TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG DO ĐỘNG ĐẤT GÂY RA CHO NHÀ NHIỀU TẦNG Cể ĐỘ CỨNG NGANG KHễNG ĐỀU Trường Cao đẳng xõy dựng Cụng trỡnh đụ thị 1.. Mở đầu Hiện nay việc tớnh toỏn dao động và tải trọng
Trang 1TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG DO ĐỘNG ĐẤT GÂY RA CHO NHÀ NHIỀU TẦNG Cể ĐỘ CỨNG NGANG KHễNG ĐỀU
Trường Cao đẳng xõy dựng Cụng trỡnh đụ thị
1 Mở đầu
Hiện nay việc tớnh toỏn dao động và tải trọng do động đất gõy ra cho nhà nhiều tầng cú độ cứng tầng khụng đổi (hỡnh 1) đó được nhiều tài liệu đề cập tới Tuy nhiờn, đối với nhà nhiều tầng cú độ cứng ngang khụng đều (hỡnh 2) thỡ chỉ cú ớt tài liệu đề cập tới vấn đề này Trong thực tế do yờu cầu của kiến trỳc cú những cụng trỡnh làm bằng khung cú độ cứng tầng khụng đều nờn việc tớnh toỏn này
là một yờu cầu cần thiết Trong bài này tỏc giả đề cập tới một phương phỏp tớnh dao động và tải trọng
do động đất gõy ra cho nhà nhiều tầng cú độ cứng ngang khụng đều
2 Thiết lập ma trận độ cứng
2.1 Khung cú độ cứng ngang đều
Khi tớnh toỏn dao động của khung nhà nhiều tầng cú độ cứng ngang đều (hỡnh 1) chịu tỏc dụng của động đất thỡ ma trận độ cứng chỉ cú một dạng duy nhất (2-1) [3]
nn n
n
n n
R R
R
R R
R
R R
R
K
2 1
2 22
21
1 12
11
(2-1)
Trong đú:
Rii = Ri + Ri+1;
Ri,i+1= - Ri;
Ri-1,i = - Ri;
Với Ri, Ri+1 là độ cứng tầng thứ i và tầng thứ i+1
Cỏc phần tử cũn lại đều bằng khụng
Hình 1: Khung có độ cứng ngang đều Hình 2: Khung có độ cứng ngang không đều
2.2 Khung cú độ cứng ngang khụng đều
2.2.1 Độ cứng ngang tương đối của cột
Độ cứng ngang tương đối giữa hai mức liờn tiếp k và j là:
jk
jk
jk
T
R
(2-2)
Trong đú:
jk
T - lực cắt ngang giữa hai mức;
jk
- chuyển vị ngang tương đối giữa hai mức;
- Nếu trong một tầng cú nhiều cột thỡ độ cứng tương đối của cột thứ s giữa hai mức k và j là
s s s
R A
R (2-3)
Trang 2Trong đó:
s
jk
R là độ cứng tương đối của cột s khi nút (k,s) và (j,s) chuyển vị tịnh tiến ngang không xoay (dầm được coi như cứng tuyệt đối);
s
jk
A là hệ số kể đến ảnh hưởng của chuyển vị xoay tại các nút ở hai đầu cột đó do sự biến dạng của các dầm và cột đó
- Trong các tiết diện của các cột chọn một tiết diện đặc trưng ký hiệu là b0 và h0 thì mô men quán tính của nó là:
12
. 3
0
0
0
h
b
J (2-4)
- Hoặc J0 là trung bình cộng của mô men quán tính của tất cả các tiết diện cột
- Trong các chiều cao của các cột ta chọn một cột có chiều cao đặc trưng nhất ký hiệu là l0, hoặc
l0 bằng trung bình cộng chiều cao của tất cả các cột
- Mô men quán tính của mặt cắt của cột thứ s giữa mức k và j là:
12
. s3
s s
jk
h b
J (2-5) - Chiều cao của cột s giữa hai mức k và j là ljk
