Tài liệu Mô hình các lò xo cho khung bê tông cốt thép có tường chèn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI PHƯƠNG HỮU THƠ MÔ HÌNH CÁC LÒ XO CHO KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TƯỜNG CHÈN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --------------------------PHƯƠNG HỮU THƠ KHÓA: 2013-2015 MÔ HÌNH CÁC LÒ XO CHO KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TƯỜNG CHÈN Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. VƯƠNG NGỌC LƯU Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân tác giả còn có sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Vương Ngọc Lưu và TS. Phạm Phú Tình đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ đào tạo Khoa Sau đại học thuộc trường Đại Học Kiến trúc Hà Nội, bộ môn Kết cấu bê tông cốt thép, các bạn bè và đồng nghiệp đã góp ý và tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song những thiếu sót trong luận văn là điều khó tránh khỏi. Tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, 2015 Phương Hữu Thơ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Phương Hữu Thơ MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục các bảng, biểu Danh mục các hình PHẦN 1: MỞ ĐẦU PHẦN 2: NỘI DUNG .............................................................……………. 1 .......................................................……….…….. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TƯỜNG CHÈN …….............................................................…………... 3 1.1 Giới thiệu về khung bê tông cốt thép có tường chèn …………………... 3 1.1.1 Vật liệu xây chèn trong khung bê tông cốt thép ………………….. 3 1.1.2 Các kiểu chèn trong khung bê tông cốt thép …………………….... 5 1.2 Các kiểu phá hoại của khung có tường chèn ……………...…………….7 1.2.1 Phá hoại cắt trượt của tường ….……...…………………………….7 1.2.2 Phá hoại nén vỡ dải chéo trong tường chèn ….…..……………….. 8 1.2.3 Phá hoại khung bê tông cốt thép ...…...…………………………….8 1.2.4 Phá hoại bong tách giữa khung bê tông cốt thép và tường chèn .......9 1.2.5 Phá hoại nứt chéo tường do ứng suất kéo làm tách vữa và gạch .......9 1.3 Một số mô hình phân tích ......……………....…………………………10 1.3.1 Mô hình liên tục ..….........................…………………….……… 10 1.3.2 Một số mô hình đơn giản hóa .........................…………………. 11 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH CÁC LÒ XO CHO KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TƯỜNG CHÈN ……........................................…………… 22 2.1 Đặc trưng cơ học của vật liệu chèn và của khối xây .………………… 22 2.1.1 Đặc trưng cơ học của vật liệu chèn ...……………………………. 22 2.1.2 Đặc trưng cơ học của khối xây …………………………….……..24 2.2 Phần tử thanh chống chỉ chịu kéo, không chịu kéo trong SAP2000 ......26 2.3 Phần tử liên kết trong SAP2000 (Link element) .......………………....27 2.4 Thiết lập mô hình các lò xo cho khung bê tông cốt thép có tường chèn 2.4.1 Cơ sở khoa học xây dựng mô hình ..…………………………..… 29 2.4.2 Thẩm định mô hình bằng phương pháp tĩnh phi tuyến đẩy dần (Pushover analysis) …………………......…………………………….. 37 2.5 Mô hình các lò xo cho các kiểu khối xây ………………………….…. 49 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TƯỜNG CHÈN THEO MÔ HÌNH CÁC LÒ XO ….....……...…….…. 51 3.1 Ví dụ 1 ........…………..……………………………………………… 51 3.2 Ví dụ 2 ........…………..……………………………………………… 59 3.3 Ví dụ 3 ........……………..…………………………………………… 74 3.4 Ví dụ 4 ........……………..…………………………………………… 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..………...........