TÍNH TOÁN KHUNG TRỤC 2
5.8. Tính toán nội lực cho công trình
5.8.1.Lựa chọn phần mềm tính tốn nội lực:
Để tính toán kết cấu một công trình xây dựng dân dụng có nhiều phần mềm kết cấu trong và ngoài nước để các nhà thiết kế lựa chọn như: SAP 2000 (CSI-Mỹ), STAAD III/PRO (REI-Mỹ), PKPM (Trung Quốc), ACECOM (Thái Lan), KPW (CIC - Việt Nam), VINASAS (CIC - Việt Nam). Song việc tính toán và thiết kế nhà cao tầng sẽ phức tạp hơn rất nhiều bởi trong quá trình tính tốn phải kể đến các thành phần tải trọng động nhƣ: gió động, động đất tác dụng lên công trình, cũng nhƣ việc thiết kế kiểm tra các cấu kiện dầm, cột, vách cứng, sàn sau khi đ cĩ kết quả nội lực. Do đó việc lựa chọn một phần mềm kết cấu đáp ứng đƣợc các điều kiện nhƣ: dễ sử dụng, độ tin cậy cao và đáp ứng đƣợc các yêu cầu thực tế trong tính toán và thiết kế kết cấu nhà cao tầng là một lựa chọn cần cân nhắc đối với các kĩ sƣ kết cấu.
Ra đời từ đầu những năm 70, ETABS (Extended 3D Analysis of Building Systems) là phần mềm kết cấu chuyên dụng trong tính toán và thiết kế nhà cao tầng. ETABS có xuất xứ từ trường Đại học Berkeley (Mỹ) và cùng họ với SAP 2000. Điểm nổi bật của ETABS ở đây mà các phần mềm kết cấu khác (SAP 2000, STAAD III/PRO) không có nhƣ:
- ETABS là phần mềm kết cấu chuyên dụng trong tính toán và thiết kế nhà cao tầng.
- Giao diện được tích hợp hoàn toàn với môi trường Windows 95/98/NT/2000/XP.
- Tất cả các thao tác đƣợc thực hiện trên màn hình đồ hoạ thân thiện.
- Tính năng vƣợt trội khi vào số liệu, chỉnh sửa và sao chép dễ dàng, thuận tiện theo khái niệm tầng tương tự.
- Tối ƣu mô hình hố nhà nhiều tầng. Có thể mô hình các dạng kết cấu nhà cao tầng: Hệ kết cấu dầm, sàn, cột, vách toàn khối; Hệ kết cấu dầm, cột, sàn lắp ghép, li toàn khối…
- Các thƣ viện kết cấu sẵn có hoặc xây dựng sơ đồ kết cấu: dầm, sàn, cột, vách trên mặt bằng hoặc mặt đứng công trình bằng các công cụ mô hình đặc biệt.
- Kích thước chính xác với hệ lưới và các lựa chọn bắt điểm giống AutoCAD. Đặc biệt là hệ trục định vị mặt bằng kết cấu.
- Xuất và nhập sơ đồ hình học từ môi trường AutoCAD (file *.DXF) - Tự động tính toán tải trọng cho các kiểu tải sau: tải trọng bản thân, gió tĩnh, động đất theo tiêu chuẩn UBC, BS8110, BOCA96, hàm tải trọng phổ (Response Spectrum Function), hàm tải trọng đáp ứng theo thời gian (Time History Function)…
- Tự động xác định khối lƣợng và trọng lƣợng các tầng.
- Tự động xác định tâm hình học, tâm cứng và tâm khối lƣợng công trình.
- Tự động xác định chu kì và tần số dao động riêng theo hai phương pháp Eigen
Vectors v Ritz Vectors theo mơ hình kết cấu không gian thực tế của công trình.
- Đặc biệt có thể can thiệp và áp dụng các tiêu chuẩn tải trọng khác nhƣ: tải trọng gió động theo TCVN 2737-95, tải trọng động đất theo dự thảo tiêu chuẩn tính động đất Việt Nam hoặc tải trọng động đất theo tiêu chuẩn Nga (SNIPII-87 hoặc SNIPII-95).