- Với hệ số
0
J
J k
s jk s
jk và
0
l
ljk
(2-6) Ta có độ cứng quy ước của cột s giữa j và k là:
jk
s jk s
jk
k
(2-7) Độ cứng tương đối của cột s khi các nút ở hai đầu của cột chỉ chuyển
vị ngang không có chuyển vị xoay là:
0 2 3 3 0
0
12
R k
l
J E l
EJ
R
jk
s jk jk
s jk jk
s jk s
jk
0
0 0
0 2
12
l
EJ R
R A
jk
s
jk
s
s jk jk
s jk s
(2-10) được gọi là hệ số độ cứng tương đối giữa hai mức k và j của cột s
* Cách tính A jk s :
- Tính
s
j ,
, d jk s theo công thức của Wibur và Ifrim [3]
+ Độ cứng quy ước tại các nút bằng tổng độ cứng quy ước của các dầm và cột quy tụ tại nút đó,
ký hiệu là
s
j,
, được tính như sau:
s
j s
j j j s j
s
s
s
j
1 , , 1 1 , ,
1
,
+ Độ cứng quy ước của đầu cột bằng tỷ số giữa độ cứng quy ước của cột đó và độ cứng quy ước của nút chứa đầu cột đó, ký hiệu là d jk s :
s j
s jk s
jk
d
,
- Tính jk k , 01 s theo công thức của Muto:
s jk
j s j
s s k s k
s
s
k
jk
2
1 , , 1 1 , ,
Trang 3
s s s s
s
01
1 1 , 1
, 1 01
Từ bảng 2-1 ta có các công thức tính hệ số điều chỉnh Akj s sau đó tính được độ cứng tương đối của mỗi cột Rkj s
Bảng 2-1 Sơ đồ tính và hệ số điều chỉnh theo các tác giả khác nhau
Tác giả Sơ đồ tính Hệ số điều chỉnh Akj s
k (k,s)
s jk s
j (j,s)
s jk
s jk s
kj
A
2
_
1 (1,s)
s 01 s
0 (0,s)
s
s s
A
01
_ 01 01
2
5 , 0
1 (1,s)
s 01 s
0 (0,s)
s
s s
A
01
_ 01 01
2 1
5 , 0
k (k,s)
s jk s
j (j,s)
s
k s kj s j s jk s
A 1 0 , 5 , 1 , 1
1 (1,s)
s 01 s
0 (0,s)
s s s
d d
A01 1 0 , 5 10 1,2
k (k,s)
s jk s
j (j,s)
s
k j s kj s kj s jk s
1 (1,s)
s 01 s
0 (0,s)
s s
d
A01 1 0 , 75 1,0
1 (1,s)
s 01 s
0 (0,s)
s d s
A01 0 , 25 1 1,0
2.2.2 Vẽ biểu đồ mô men cho hệ cơ bản
- Trong hệ cơ bản, ứng với mỗi một liên kết phụ, ta phải vẽ một biểu đồ mômen Trị số mô men được xác định như hình 3
Nhận xét: Trong biểu đồ mô men của hệ cơ bản thì dầm không có mômen, chỉ có cột mới có mômen
H×nh 3: CÊu kiÖn c¬ b¶n
z=1
0,5.R .lc
0,5R lc
kj (s)
(s) kj
Hình 3 Bi ểu đồ mô men của cấu kiện cơ bản
Trang 4Vớ dụ 2-1:
Cho khung (hỡnh 4), sau khi đó tớnh được Rkj s
Yờu cầu vẽ biểu đồ mụmen M1 , M2, M3 cho
hệ cơ bản ứng với chuyển vị z1=1, z2=1, z3=1 gõy ra
Hình 4
Giải:
Khung đó cho cú 3 tầng (hỡnh 4), sau khi đó tớnh được Rkj s của từng cột và ứng với mỗi một chuyển vị z1=1, z2=1, z3=1, sử dụng cấu kiện cơ bản hỡnh 3, ta vẽ được cỏc biểu đồ mụmen tương ứng là M1 , M2, M3 (hỡnh 5)
.l 1 1
R l 1
.l
2
.l
1,2
(1)
.l 2
2 l R 1
1 l
R l 2 l
2 (3)
.l 1
.l
(M )
2
(4) 2
.l 3 3
R l 3
3
2 l
.l l 3
Tầng 3
.l 2 2
R l 2
.l
3 l 2,3 (1)
.l 3
3 l R 2
2 l
R l3 .l
3 (3)
.l2
.l
3
(4) 3
Hình 5 Biểu đồ mô men do các chuyển vị đơn vị gây ra
Vớ dụ 2:
