Tài liệu Xây dựng đường đặc tính pushover trong hệ kết cấu khung có dầm chuyển

MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN NAY................................................................................................................................. 4 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN ......................................... 4 1.1.1. Đặc điểm dầm chuyển .................................................................................. 4 1.1.2. Các dạng dầm chuyển trong hệ kết cấu ........................................................ 4 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN ................................................................................... 6 1.2.1. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương ................................................... 8 1.2.2. Phương pháp phổ phản ứng .......................................................................... 9 1.3. CÁC TIÊU CHÍ PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ .............................................................. 9 1.3.1. Xem xét độ cứng và chuyển vị ..................................................................... 9 1.3.2. Kiểm tra hạn chế hư hỏng ........................................................................... 10 1.3.3. Kiểm tra ảnh hưởng bậc hai ........................................................................ 10 1.4. THIẾT KẾ THEO KHẢ NĂNG ............................................................................ 11 1.4.1. Quy trình thiết kế ........................................................................................ 11 1.4.2. Cơ chế chảy dẻo mong muốn của khung khi chịu động đất ....................... 11 1.5. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THEO TCVN 9386:2012................... 12 CHƯƠNG 2. ĐẶC TÍNH KHỚP DẺO CỦA TIẾT DIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐẨY DẦN TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU .......................................................... 14 2.1. XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH KHỚP DẺO CỦA TIẾT DIỆN .................... 14 2.1.1. Cấp độ làm việc IO ..................................................................................... 14 2.1.2. Cấp độ làm việc LS..................................................................................... 14 2.1.3. Cấp độ làm việc CP .................................................................................... 14 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐẨY DẦN PUSHOVER .......................................................... 18 2.2.1. Nội dung và mục đích của phương pháp .................................................... 18 2.2.2. Mô hình hóa và kết quả ............................................................................. 18 2.2.3. Xác định chuyển vị mục tiêu ...................................................................... 19 2.3. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................... 21 2.3.1. Tổng quan ................................................................................................... 21 2.3.2. Thiết kế cốt thép dọc tại khớp dẻo dầm theo tiêu chí hạn chế hư hỏng ..... 21 2.3.3. Lựa chọn mô hình tải để phân tích ............................................................. 22 2.3.4. Mô hình phi đàn hồi một phần PIM............................................................ 23 2.3.5. Kiểm tra các tiêu chí hạn chế hư hỏng ....................................................... 23 2.3.6. Thiết kế cột theo tiêu chí hư hỏng đáng kể ................................................. 24 2.3.7. Thiết kế cốt đai cho các cấu kiện ................................................................ 