- Phân tích và tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn với lựa chọn phân tích tuyến tính hoặc phi tuyến.
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 80 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân
- Thời gian thực hiện phân tích, tính toán công trình giảm một cách đáng kể so với các chương trình tính kết cấu khác.
- Đặc biệt việc kết xuất kết quả tính toán một cách rõ ràng, khoa học giúp cho việc thiết kế, kiểm tra cấu kiện một cách nhanh chóng, chính xác.
- Thiết kế và kiểm tra cấu kiện dầm, sàn, cột, vách theo các tiêu chuẩn: ACI318-99, UBC97, BS8110-89, EUROCODE 2-1992, INDIAN IS 456-2000, CSA-A23.3-94 … Trong đó: cấu kiện dầm tính ra đến diện tích thép Fa, cấu kiện cột tính ra đến diện tích thép Fa (có thể thực hiện bài toán thiết kế hoặc kiểm tra cấu kiện cột), cấu kiện vách tính ra đến diện tích thép Fa theo tiêu chuẩn ACI318-99, UBC97, BS8110 (có thể thực hiện bài toán thiết kế hoặc kiểm tra cấu kiện vách).
- Thiết lập một cách nhanh chóng, chính xác, ngắn gọn thuyết minh tính tốn cơng trình.
- Kết xuất dữ liệu ra các môi trường khác như: SAP 2000, SAFE, AUTOCAD, ACCESS, WORD, NOTEPAD.
- Đặc biệt là việc kết xuất các mức sàn tầng của công trình sang chương trình phụ trợ SAFE để tính toán sàn bê-tông cốt thép. Kết quả cuối cùng đạt đƣợc là biểu đồ nội lực, diện tích thép Fa, bố trí triển khai thép sàn.
Ghi chú: SAFE l phần mềm kết cấu chuyên dụng tính toán cho các loại bản sàn bê-tông cốt thép theo phương pháp phần tử hữu hạn như sàn giao thoa, sàn không dầm, sàn nấm, … ngoài ra SAFE cũng có thể tính nội lực và tính thép cho đài móng đơn hoặc móng tổ hợp, móng bè.
SAFE nằm trong bộ phần mềm SAP, ETABS, SAFE của trường Đại học Berkeley (Mỹ).
- Ngoài ra, ETABS có thể tính toán và thiết kế cho cấu kiện dầm tổ hợp (Composite Beam), thực hiện thiết kế chi tiết liên kết tại các nút đối với kết cấu thép (Joint Steel Design) theo các tiêu chuẩn thông dụng trên thế giới.
Mặc dù mới xuất hiện ở Việt Nam, xong có thể khẳng định ETABS là phần mềm kết cấu nổi trội và tiện dụng hơn hẳn so với các phần mềm kết cấu khác nhƣ: SAP 2000, STAAD III/PRO, PKPM trong việc tính toán và thiết kế nhà cao tầng.
Mục tiêu của việc phát triển và xây dựng nhà cao tầng ngoài việc đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc, môi trường, cảnh quan, … thì vấn đề tính toán thiết kế kết cấu công trình vẫn được đặt lên hàng đầu. Do đó việc lựa chọn một phần mềm phù hợp, rút ngắn thời gian, tiết kiệm tiền bạc và có độ tin cậy cao hoàn toàn do các kĩ sƣ kết cấu và các đơn vị tƣ vấn quyết định.
5.8.2.Khai báo tải trọng:
5.8.2.1.Tĩnh tải:
Tải trọng đứng tác dụng lên khung gồm có trọng lƣợng bản thân các cấu kiện, cầu thang và bể nước.
Dựa vào cấu tạo sàn gồm có bản bê tông cốt thép, các lớp tô trát, gạch lát nền, cũng nhƣ chức năng của từng ô bản sàn; căn cứ vào các thông số kỹ thuật của vật liệu và giá trị được qui định trong qui phạm, ta xác định được tải tính toán của ô bản sàn. Riêng trường hợp tĩnh tải không kể vào tải trọng bản thân bản bê tông cốt thép, mà ta khai báo hệ số Self Weight Multiplier = 1.1 trong khai báo tĩnh tải.