Cho khung (hỡnh 6), sau khi đó tớnh đượcRki(5) Yờu cầu vẽ biểu đồ mụmen Mi cho hệ cơ bản, ứng với chuyển vị zi=1 gõy ra
Hình 6
Giải :
Khung đó cho cú 4 tầng, sau khi đó tớnh được Rkj s của từng cột và ứng với mỗi một chuyển vị
z1=1, z2=1, z3=1, z4=1, sử dụng cấu kiện cơ bản (hỡnh 3) ta vẽ được một biểu đồ mụ men tương ứng
M1 , M2, M3 , M4 (hỡnh 7)
Hỡnh 4 C ấu tạo của khung trong vớ dụ 1
Hỡnh 5 Bi ểu đồ mụ men do cỏc chuyển vị đơn vị gõy ra
Hỡnh 6 C ấu tạo của khung trong vớ dụ 2
Trang 52
.l2
2
.l
2
.l R
2
3 (4)
2
1
.l
(3) 3
.l
3
.l R
.l1
1
2
.l
(1)
1,2 l 2
.l
1
.l
R
1
5 (3)
.l
(4) 3
l5 5 (4) 5 5
(4) 5
(3) 5 Tầng 3 4
.l 4
Hình 7 Biểu đồ mô men do các chuyển vị đơn vị gây ra
2.2.3 Xỏc định cỏc hệ số r ij
rij là phản lực tại liờn kết phụ thứ i do chuyển vị zj=1 gõy ra trong hệ cơ bản Như vậy muốn tỡm rij
ta tỏch mức thứ i trong biểu đồ mụ men Mj Hoặc tỏch mức thứ j trong biểu đồ mụ men Mi và xột cõn bằng mức đú ta sẽ tớnh được rij nờn ri,j= rji
Vớ dụ 2-3:
Cho khung (hỡnh 4) và cỏc biểu đồ mụ men M1 , M2, M3 (hỡnh 5) Hóy thiết lập ma trận độ cứng
Giải: Vỡ khung đó cho cú 3 tầng nờn ma trận độ cứng cú cỡ bằng 3 Ma trận độ cứng cú dạng sau:
33 32 31
23 22 21
13 12 11
r r r
r r r
r r r
K (2-15) Tỡm r11 bằng cỏch tỏch mức cú chứa r11 của biểu đồ mụ men M1 (xem hỡnh 8)
r11
R(4)1,2
0,1 (4) R
R(3)0,1
1,2 (3) R
0,1 (2) R
R(2)1,2 1,2 (1) R
R(1)0,1
Hình 8: Sơ đồ tính r 11
Chiếu cỏc lực ở hỡnh 8 lờn trục x ta được phương trỡnh sau:
x 0 R0 1,1 R0 2,1 R0 3,1 R0 4,1 R1 ,12 R1 ,22 R1 ,32 R1 ,42 r11 0 (2-15) r11 R0 1,1 R0 2,1 R0 3,1 R0 4,1 R1 ,12 R1 ,22 R1 3,2 R1 ,42 (2-16) Tỡm r21 bằng cỏch tỏch mức cú chứa r21 ở biểu đồ mụ men M1 (xem hỡnh 9)
R 1,2(1) R 1,2 R(3)1,2 1,2
(4)
R
21
r
21
Chiếu cỏc lực ở hỡnh 9 lờn trục x ta được phương trỡnh sau:
0
0 11,2 1,22 1,32 1,42 21
r21 R1 1,2 R1 ,22 R1 ,32 R1 ,42 (2-18)
Tỡm r31 bằng cỏch tỏch mức cú chứa r31 ở biểu đồ mụ men M1 (xem hỡnh 10)
r31
Chiếu cỏc lực ở hỡnh 10 lờn trục x ta được phương trỡnh sau:
Hỡnh 7 Bi ểu đồ mụ men do cỏc chuyển vị đơn vị gõy ra
Hỡnh 8 S ơ đồ tớnh r 11
Hỡnh 9 Sơ đồ tớnh r 21
Hỡnh 10 S ơ đồ tớnh r 31
Trang 6
x r (2-19)
0
31
Một cỏch tương tự, như cỏch tớnh r11, r21, ta tớnh được cỏc giỏ trị r23, r33 :
r22 R1 1,2 R1 ,22 R1 ,32 R1 ,42 R2 1,3 R2 2,3 R2 3,3 R2 4,3 (2-21)
r23 R2 1,3 R2 2,3 R2 3,3 R2 4,3 (2-22)
4
3 , 2 3 3 , 2 2
3 ,
2
1
3
,
2
r (2-23)
Thay cỏc hệ số rij đó tỡm được vào ma trận độ cứng (2-15) ta được ma trận độ cứng cần tỡm
Vớ dụ 2-4
Cho khung (hỡnh 6) và cỏc biểu đồ mụ men M1 , M2, M3 , M4 (hỡnh 7) Hóy thiết lập ma trận độ cứng
Giải:
Vỡ khung đó cho cú 4 tầng nờn ma trận độ cứng cú cỡ bằng 4 Ma trận độ cứng cú dạng sau (2-24):