24 2.3.8. Chi tiết cốt đai, neo và nối chồng ............................................................... 24 CHƯƠNG 3. THÍ DỤ TÍNH TOÁN: PHÂN TÍCH HỆ KHUNG PHẲNG 7 TẦNG, 3 NHỊP, XÂY DỰNG TẠI TP. ĐÀ NẴNG .................................................. 26 3.1. MÔ HÌNH KHUNG VÀ SỐ LIỆU THIẾT KẾ ..................................................... 26 3.2. THIẾT KẾ KHUNG THEO TCVN 5574:2012 ..................................................... 31 3.2.1. Xác định tải trọng ngang tại các tầng ......................................................... 31 3.2.2. Kiểm tra các điều kiện theo TCVN 9386:2012 .......................................... 32 3.2.3. Thiết kế dầm và cột..................................................................................... 33 3.3. XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH PUSHOVER (ĐƯỜNG BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC CẮT ĐÁY VÀ CHUYỂN VỊ NGANG) ....................... 38 3.3.1. Quy trình phân tích hệ kết cấu theo phương pháp đẩy dần ........................ 38 3.3.2. Kết quả tính toán bằng phần mềm SAP2000 .............................................. 38 3.3.3. Trình tự tiến hành xác định chuyển vị mục tiêu theo TCVN 9386:2012 ... 42 3.3.4. Thiết kế theo chuyển vị mục tiêu ................................................................ 44 3.3.5. So sánh phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (pushover) và phương pháp tĩnh lực ngang tương đương .................................................................... 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ATC Applied Technology Council BTCT CP Hội đồng ứng dụng công nghệ Bê tông cốt thép Collapse Prevention DDBD Trạng thái ngăn ngừa sụp đổ Direct Displacement-Based Design DL Thiết kế trực tiếp dựa trên chuyển vị Damage Limitation Trạng thái hạn chế hư hỏng TCVN 9386: 2012 Eurocode 8 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn eurocode 8 FBD Force – Based Design Thiết kế dựa trên lực FEMA Federal Emergency Management Agency FF IO LS MDOF NC O PBSD PIM Cơ quan liên bang quản lý tình trạng khẩn cấp Fully Functional Đầy đủ chức năng Immediate Occupancy Trạng thái hạn chế hư hỏng Life Safety Trạng thái hư hỏng nhưng vẫn an toàn Multi-Degree-of-Freedom Hệ nhiều bậc tự do Near collapse Trạng thái gần sụp đổ Operational Duy trì hoạt động Performance Based Seismic Design Thiết kế kháng chấn dựa trên sự làm việc Partial Inelastic Model Mô hình phi đàn hồi một phần PUSHOVER Static Pushover Analysis Phân tích tĩnh phi tuyến hay phương pháp đẩy dần PUSHOVER SD Significant Damage Trạng thái hư hỏng đáng kể SDOF Single-Degree-of-Freedom Hệ một bậc tự do DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KÝ TỰ LA TINH x max Chuyển vị lớn nhất xy Chuyển vị tại điểm chảy dẻo đầu tiên q Fel Hệ số ứng xử Lực quán tính lớn nhất của hệ SDOF Fy Se(T) Lực quán tính tại điểm chảy dẻo đầu tiên của hệ Phổ phản ứng gia tốc nền đàn hồi theo phương nằm ngang còn gọi là phổ phản ứng đàn hồi. T ag Sd(T) Chu kỳ dao động của hệ đàn hồi một bậc tự do Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A Tung độ phổ thiết kế tại chu kỳ T T1 Fb Chu kỳ cơ bản của hệ Lực cắt đáy thiết kế mi Khối lượng tầng thứ i Sd Phổ thiết kế trong phân tích đàn hồi Fi zi Lực ngang tác dụng tại tầng i Chiều cao của khối lượng mi ds qd der dr Chuyển vị gây ra bởi các tác động động đất thiết kế Hệ số ứng xử chuyển vị Chuyển vị từ phân tích đàn hồi tuyến tính Chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng Ved Lực cắt thiết kế tính toán l cl Chiều dài thông thủy của dầm hoặc cột MR,i MRb,i Momen chảy dẻo của dầm ở đầu mút i Giá trị thiết kế của độ bền uốn của dầm ở đầu mút i M Rb Tổng độ bền khả năng dầm tại bề mặt nút theo hướng động đất đang xét