………………………… 90 DANH MỤC BẢNG, BIỂU Số hiệu bảng, biểu Bảng 3.1 Tên bảng, biểu Giá trị áp lực gió lên khung theo chiều cao So sánh chuyển vị ngang tại các tầng giữa các mô hình Bảng 3.2 (MH1), (MH2) và (MH3), Tỉ lệ sai số được quy chiếu đến mô hình (MH1) Bảng 3.3 Giá trị áp lực gió lên khung theo chiều cao Bảng 3.4 Chu kỳ (s) theo các phương pháp So sánh chuyển vị ngang tại các tầng giữa các mô hình Bảng 3.5 (MH1) và (MH2), Tỉ lệ sai số được quy chiếu đến mô hình (MH1) Bảng 3.6 Chuyển vị ngang tại các tầng của mô hình các lò xo DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình Hình 1.1 Hình ảnh gạch đặc và gạch Tuynel 4 lỗ Hình 1.2 Hình ảnh các kiểu chèn cục bộ trong một panel Hình 1.3 Hình ảnh các kiểu chèn xét tổng thể cả khung Hình 1.4 Trạng thái phá hoại do cắt trượt của tường chèn Hình 1.5 Trạng thái phá hoại nén vỡ dải chéo của tường chèn Hình 1.6 Trạng thái phá hoại do bong tách giữa khung và tường chèn Hình 1.7 Phá hoại khung và nứt chéo tường Hình 1.8 Mô hình liên tục (micro model) Hình 1.9 Mô hình tường xây chèn làm việc tương đương thanh chống chịu nén Hình 1.10 Các tham số hình học cơ bản Hình 1.11 Sự phát triển các kiểu mô hình thanh chống tương đương Hình 1.12 Sự phát triển các kiểu mô hình lò xo Hình 2.1 Tùy chọn Tension limit (nguồn SAP2000) Hình 2.2 Xây dựng phần tử lò xo (nguồn SAP2000) Hình 2.3 Khai báo chuyển vị của lò xo theo các phương (nguồn SAP2000) Hình 2.4 Tường chèn và thanh chống chịu nén tương đương Hình 2.5 Quan hệ lực cắt-chuyển vị và mô hình phân tích của tường chèn Hình 2.6 Các tham số hình học của khung một tầng một nhịp có tường chèn Số hiệu hình Tên hình Hình 2.7 Mô hình hóa tường chèn bằng thanh chống chéo (Diagonal Model) và lò xo (Horizontal-Spring Model). Hình 2.8 Khai báo tiết diện thanh chống trong SAP2000 Hình 2.9 Mô hình thanh chống trong SAP2000 Hình 2.10 Xác định đặc trưng khớp dẻo của dầm và cột (Hinge Properties) Hình 2.11 Xác lập PUSH case trong SAP2000 Hình 2.12 Quan hệ lực - biến dạng của tường chèn trong khung khi mô hình hóa tường chèn bằng mô hình thanh chống chéo (nguồn SAP2000) Hình 2.13 Khai báo phần tử lò xo trong SAP2000 Hình 2.14 Mô hình các lò xo trong SAP2000 Hình 2.15 Xác định đặc trưng khớp dẻo của dầm và cột (Hinge Properties) Hình 2.16 Xác lập PUSH case trong SAP2000 Hình 2.17 Quan hệ lực - biến dạng của tường chèn trong khung khi mô hình hóa tường chèn bằng mô hình lò xo (nguồn SAP2000) Hình 2.18 Quan hệ lực - biến dạng của tường chèn trong khung khi mô hình hóa tường chèn bằng mô hình thanh chống chéo và mô hình lò xo Hình 2.19 Mô hình các lò xo cho các kiểu khối xây trong panel Hình 3.1 Các tham số hình học Số hiệu hình Tên hình Hình 3.2 Tải trọng gió tác dụng lên khung (kN/m) Hình 3.3 Ba mô hình dùng để đánh giá mô hình các lò xo Hình 3.4 So sánh giữa ba mô hình xét về mặt chuyển vị Hình 3.5 Các than số hình học của khung 5 tầng 2 nhịp Hình 3.6 Tải trọng đứng tác dụng lên công trình Hình 3.7 Tải trọng gió tác dụng lên khung (kN/m) Hình 3.8 So sánh chu kỳ dao động của các phương pháp theo ví dụ 2 Hình 3.9 Các tham số hình học Hình 3.10 Thay thế tường chèn bằng mô hình các lò xo Hình 3.11 Hai mô hình dùng để đánh giá mô hình các lò xo Hình 3.12 So sánh giữa hai mô hình xét về mặt chuyển vị Hình 3.13 Các tham số hình học Hình 3.14 Thay thế tường chèn bằng mô hình các lò xo Hình 3.15 Mô hình và kết quả về chuyển vị của mô hình các lò xo 1 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong số rất nhiều loại vật liệu đáp ứng nhu cầu phân chia không gian và bao che cho công trình thì tường xây vẫn đóng góp một tỷ trọng rất lớn. Ở Việt Nam việc xây dựng nhà cao tầng có sử dụng phương án kết cấu khung bê tông cốt thép có tường xây chèn rất phổ biến. Hiện nay việc tính toán khung bê tông cốt thép có tường xây chèn còn nhiều hạn chế, lãng phí khi mới chỉ coi tường xây là tải trọng tĩnh quy về tải phân bố đều đặt lên các dầm khung mà chưa kể tới khả năng chịu tải của tường xây cũng như ảnh hưởng tổng thể