* Để chương trình tự tính tải trọng bản thân ta chỉ nhập những thông số sau trong phần định nghĩa vật liệu của bêtông (nhƣ hình ở trang bên).
+ Khối lƣợng riêng: 0.25T/m3. + Trọng lƣợng riêng: 2.5T/m3. + Module đàn hồi: 2.9x106 T/m2. + Hệ số Poisson: = 0.2
* Trọng lƣợng bản thân của lớp gạch, vữa ximăng, vữa trát, lớp chống thấm chúng ta khai báo riêng.
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 81 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân Giá trị tĩnh tải và hoạt tải của sàn tác dụng lên khung (mục 2.4, chương 2):
Giá trị tĩnh tải và hoạt tải tầng điển hình.
SÀN Tĩnh tải
(T/m2)
Hoạt tải (T/m2)
S1 Phòng ngủ 0.100 0.195
S2 Phòng WC 0.176 0.195
S3 Phòng ngủ 0.100 0.195
S4 Lô gia 0.100 0.240
S5 Phòng ăn/bếp 0.100 0.195 S6 Phòng khách 0.100 0.195
S7 Hành lang 0.100 0.360
S8 Hành lang 0.100 0.360
S9 Sảnh cầu thang 0.100 0.360
S10 Hành lang 0.100 0.360
S11 Phòng WC 0.176 0.195
S12 Phòng ngủ 0.100 0.195
Giá trị tĩnh tải và hoạt tải tầng 1.
SÀN Tĩnh tải
(T/m2)
Hoạt tải (T/m2) Phòng sinh hoạt cộng đồng 0.100 0.360
Cửa hàng 0.100 0.360
Kho 0.100 0.720
Siêu thị 0.100 0.360
PhòngWC 0.176 0.195
Hành lang 0.100 0.360
Cầu thang 0.100 0.360
Rác 0.100 0.360
Giá trị tĩnh tải và hoạt tải tầng thượng và mái lõi cầu thang.
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 82 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân
SÀN Tĩnh tải
(T/m2)
Hoạt tải (T/m2)
Sân thƣợng 0.176 0.195
Mái lõi cầu thang 0.100 0.195
Ngoài ra trên sàn và dầm còn có tĩnh tải tường, tải trọng do cầu thang và bể nước mái truyền vào khung. (Riêng bể nước mái thì tải trọng truyền lên sàn tại vị trí các chân cột bể nước).
Tải trọng bể nước gồm tr/lượng bản thân bể + trọng lượng của nước =45.34X4tấn(GTLN) Tải trọng bản thân tường tác dụng lên dầm:
m T Tuong
m T Tuong
/ 386 , 1 : 220
/ 693 , 0 : 110
Tĩnh tải tầng sân thượng.
Tĩnh tải tầng điển hình.
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 83 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân Tĩnh tải tầng 1
5.8.2.2.Hoạt tải đứng:
Chương trình ETABS có thể tự động dồn tải về các cấu kiện cho nên hoạt tải thẳng đứng tác dụng lên các bản sàn đƣợc khai báo trên phần tử shell (Bản sàn) với thứ nguyên lực trên đơn vị vuông; chương trình tự động dồn tải trọng về khung nút. Các ô sàn khác nhau đƣợc gán giá trị hoạt tải sử dụng thực tế của ô sàn ấy.
Hoạt tải tầng thượng
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 84 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân Hoạt tải điển hình
Hoạt tải tầng 1
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 85 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân Tải do tường, cầu thang, bể nước
5.8.2.3.Tải trọng gió: Gồm 2 thành phần : - Thành phần gió tĩnh (gió trái, gió phải) - Thành phần gió động.