M Vg Md,i MRc,i Rc Tổng độ bền khả năng cột tại bề mặt nút theo hướng động đất đang xét Lực cắt của tải trọng đứng thiết kế Momen chảy dẻo của cột ở đầu mút i Giá trị thiết kế của độ bền uốn của cột ở đầu mút i d Chiều cao làm việc của tiết diện z Cánh tay đòn của ngoại lực As Diện tích cốt thép chịu kéo A’s fyk fyd Diện tích cốt thép chịu nén Giới hạn chảy danh nghĩa của thép Giá trị thiết kế của giới hạn chảy của thép fck fcd Giới hạn cường độ chịu nén danh nghĩa của bê tông Giá trị thiết kế của cường độ chịu nén của bê tông fctm b Giá trị trung bình của cường độ chịu kéo của bê tông Chiều rộng cánh dưới của dầm hw Mcap dbL dbw hw bc Chiều cao tiết diện ngang của dầm Momen khả năng Đường kính thanh cốt thép dọc Đường kính thanh cốt thép đai Chiều cao tiết diện ngang dầm Kích thước ngang của cột hc beff bi bo m* dn Fb* Chiều cao tiết diện ngang của cột Chiều rộng ảnh hưởng của cánh dầm chịu kéo tại bề mặt cột đỡ Khoảng cách giữa các thanh liền kề nhau được giới hạn bởi góc uốn của cốt thép đai hoặc bởi đai móc trong cột Bề rộng của phần lõi có cốt đai hạn chế biến dạng trong cột Khối lượng của hệ SDOF Chuyển vị tại nút kiểm soát của hệ MDOF Lực cắt đáy của hệ SDOF dn* Fy* dy* Chuyển vị tại nút kiểm soát của hệ SDOF Lực cắt đáy khi hình thành cơ cấu dẻo Chuyển vị dẻo của hệ SDOF E *m Năng lượng biến dạng thực tế cho đến khi hình thành cơ cấu dẻo d*m Chuyển vị chảy dẻo của hệ MDOF T* Chu kỳ của hệ SDOF tương đương lý tưởng Chuyển vị mục tiêu của hệ MDOF dt KÝ TỰ HY LẠP Độ dẻo kết cấu  1 Hệ số nhân của tác động động đất thiết kế theo phương nằm ngang tại thời điểm hình thành khớp dẻo đầu tiên trong hệ kết cấu u Hệ số nhân của tác động động đất thiết kế theo phương nằm ngang tại  thời điểm hình thành cơ chế dẻo toàn bộ Hệ số điều chỉnh độ cản     Rd Hệ số hiệu chỉnh  Hệ số dẻo kết cấu khi uốn  ed Ứng suất cắt thiết kế syd Giá trị thiết kế của biến dạng thép tại điểm chảy dẻo  Hàm lượng cốt thép chịu kéo ' Hàm lượng cốt thép chịu nén trong dầm max Hàm lượng cốt thép chịu kéo cho phép tối đa trong vùng tới hạn của Hệ số chiết giảm liên quan đến chu kỳ lặp thấp hơn tác động động Hệ số độ nhạy với chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng Hệ số xét sự vượt độ bền do sự tái bền của cốt thép dầm kháng chấn chính d Lực dọc quy đổi trong tình huống thiết kế chịu động đất i  Chuyển vị chuẩn hóa tại tầng i Hệ số chuyển đổi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1. Các số liệu thiết kế 27 3.2. Xác định tải trọng gió tác dụng vào khung 27 3.3. Tải trọng ngang tại các tầng 31 3.4. Chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng 32 3.5. Hệ số độ nhạy của chuyển vị ngang tương đối giữa các tần g 32 3.6. Tính thép dọc dầm khung 33 3.7. Tính thép dọc cột khung 36 3.8. Khối lượng và chuyển vị chuẩn hóa tại các tầng 44 3.9. Lực cắt đáy và chuyển vị hệ nhiều bậc tự do và một bậc tự do tương đương 45 3.10. Tải trọng thiết kế 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Dầm đỡ 1 hoặc nhiều cột 5 1.2. Dầm đỡ vách liên tục 5 1.3. Dầm đỡ vách không liên tục 5 1.4. Sơ đồ khung theo yêu cầu kết cấu và kiến trúc 6 1.5. Sự tương đương của độ dẻo và hệ số ứng xử với chuyển vị đàn hồi và phi đàn hồi 7 6a. Cột khỏe – dầm yếu 7 6b. Cột yếu – dầm khỏe 12 2.1. Đường đặc tính khớp dẻo trong dầm 15 2.2. Đường đặc tính khớp dẻo tiết diện không chịu lực dọc 17 2.3. Đường đặc tính khớp dẻo tiết diện có sự tham gia của lực dọc 17 2.4. Phương pháp đẩy dần Pushover 19 2.5. Quan hệ lực – đàn dẻo lý tưởng 20 2.6. Mô hình phi đàn hồi một phần PIM 23 2.7. Quy trình thiết kế theo phương pháp nghiên cứu 25 3.1. Đặc trưng hình học của khung (đơn vị: mm) 26 3.2. Sơ đồ Tĩnh tải 28 3.3. Sơ đồ Hoạt tải 29 3.4. Sơ đồ Tải trọng gió 30 3.5. Biểu đồ momen bước 1 39 3.6. Vị trí xuất hiện khớp