của nó trong khung bê tông cốt thép. Từ thực trạng đó, việc nghiên cứu tìm ra ảnh hưởng cũng như thiết lập các mô hình tính toán cho khung bê tông cốt thép có tường xây chèn được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Song việc tìm ra mô hình tính toán đánh giá đúng được tác động của tường xây chèn trong khung bê tông cốt thép đồng thời đơn giản hóa trong tính toán cũng như việc lập mô hình tính toán trong các phần mềm tính toán kết cấu vẫn rất cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng mô hình các lò xo cho khung bê tông cốt thép có tường xây chèn. - Nghiên cứu ảnh hưởng của tường chèn trong khung bê tông cốt thép bằng việc sử dụng mô hình các lò xo. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Khung bê tông cốt thép một tầng một nhịp và khung ba tầng một nhịp. Tường xây chèn không có cốt thép, không gia cố, xét tường không có lỗ cửa và tường có lỗ cửa. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu bằng lý thuyết và sử dụng phần mềm tính toán kết cấu (SAP2000) để phân tích. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Giới thiệu và làm sáng tỏ mô hình thay thế tường xây chèn bằng các lò xo để phân tích khung bê tông cốt thép có tường xây chèn chịu tải trọng đứng và ngang. - Mô hình này cho kết quả phân tích chuyển vị và kết quả phân tích tổng thể phù hợp với ứng xử thực của công trình, đồng thời việc tính toán cũng như khi đưa mô hình vào các phần mềm tính toán kết cấu đơn giản phù hợp với yêu cầu thực tiễn. - Ngoài ra ưu điểm lớn nhất của mô hình các lò xo so với các mô hình đơn giản hóa trước đó (mô hình thanh chống) là mô hình các lò xo có thể giải quyết được bài toán khung có tường chèn có nhiều lỗ mở khác nhau cả về kích thước lẫn vị trí của lỗ mở trên khung. THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận  Luận văn giới thiệu và làm sáng tỏ mô hình các lò xo cho khung bê tông cốt thép có tường chèn, đây là một mô hình có quy trình tính toán đơn giản, thuận tiện trong việc xây dựng mô hình tính toán trong các phần mềm kết cấu như SAP2000, ETAPS,...  Bằng việc sử dụng phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (Pushover analysis) tác giả thiết lập đường quan hệ lực - biến dạng của tường chèn trong khung bê tông cốt thép khi thay thế tường chèn bằng mô hình thanh chống chéo và mô hình lò xo, qua đó luận văn xây dựng tính đúng đắn cũng như cơ sở khoa học của mô hình các lò xo cho khung bê tông cốt thép.  Qua các ví dụ tính toán và so sánh kết quả tính toán của mô hình các lò xo với mô hình liên tục và các mô hình đơn giản hóa cho thấy mô hình các lò xo là mô hình cho kết quả tổng thể gần sát với các mô hình đơn giản hóa trước đó (mô hình thanh chống).  Mô hình các lò xo có thể giải quyết bài toán khung có tường chèn có nhiều lỗ mở khác nhau cả về kích thước lẫn vị trí của lỗ mở trên khung. Đây cũng là ưu điểm lớn nhất của mô hình các lò xo so với các mô hình trước đó. Kiến nghị Ở những nghiên cứu tiếp theo, có thể phát triển các công việc:  Tiến hành các thí nghiệm cho khung có tường chèn không lỗ mở, phát triển công thức tính độ cứng k của lò xo trong mô hình các lò xo cho khung bê tông cốt thép có tường chèn. 91  Nghiên cứu xác định độ cứng lò xo đơn và độ cứng lò xo tương đương theo mô hình các lò xo cho khung bê tông cốt thép có tường chèn có lỗ mở.  Nghiên cứu ảnh hưởng cục bộ của khung bê tông cốt thép có tường chèn là độ trôi tầng.  Đánh giá ứng xử của khung có tường chèn chịu động đất bằng phương pháp tĩnh phi tuyến đẩy dần. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bùi Ngọc Dũng (2014), Mô hình hai thanh chống không song song cho khung bê tông cốt thép có tường chèn, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Kiến trúc Hà Nội. 2. Lý Trần Cường , Đinh Chính Đạo (2008), Kết cấu gạch đá và gạch đá cốt thép, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 3. Lý Trần Cường (1991), Sự làm việc đồng thời của khung bê tông cốt thép với khối xây chèn dưới tác dụng của tải trọng ngang, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Xây dựng Hà Nội. 4. Nguyễn Lê Ninh (2008), Động đất và thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây dựng, Hà Nội. 5. Tăng Bá Bay (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến sự làm việc của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Kiến trúc Hà Nội. 6. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5573 (1991), Kết cấu gạch đá và gạch đá cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội. 7. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574 (2011), Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội. 8. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737 (1995), Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội. Tiếng Anh 9. Asteris P.G, Kakaletsis D.J, Chrysostomou C.Z, Smyrou E.E (2011), "Failure Modes of In-filled Frames", Electronic Journal of Structural Engineering (11). 10. Amato G, Fossetti M, Cavaleri L, Papia M (2009), "An updated model of equivalent diagonal strut for infill panels", Eurocode 8 perspectives from Italian standpoint workshop ( 2009), 119-128. 11. Canadian Standards Association CSA S304.1-04 (2004), Design of Masonry Structure. 12. Chen, Yi-Hsin (2003), Seismic Evaluation of RC Buildings Infilled with Brick Walls, PhD thesis, National ChengKung University. 13. Chrysostomou CZ (1991), Effects of degrading infill walls on the nonlinear seismic response of two-dimensional steel frames, Master thesis, Cornell University. 14. Computer and Structures, SAP2000 Version 14.2.2, Linear and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of Three Dimensional Structures. 15. Crisafulli F.J (1997), Seismic behaviour of reinforced concrete structures with masonry infills, Master thesis, University of Canterbury. 16. Dorji Jigme (2009), Seismic performance of brick infilled RC fame structures in low an medium rise buildings in Bhutan, Master thesis, Queensland University of Technology. 17. FEMA356 (2000), Prestandard an commentary for the seismic rehabilitation of buildings, United States of America. 18. Fiore A, Netti A, Monaco P (2012), "The influence of masonry infill on the seismic behaviour of RC frame buildings", Engineering Structures (44), 133-145. 19. Holmes M (1961), "Steel frame with brick work and Concrete infilling", Proceedings of the institution of civil engineers, Vol.-19, pp.473-478. 20. Hossein Mostafaei, Toshimi Kabeyasawa (2004), "Effect of infill masonry walls on the seismic response of reinforced concrete buildings subjected to the 2003 Bam Earthquake strong motion: A case study of Bam Telephone Center", Earthquake Research Institute, The University of Tokyo. 21. Mainstone (1971), "On the stiffness and strength of infilled frames", Proceedings of the institution of civil engineers, London, UK, supplement IV, paper 7360S; 1971. p. 57-90. 22. Madan A, Reinhorn A.M, Fellow, Mander J.B (1997), "Modeling of masonry infill panels for structural analysis", Journal of structural engineering 1997. 23. Smith (1967), "Methods for predicting the lateral stiffness and strength of multistorey infilled frames", Building Science, Vol.2, pp.247-257,1967. 24. Paulay T, Priestley M.J.N (1992), Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings. 25. Polyakov S.V (1960), "On the interaction between masonry filler walls and enclosing frame when loaded in the plane of the wall", Translations in Earthquake Engineering Research Institute, San Francisco, 36-42.