44 43 42 41
34 33 32 31
24 23 22 21
14 13 12 11
r r r r
r r r r
r r r r
r r r r
Tỡm r11 bằng cỏch tỏch mức cú chứa r11 ở biểu đồ mụ men M1 ở hỡnh 7 (xem hỡnh 11)
Hình 11: Sơ đồ tính r
0,1
(1)
R
(2)
R
R(2)0,1
R(3)1,3
0,1 (3)
1,3 (4)
R
11 r
11
Chiếu cỏc lực ở hỡnh 11 lờn trục x ta được phương trỡnh sau:
0
4
3 , 1 3 3 , 1 2 2 , 1 1 2 , 1 4 1 , 0 3 1 , 0 2 1 , 0 1 1 , 0
Tỡm r21 bằng cỏch tỏch mức cú chứa r21 ở biểu đồ mụ men M1 ở hỡnh 7 (xem hỡnh 12)
r21
R1,2(2) 1,2
(1) R
21
Hình 12: Sơ đồ tính r
Chiếu cỏc lực ở hỡnh 12 lờn trục x ta được phương trỡnh sau:
0
2 , 1 1 2 ,
2 2 , 1 1 2 , 1
Tỡm r31 bằng cỏch tỏch mức cú chứa r31 ở biểu đồ mụ men M1 ở hỡnh 7 (xem hỡnh 13)
R(3)1,3 1,3
(4) R
31 r
Hỡnh 11 S ơ đồ tớnh r 11
Hỡnh 12 S ơ đồ tớnh r 21
Hỡnh 13 S ơ đồ tớnh r 31
Trang 7Chiếu các lực ở hình 13 lên trục x ta được phương trình sau:
0
3 , 1 3 3 ,
x R R r (2-29)
4 3 , 1 3 3 , 1
(2-30)
Tương tự như cách tính r11, r21, r31 ta tính được r14, r22, r23, r24, r33, r34, r44.
r14 0 (2-31)
2
4 , 2 1 4 , 2 2 2 , 1 1 2 , 1
r (2-32) r23 0 (2-32)
2 4 , 2 1 4 , 2
4
4 , 3 3 4 , 3 3 3 , 1 3 3 , 1
4 4 , 3 3 4 , 3
4
4 , 3 3 4 , 3 2 4 , 2 1 4 , 2
Thay các hệ số rij vào ma trận độ cứng (2-24) ta được ma trận độ cứng cần tìm
2.2.4 Nhận xét
- Từ ví dụ 2-3 nếu ta đặt tổng độ cứng của các cột trong một tầng thành độ cứng tầng, lúc đó:
4
1 , 0 3 1 , 0 2 1 , 0 1
1
,
0
4
2 , 1 3 2 , 1 2 2 , 1 1
2
,
1
4
3 , 2 3 3 , 2 2 3 , 2 1
3
,
2
R (2-39) Thì ma trận độ cứng (2-15) và kết quả của bài
giải ví dụ 2-3 được viết lại như sau:
3 3
3 3 2 2
2 2
1
0
0
R R
R R R R
R R
R
Ma trận độ cứng [K] (2-40) phù hợp với ma trận tổng quát của khung nhà nhiều tầng có độ cứng
ngang đều ở trong tài liệu [3]
- Từ ví dụ 2-4 ta cũng đặt tổng độ cứng của các cột trong một tầng thành độ cứng tầng thì:
R1 R0 1,1 R0 2,1 R0 3,1 R0 4,1 (2-41)
R2 R1 1,2 R1 ,22 (2-42)
R3 R1 ,33 R1 ,43 (2-43)
R4 R2 1,4 R2 2,4 (2-44)
R5 R3 3,4 R3 4,4 (2-45)
Thì ma trận độ cứng (2-24) và kết quả của bài giải ví dụ 2-4 được viết lại là:
5 4 5 4
5 5 3 3
4 3
2 2
3 2
3 2
1
0
0
0
0
R R R R
R R R R
R R
R R
R R
R R
R
Suy ra ma trận độ cứng của khung có độ cứng ngang không đều thì không có dạng ma trận tổng
quát Ứng với mỗi một khung khác nhau thì có một ma trận độ cứng khác nhau
3.Xác định tần số và dạng dao động bằng phương pháp lặp năng lượng [2]
4 Bài toán
Trang 8Cho khung chịu lực (hình 13) Tải trọng phân bố đều là q=2 (tấn/m) bê tông mác 200 có E=240(t/cm2), tiết diện của cột là 0,22x0,3 (m), tiết diện của dầm là 0,22x0,35 (m) Khung được đặt trong vùng có động đất cấp 8