+Thành phần gió tĩnh được tính đưa về tại các nút biên tại các mức sàn (theo phương tương ứng) theo diện tích bề mặt đón gió của công trình
+Thành phần động của gió :đưa về tác dụng ở các mức tương ứng với từng mức sàn của công trình (Đƣa về tất cả các nút khung của mặt bằng sàn và đƣợc chia đều).
Đƣợc nhập vào ETAB nhƣ sau:
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 86 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân Sau đólàm lần lƣợt với GTX,GTY,GDX,GDY,….
Nhập tải gió vào màng cứng
5.8.3.Mô hình tính toán nội lực :
Sơ đồ tính được lập trong phần mềm tính kết cấu ETABS 9.04 dưới dạng khung không gian có sự tham gia của phần tử frame là dầm, cột và các phần tử shell là sàn, vách thang máy, vách thang bộ.
Tải trọng được nhập trực tiếp lên các phần tử chịu tải theo các trường hợp tải trọng (TT, HTNH, GIO X, GIO Y, DDX, DDY). Phần tải trọng bản thân do máy tự tính nên ta chỉ nhập
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 87 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân
tĩnh tải phụ thêm ngoài tải trọng bản thân. Hoạt tải tính toán được nhn với hệ số giảm tải trước khi nhập vào máy.
Nội lực của các phần tử đƣợc xuất ra và tổ hợp theo các quy định trong TCVN 2737- 1995 và TCXD 198-1997
5.8.3.1.Tổ hợp nội lực:
Cơ sở cho việc tổ hợp nội lực
Tổ hợp nội lực nhằm tạo ra các cặp nội lực nguy hiểm có thể xuất hiện trong quá trình làm việc của kết cấu. Từ đó dùng để thiết kế thép cho các cấu kiện.
- Các loại tổ hợp nội lực:
+ Tổ hợp cơ bản 1: TT + 1 HT
+ Tổ hợp cơ bản 2: TT + nhiều hơn 2 HT với hệ số 0,9 (xem thêm trong phụ lục)
Các trường hợp tải ta gán vào sơ đồ tính
Các trường hợp tải.
TT Tải trọng Loại Ký hiệu Ý nghĩa
1 TINHTAI Dead TT Tĩnh tải và trọng lƣợng bản thân 2 HOATTAI Live HT Hoạt tải chất đầy
3 GIOTINHX Wind GTX Gió tĩnh theo phương X 4 GIOTINHY Wind GTY Gió tĩnh theo phương X 5 GIODONGX Wind GDX Gió động theo phương X 6 GIODONGY Wind GDY Gió động theo phương Y 7 DONGDATX Quake DDX Động đất theo phương X 8 DONGDATY Quake DDY Động đất theo phương Y Một số tổ hợp cần khai báo thêm trong Etabs phục vụ quá trình tổ hợp nội lực : Cấu trúc tổ hợp nội lực
Cấu trúc tổ hợp.
Tổ hợp Thành phần
TOHOP1 TT+HT
TOHOP2 TT+GTX+GDX
TOHOP3 TT-GTX-GDX
TOHOP4 TT+GTY+GDY
Sinh Viên:Đỗ Đình Thanh 88 GVHDKC: TS.Lê Văn Phước Nhân
TOHOP5 TT-GTY-GDY
TOHOP6 TT+0.9HT+0.9(GTX+GDX)
TOHOP7 TT+0.9HT-0.9(GTX+GDX)
TOHOP8 TT+0.9HT+0.9(GTY+GDY)
TOHOP9 TT+0.9HT-0.9(GTY+GDY)
TOHOP10 TT+DDX
TOHOP11 TT-DDX
TOHOP12 TT+DDY
TOHOP13 TT-DDY
TOHOP14 TT+0.3(HT+DDX)
TOHOP15 TT-0.3(HT+DDX)
TOHOP16 TT+0.3(HT+DDY)
TOHOP17 TT-0.3(HT+DDY)
TOHOP18 TT+0.3(HT+DDX+DDY)
TOHOP19 TT-0.3(HT+DDX+DDY)
TOHOP20 BAO ENVE(TOHOP1,…..,TOHOP19)