạng suy biến của nó.
▫ Giải hệ phương trình để xác định ma trận chuyển vị nút cả kết cấu.
▫ Từ chuyển vị nút tìm được, xác định nội lực cho từng phần tử.
▫ Vẽ biểu đồ nội lực cho kết cấu.
Thuật toán tổng quát trên được sử dụng cho hầu hết các bài toán phân tích kết cấu: phân tích tĩnh, phân tích động và tính toán ổn định kết cấu.
2.3.4.4. Lựa chọn công cụ tính toán.
- Phần mềm ETABS 9.7.4:
▫ Dùng để giải nội lực và phân tích động cho hệ công trình bao gồm các dạng và giá trị dao động, kiểm tra các dạng ứng xử của công trình khi chịu tải trọng động đất.
▫ Do ETABS là phần mềm phân tích thiết kế kết cấu chuyên cho nhà cao tầng nên việc nhập
và xử lý số liệu đơn giản và nhanh hơn so với các phần mềm khác.
- Phần mềm SAP V14:
Dùng để giải nội lực cho các cấu kiện đơn giản của hệ kết cấu nhằm đơn giản hoá trong quá trình tính toán.
- Phần mềm SAFE V12:
▫ Dùng để giải phân tích nội lực theo dài.
▫ Do SAFE là phần mềm phân tích, thiết kế kết cấu chuyên cho phần bảng nên được sử dụng tính kết cấu cho phần móng và sàn.
- Phần mềm Microsoft office 2010:
Dùng để xử lý số liệu nội lực từ các phần mềm SAP, ETABS xuất sang, tổ hợp nội lực và tính toán tải trọng, tính toán cốt thép và trình bày các thuyết minh tính toán.
Một số lưu ý:
▫ Khi sử dụng các phần mềm SAP, ETABS… cần chú ý đến quan niệm từng cấu kiện của phần mềm để cấu kiện làm việc đúng với quan niệm thực khi đưa vào mô hình.
Chương 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ Trang 19
▫ Quan niệm khối (solid): khi 3 phương có kích thuớc gần như nhau, và có kích thước lớn hơn nhiều so với các phần tử khác.
▫ Quan niệm bản, vách (shell): khi kích thước 2 phương lớn hơn rất nhiều so với phương còn lại.
▫ Quan niệm thanh (frame): khi kích thước 2 phương nhỏ hơn rất nhiều so với phương còn lại.
▫ Quan niệm điểm (point): khi 3 phương có kích thuớc gần như nhau, và có kích thước rất bé. Khi ta chia càng mịn các cấu kiện thì kết quả sẽ càng chính xác. Do phần tử hữu hạn truyền lực nhau qua các điểm liên kết của các phần tử với nhau. Nếu ta chia các cấu kiện ra nhưng không đúng với quan niệm của phần mềm thì các cấu kiện đó sẽ có độ cứng tăng đột ngột và làm việc sai với chức năng của chúng trong quan niệm tính, từ đó dẫn đến các kết quả tính của cả hệ kết cấu sẽ thay đổi.
2.3.4.5. Nội dung tính toán.
- Hệ kết cấu nhà cao tầng cần được tính toán cả về tĩnh lực, ổn định và động lực.
- Các bộ phận kết cấu được tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH 1 là về cường độ và
ổn định).
- Trong trường hợp đặc biệt do yêu cầu sử dụng thì mới tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH 2 là về biến dạng và nứt).
- Khác với nhà thấp tầng, trong thiết kế nhà cao tầng thì tính chất ổn định tổng thể công trình đóng vai trò hết sức quan trọng và cần phải được tính toán kiểm tra.