dẻo 39 3.7. Biểu đồ momen bước 2 40 3.8. Vị trí xuất hiện khớp dẻo 40 3.9. Sơ đồ hệ và vị trí các khớp dẻo ở giai đoạn cuối cùng 41 3.11. Xác định quan hệ giữa lực - chuyển vị đàn dẻo lý tưởng 43 3.12. Đường cong pushover của hệ nhiều bậc tự do và hệ 1 bậc tự do tương đương 45 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, hệ kết cấu có dầm chuyển bắt đầu được sử dụng phổ biến, nhằm đáp ứng yêu cầu thay đổi công năng sử dụng theo chiều cao của công trình, ví dụ như các công trình bên dưới sử dụng để làm khu thương mại còn bên trên sử dụng để xây dựng căn hộ. Hệ kết cấu có dầm chuyển được sử dụng trong các kết cấu cao tầng cũng như thấp tầng với nhiều hình thức khác nhau. Việc thiết kế hệ kết cấu có dầm chuyển chủ yếu dựa vào phân tích sự làm việc tuyến tính của kết cấu, điều này là thiếu chính xác. Hiện nay có nhiều phương pháp phân tích phi tuyến kết cấu, trong đó phương pháp đẩy dần (pushover analysis) được xem như là công cụ khá hiệu quả để ứng dụng vào thiết kế thực tế. Phương pháp này cho phép theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại của các cấu kiện thành phần cũng như toàn bộ hệ kết cấu, đồng thời cho phép xác định chuyển vị ngang không đàn hồi trên toàn bộ chiều cao của công trình và cách thức sụp đổ của hệ kết cấu. Phương pháp đẩy dần PUSHOVER (pushover) được nghiên cứu để xác định phản ứng động đất lên hệ kết cấu trong vài thập kỷ qua. Tác giả Lê Xuân Quang và Trịnh Quang Thịnh (2010) đã sử dụng phương pháp này để kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 Phần 1 cũng gợi ý rằng: phương pháp này có thể sử dụng như là một phương pháp thiết kế trực tiếp thay cho phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính có sử dụng hệ số ứng xử q, nhưng hướng dẫn để áp dụng trong thực hành rất hạn chế, chỉ gồm cách điều chỉnh các trận động đất phù hợp với trận động đất thiết kế và cách xác định chuyển vị mục tiêu. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 cho phép, nếu thực hiện phân tích tĩnh phi tuyến (đẩy dần), thì có thể bỏ qua thành phần đứng của tác động động đất. Việc phân tích tĩnh phi tuyến đối với hệ kết cấu có dầm chuyển cho kết quả sát với sự làm việc thực tế của hệ kết cấu, trong đó tác động ngang và tác động thẳng đứng của động đất lên công trình đã được xét đến trong quá trình phân tích. Kappos và Manafpour (2001) đã phát triển một phương pháp luận PBSD của các công trình BTCT, trong đó chủ yếu sử dụng phân tích động phi đàn hồi và phát triển một định dạng thích hợp để đưa vào tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9386:2012. Manafpour (2004) đã kết hợp giữa FBD với phương pháp phân tích phi đàn hồi trong quá trình thiết kế để kiểm soát biến dạng quá mức, phân tích và đánh giá được thực hiện chủ yếu bằng phân tích động phi đàn hồi và gợi ý cho phân tích tĩnh phi đàn hồi. Tất cả các 2 nghiên cứu này đều được thực hiện bằng phần mềm IDARC 4.0. Trong đó, các cấp độ làm việc và thuộc tính khớp dẻo được xác định theo FEMA273 mặc định trong phần mềm. Phương pháp phân tích động phi đàn hồi là một phương pháp chính xác, nhưng khá phức tạp và mất thời gian nên không được xem xét ở đây. Trong luận văn này, tác giả sử dụng một phương pháp thiết kế kháng chấn trực tiếp đơn giản hơn dựa vào phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần như đã đề cập đến trong TCVN 9386:2012. Để minh họa chi tiết cho ưu và nhược điểm của phương pháp nghiên cứu, một khung BTCT 7 tầng, 3 nhịp, có dầm chuyển tại vị trí tầng 2 được thiết kế theo TCVN 9386:2012 và phương pháp phân tích đẩy dần (pushover). Các cấp độ làm việc và chuyển vị mục tiêu của hệ kết cấu được xác định theo TCVN 9386:2012 bằng phần mềm SAP2000 v19. Một quy trình đánh giá được thực hiện bằng phương pháp này, bao gồm một số tiêu chí để đánh giá và so sánh sự làm việc kháng chấn của các khung thiết kế. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu các dạng hệ kết cấu có dầm chuyển - Nghiên cứu quy trình phân tích phi tuyến hệ kết cấu khung có dầm chuyển theo phương pháp đẩy dần, xây dựng đường đặc tính pushover của hệ kết cấu (đường biểu diễn quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang) - So sánh kết quả giữa việc phân tích phi tuyến và phân tích tuyến tính kết cấu, từ đó đưa ra một số lưu ý trong vấn đề thiết kế hệ kết cấu khung có dầm chuyển. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu khung phẳng có dầm chuyển, cao tầng hoặc thấp tầng - Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng đường đặc tính pushover và ứng dụng đường đặc tính đó trong thiết kế kết cấu. 4. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra các phương pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu quy trình thiết kế kháng chấn theo TCVN 9386:2012 - Tìm hiểu phương pháp đẩy dần pushover trong phân tích kết cấu. Xác định đường đặc tính dẻo của tiết diện bê tông cốt thép (đường biểu diễn mối quan hệ giữa Moment uốn và biến dạng). Từ đó áp dụng vào việc phân tích hệ kết cấu khung có dầm chuyển theo phương pháp đẩy dần với các đặc trưng khớp dẻo đã có. Trên cơ sở phân tích lý thuyết, áp dụng phân tích một hệ kết cấu khung phẳng có dầm chuyển, từ đó xây dựng đường đặc tính pushover của hệ kết cấu - Mô hình hóa, phân tích kết cấu bằng phần mềm SAP2000 và RESPONSE-2000 3 - Nghiên cứu và xây dựng quy trình thiết kế kháng chấn dựa trên phân tích tĩnh phi tuyến. 5. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, luận văn bao gồm ba chương như sau: Chương 1: Tổng quan về các dạng hệ kết cấu có dầm chuyển và các phương pháp phân tích phi tuyến hệ kết cấu được sử dụng hiện nay Chương 2: Đặc tính khớp dẻo của tiết diện và phương pháp đẩy dần trong phân tích kết cấu. Chương 3: Thí dụ tính toán: phân tích hệ khung phẳng 7 tầng, 3 nhịp, xây dựng tại TP. Đà Nẵng. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN NAY 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN Ngày nay, nhà nhiều tầng đều là những công trình phức hợp đáp ứng nhiều công năng: thương mại, dịch vụ ở các tầng dưới, văn phòng làm việc và căn hộ ở các tầng bên trên. Yêu cầu này đòi hỏi các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ hơn ở các tầng trên. Giải pháp đòi hỏi một kết cấu chuyển giữa các tầng. Tại thành phố Hồ Chí Minh, kết cấu dầm (sàn) chuyển đã được sử dụng cho các công trình: Hùng Vương Plaza (37 tầng), Sài Gòn Pearl (39 tầng), Sealing Tower (26 tầng), căn hộ cao cấp Hạnh Phúc (20 tầng), cao ốc văn phòng Nhơn Trạch – Đồng Nai (17 tầng). Tại Đà Nẵng, công trình khách sạn Grand Mercure (22 tầng) cũng sử dụng hệ kết cấu dầm (sàn) chuyển. Tuy nhiên, các tài liệu nghiên cứu và phân tích kết cấu dầm (sàn) chuyển chưa được phổ biến rộng rãi tại Việt Nam. 1.1.1. Đặc điểm dầm chuyển Ưu điểm Giải quyết được việc “trốn cột”, tạo không gian lớn cho tầng bên dưới, kết cấu chuyển có khả năng vượt nhịp lớn, nhịp có thể lên đến 16-20m, giảm kích thước cấu kiện của các tầng trên kết cấu chuyển. Khuyết điểm Tải trọng tập trung bên trên kết cấu dầm chuyển khá lớn, khi xảy ra động đất kết cấu rất dễ phá hoại. Tính toán, thi công dầm chuyển tương đối phức tạp, khó khăn trong lắp dựng giàn giáo cũng như đổ bê tông toàn khối cấu kiện lớn. Trọng lượng bản thân công trình phân bố không đồng điều, tập trung khối lượng lớn ở tầng có dầm chuyển làm cho công trình dễ mất ổn định khi có ngoại lực tác dụng vào công trình (động đất, gió bão) và các kết cấu bên dưới của dầm chuyển dễ mất ổn định. 1.1.2. Các dạng dầm chuyển trong hệ kết cấu Theo hình học kết cấu chuyển có 4 dạng cơ bản sau 5 Hình 1.1. Dầm đỡ 1 hoặc nhiều cột Hình 1.2. Dầm đỡ vách liên tục Hình 1.3. Dầm đỡ vách không liên tục Trong kết cấu chuyển chia ra 3 cấu kiện (bộ phận) cơ bản sau: - Cấu kiện truyền tải bên trên dầm chuyển - Cấu kiện nhận tải – dầm chuyển - Cấu kiện chống đỡ bên dưới dầm chuyển Việc sử dụng dầm chuyển trong hệ kết cấu phụ thuộc nhiều vào việc bố trí mặt bằng của công trình. Dạng kết cấu hợp lý của công trình thường sử dụng nhiều cột đối với các tầng dưới và bố trí các không gian đòi hỏi nhịp lớn (như không gian hội họp, sân khấu …) tại vị trí các tầng trên. Tuy nhiên, theo yêu cầu về công năng sử dụng của kiến trúc, các không gian rộng lớn như nhà hàng, siêu thị, sân khấu cần bố trí tại vị trí các tầng dưới cho tiện việc sử dụng, điều này dẫn đến cần phải có hệ kết cấu dầm chuyển để tạo được các nhịp có kích thước lớn tại các tầng dưới. 6 (a) Hệ khung hợp lý về mặt kết cấu (b) Hệ khung theo yêu cầu của kiến trúc Hình 1.4. Sơ đồ khung theo yêu cầu kết cấu và kiến trúc 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN Mục đích của thiết kế theo TCVN 9386:2012 nhằm đảm bảo hai mục tiêu làm việc: “hạn chế hư hỏng” với những trận động đất có tần suất thường xuyên và “không sụp đổ” trong các trận động đất lớn. Để chịu được các trận động đất này, TCVN 9386:2012 cho phép kết cấu xảy ra một trong hai ứng xử: tiêu tán năng lượng (dẻo) hoặc không tiêu tán năng lượng (đàn hồi). Nguyên tắc thiết kế và cấu tạo được cung cấp để phản ánh khả năng dẻo dự định trong những vùng tới hạn đó. Đặc biệt, cho trường hợp kết cấu BTCT, khi sự làm việc như vậy chỉ có thể đạt được nếu sự suy giảm độ bền trong các vòng lặp “trễ” được đảm bảo bởi chi tiết của các vùng tới hạn. Ba cấp tiêu tán năng lượng được giới thiệu trong TCVN 9386:2012: - Cấp dẻo thấp (DCL): Hầu như không có độ dẻo “trễ” được thiết kế và khả năng chịu tải trọng động đất thông qua độ bền của kết cấu chứ không phải độ dẻo. 7 - Cấp dẻo vừa (DCM): Cho phép một mức độ khá cao của độ dẻo, tương ứng với các yêu cầu thiết kế và chi tiết cấu tạo được áp dụng. - Cấp dẻo cao (DCH): Cho phép ứng xử phi đàn hồi lớn, các yêu cầu về thiết kế và chi tiết cấu tạo phức tạp hơn. Trong nhiều trường hợp, thiết kế với giả thiết hệ kết cấu vẫn đàn hồi trong trận động đất lớn sẽ là không kinh tế vì lực yêu cầu sẽ rất lớn. Một thiết kế kinh tế hơn có thể đạt được bằng cách chấp nhận một số mức độ hư hỏng nhẹ và sử dụng độ dẻo của kết cấu để giảm lực yêu cầu đến mức chấp nhận được. Sự chảy dẻo của một kết cấu cũng có tác dụng hạn chế lực quán tính. Trong TCVN 9386:2012, việc giảm lực này được xác định bởi hệ số ứng xử q: q Fel Fy (1.1) Trong đó: Fel: Lực quán tính lớn nhất của hệ SDOF đáp ứng đàn hồi trong trận động đất. Fy: Lực quán tính tại điểm chảy dẻo đầu tiên của hệ. Hình 1.5. Sự tương đương của độ dẻo và hệ số ứng xử với chuyển vị đàn hồi và phi đàn hồi Khi thiết kế kết cấu có xét phản ứng phi đàn hồi khi chịu động đất, phương pháp đơn giản và sử dụng rộng rãi nhất là sử dụng các phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính nhưng với các lực thiết kế được giảm bằng hệ số ứng xử q. Trong nhiều trường hợp phức tạp, cách tiếp cận hệ số q có thể không chính xác và sự làm việc phi đàn hồi của kết cấu cần được mô tả thực tế hơn. Trong những trường hợp này, một phân tích phi tuyến nên được thực hiện bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp: tĩnh phi tuyến (pushover) hoặc phân tích thời gian lịch sử phi 8 tuyến. Thay vì sử dụng một hệ số duy nhất, các phương pháp này yêu cầu các đặc trưng lực – biến dạng phi tuyến của mỗi cấu kiện. 1.2.1. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp trong đó lực quán tính do lực động đất sinh ra tác động lên công trình theo phương ngang được thay bằng các tĩnh lực ngang tương đương. Trong phương pháp này, độ bền thực tế của công trình được giả định là cao hơn so với độ bền thiết kế và kết cấu có thể tiêu tán năng lượng thông qua chảy dẻo. Vì vậy, một phân tích tĩnh được thực hiện để xác định lực cắt đáy bằng cách giảm phổ phản ứng đàn hồi bằng một hệ số ứng xử q. Sau đó, lực cắt đáy được phân phối trở lại trên chiều cao công trình tại các vị trí có khối lượng tập trung, thường là tại cao trình bản sàn. * Nội dung phương pháp: - Ước tính chu kỳ cơ bản: T1  Ct .h 0.75 Trong đó: Ct = 0,085 đối với khung thép không gian chịu momen. Ct = 0,075 đối với khung bê tông không gian chịu momen và khung thép có giằng lệch tâm. Ct = 0,05 đối với các kết cấu khác. 4TC và tiêu chí đều đặn theo mặt đứng 2s  - Kiểm tra: T1   - Xác định lực cắt đáy : Tổng lực cắt đáy tại chân công trình Fb theo mỗi phương được xác định theo công thức sau : Fb  .m.Sd (T1) (1.2) Trong đó : Sd(T1): Tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1. m: Tổng khối lượng của công trình trên móng.  : Hệ số hiệu chỉnh.  = 0,85 nếu T1  2TC với nhà có trên hai tầng và  = 1 với các trường hợp khác. - Phân phối tải trọng ngang lên các tầng: Fi  Fb Trong đó: Fi : Lực ngang tác dụng tại tầng i. z i mi  z jm j (1.3) 9 Fb : Lực cắt đáy thiết kế. mi; mj: Khối lượng các tầng. zi; zj: Độ cao của khối lượng tầng so với điểm đặt tác động động đất khi coi chuyển vị nằm ngang tăng tuyến tính dọc theo chiều cao ở dạng dao động cơ bản. Phương pháp này có hạn chế là không áp dụng được cho các công trình có hình dạng không đồng đều hoặc có sự phân bố khối lượng và độ cứng không đều trong mặt bằng cũng như chiều cao công trình, không cung cấp được các thông tin về sự làm việc của công trình trong thời gian động đất. 1.2.2. Phương pháp phổ phản ứng Đối với các công trình lớn và phức tạp, việc sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương trong thiết kế kháng chấn thường không đủ độ chính xác cần thiết nên trong nhiều trường hợp phải dùng phương pháp động để xác định phản ứng của kết cấu. Trong số các phương pháp động thì phương pháp phổ phản ứng là đơn giản nhất, có thể áp dụng cho tất cả các loại kết cấu khi thiết kế kháng chấn. * Nội dung phương pháp: - Phải xét đến các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của nhà. Đó là các dạng dao động mà thỏa mãn 1 trong 2 điều kiện sau đây: + Tổng khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét đến chiếm ít nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu:  n    zi,j .W j  n j=1  Wi  0,9W ; Wi =  n  i=1  zi,j2 .Wj 2 (1.4) j=1 + Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% tổng khối lượng của kết cấu. 2 - Tổ hợp các tác động động đất: E E  E EI 1.3. CÁC TIÊU CHÍ PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ 1.3.1. Xem xét độ cứng và chuyển vị Độ cứng ảnh hưởng lớn trong việc đáp ứng các quy định về hạn chế hư hỏng và xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng bậc hai. Cả hai ảnh hưởng này thông qua giới hạn chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng dr/h và hệ số độ nhạy của chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng θ. Trong cả hai trường hợp, chuyển vị gây ra bởi các tác động động đất thiết kế được xác định như sau: d s  q d .d er (1.5) 10 Trong đó: der: Chuyển vị từ phân tích đàn hồi tuyến tính. qd: Hệ số ứng xử chuyển vị. Khi chu kỳ phản ứng của công trình lớn hơn TC thì qd bằng hệ số ứng xử q, tức là chuyển vị dẻo bằng chuyển vị đàn hồi từ đầu vào phổ không giảm. Tuy nhiên, qd lớn hơn q khi chu kỳ bé hơn được xác định tại Phụ lục B của TCVN 9386:2012. Trong tính toán chuyển vị, TCVN 9386:2012 yêu cầu độ cứng uốn và cắt của kết cấu bê tông phản ánh độ cứng hiệu quả phù hợp với mức độ nứt dự định tại thời điểm bắt đầu chảy dẻo của cốt thép. Nếu người thiết kế không tính toán sự giảm độ cứng trực tiếp thông qua phân tích phi tuyến pushover, TCVN 9386:2012 cho phép xác định độ cứng hiệu quả bằng một nửa độ cứng cấu kiện để tính toán sự mềm kết cấu tại mức độ biến dạng phù hợp với sự chảy dẻo cốt thép. 1.3.2. Kiểm tra hạn chế hư hỏng Mục đích của kiểm tra hạn chế hư hỏng nhằm duy trì giá trị lớn nhất chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng bé hơn giá trị giới hạn: dr / h   /  (1.6) Trong đó: dr: Chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng; được xác định bằng hiệu của các chuyển vị ngang trung bình ds tại trần và sàn của tầng đang xét.  : Hệ số chiết giảm liên quan đến chu kỳ lặp thấp hơn tác động động;  bằng 0,4 hoặc 0,5 tùy vào tầm quan trọng của công trình.  : Phụ thuộc vào độ dẻo và tính cố đinh ̣ các cấu kiện phi kết cấu.   0,005 : Cho nhà có bộ phận phi kết cấu bằng vật liệu giòn gắn vào kết cấu.   0,0075 : Cho nhà có bộ phận phi kết cấu bằng vật liệu dẻo.   0,001: Cho nhà có bộ phận phi kết cấu được cố định sao cho không ảnh hưởng đến biến dạng kết cấu hoặc các nhà không có bộ phận phi kết cấu. h: Chiều cao tầng. 1.3.3. Kiểm tra ảnh hưởng bậc hai Hệ số độ nhạy của chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng  được sử dụng để tính toán ảnh hưởng bậc hai:   Ptot .d r / (Vtot .h) (1.7) Trong đó: Ptot: Tổng tải trọng đứng tại tầng đang xét và các tầng trên nó khi thiết kế chịu động đất. Vtot: Tổng lực cắt tầng do động đất gây ra. 11 Nếu   0,1 : Không cần xem xét ảnh hưởng bậc hai P-Δ. Nếu 0,1    0,2 : Ảnh hưởng bậc hai P-Δ phải được xem xét trong tính toán bằng cách nhân các hệ quả tác động động đất với hệ số 1/(1-θ). Giá trị của  không lớn hơn 0,3. 1.4. THIẾT KẾ THEO KHẢ NĂNG Quy trình thiết kế theo khả năng các kết cấu dẻo chịu các trận động đất mạnh đã được nghiên cứu và áp dụng lần đầu tiên ở New Zealand (1975). Tiếp sau New Zealand, từ thập kỷ 80 của thế kỷ XX một số nước châu Âu và Bắc Mỹ cũng áp dụng nguyên lý này vào thiết kế các công trình nhà chịu tác động động đất mạnh. Theo quy trình này, một số cấu kiện kháng chấn chính được lựa chọn, thiết kế và cấu tạo một cách phù hợp để tiêu tán năng lượng dưới các biến dạng cưỡng bức lớn. Các vùng có khả năng tiêu tán năng lượng ở các cấu kiện kết cấu thường gọi là các khớp dẻo được cấu tạo để chịu tác động uốn phi đàn hồi, còn phá hoại cắt được ngăn chặn bằng chênh lệch độ bền thích hợp. Tất cả các cấu kiện chịu lực khác được bảo vệ để không bị phá hoại, bằng cách cung cấp cho chúng các độ bền lớn hơn độ bền lớn nhất có thể đạt tới tại các vùng khớp dẻo. Bằng cách đó, cơ cấu tiêu tán năng lượng được bảo toàn trong suốt thời gian kết cấu chịu tác động động đất, mà độ bền tại các vùng khớp dẻo không bị suy giảm nghiêm trọng. 1.4.1. Quy trình thiết kế Quy trình thiết kế theo khả năng các kết cấu kháng chấn chủ yếu thực hiện theo các bước sau: - Lựa chọn một cơ cấu phá hoại dẻo có thể xảy ra với kết cấu. Cơ cấu phá hoại dẻo được lựa chọn sao cho các chuyển vị xoay phi đàn hồi tại các khớp dẻo; từ đó xác định chuyển vị tổng thể của kết cấu phải có giá trị bé nhất. - Xác định độ chính xác tương đối cao các vùng khớp dẻo sau khi lựa chọn cơ cấu dẻo phù hợp. - Các vùng khớp dẻo này phải được thiết kế và cấu tạo đặc biệt để có độ bền uốn thiết kế gần bằng độ bền yêu cầu tính toán và thỏa mãn các yêu cầu về độ dẻo dự định. - Các phần kết cấu được giữ lại làm việc trong giới hạn đàn hồi phải được thiết kế sao cho không có khớp dẻo xuất hiện trong các phần kết cấu đó. Các tác động lớn nhất làm xuất hiện khớp dẻo là tác động ứng với độ bền vượt quá ở vùng này. Do vậy, độ bền yêu cầu của tất cả các vùng khác phải lớn hơn độ bền vượt quá của khớp dẻo. 1.4.2. Cơ chế chảy dẻo mong muốn của khung khi chịu động đất Xét hai sơ đồ khung ở Hình 6a và 6b. Giả sử chuyển vị dẻo trong cả hai khung tại cao trình đỉnh mái là  .