Yêu cầu: Xác định tải trọng do động đất gây ra theo tiêu chuẩn của Nga CHué II-7-81
H×nh 13
q
q
Giải:
Từ khung đã cho ta thấy có ba tầng và một mức sàn
không liền khối do đó khung đã cho có số bậc siêu tĩnh là bốn
* Tính độ cứng tầng
- Vì các cột đều có tiết diện là 0,22x03 (m) nên ta lấy tiết diện đó là tiết diện đặc trưng
J0 = 49500 (cm4), và l0=366,7 (cm) (5-2)
- Mô men quán tính của mặt cắt của các cột là:
4
3
49500 12
cm h
b
J ik s c c (5-3)
- Mô men quán tính của mặt cắt của các dầm là:
117333,3( )
12
cm h
b
J i d d
sl (5-4) - Độ cứng tương đối của dầm và cột thì bằng độ cứng mô men quán tính của dầm, cột đó chia cho J0 Kết quả thể hiện trên hình 14
- Độ cứng quy ước ở nút chứa cột s và tầng i, bằng tổng độ cứng của cột, dầm quy tụ ở nút đó
Jis nut Ji s1,i J ,s i1 Js i1,s J i,s1 (5-5)
- Kết quả thể hiện trên hình 14
is nut
sl ik
4 2,17 6 1,93 2,17
H×nh 14: C¸c trÞ sè cña J , J , J
- Độ cứng quy ước ở đầu cột s giữa hai sàn i-1 và sàn i bằng tỷ số giữa độ cứng tương đối của cột
đó chia cho độ cứng quy ước ở nút chứa đầu cột đó
nut
s i
s i i
s
i
i
J
J
dd
, 1
, 1 ,
1
,
nut s i
s i i s i i
J
J dt
,
, 1 , 1
(5-6)
- Kết quả thể hiện trên hình 15:
Hình 13 Khung trong ví d ụ tính toán
Hình 14 Các tr ị số của Jik ( s), Jsl (i), Jis nut
Trang 9i-1,i i-1,i(s) (s)
H×nh 15: c¸c trÞ sè cña dd , dt
- Hệ số độ cứng tương đối của cột:
2
*
* 75 , 0 1
*
ik
s ik s ik s ik s ik s
ik s ik
dt dd dt dd k
hs
Trong đó:
s
ik
hs - hệ số độ cứng tương đối của cột thứ s ở giữa hai mức sàn i và k;
s
ik
k - độ cứng tương đối của cột s ở giữa hai mức sàn i và k;
ddik s - độ cứng quy ước ở đầu dưới của cột s ở giữa hai mức sàn i và k;
dtik s -độ cứng quy ước ở đầu trên của cột s ở giữa hai mức sàn i và k
0
l
lik s
s
- Kết quả tính toán được thể hiện trên hình 16
(s) i,k
H×nh 16: C¸c trÞ sè cña h
- Độ cứng tầng (ta phải chú ý sàn của tầng 3 bị tách thành hai khối lượng)
0 1
.K
hs
R
n
s
s ik
+ Với K0 là độ cứng của cột đặc trưng
t cm
l
J E
K 12 . 3. 3 , 05 /
0
0
+ Kết quả tính độ cứng tương đối của cột (hình 11)
i
H×nh 17: C¸c trÞ sè cña R
* Thiết lập ma trận độ cứng
- Vì khung đã cho có số bậc tự do là bốn nên ma trận độ cứng có dạng
34 33 32 31
24 23 22 21
14 13 12 11
R R R R
R R R R
R R R R
R R R R
K (5-11)
Hình 16 Các tr ị số của hi(,a k)
Hình 15 Các tr ị số của ddis1),i ,
Hình 17 Các tr ị số của R i
Trang 10Trong đú:
R11 = R1 + R2 + R3 = 8,87 +4,29 + 4,29 = 17,45;
R12 = -R2 = - 4,29; R13 = - R3 = -4,29;
R14 = 0; R22 = R2 + R4 = 4,29 + 4,10 = 8,39;
R23 = 0; R24 = -R4 = -4,10;
R33 = R3 + R5 = 4,29 +4,10 =8,39;
R34 = -R4 =- 4,10; R44 = R4 + R5 = 4,10 + 4,10
Cỏc phần tử cũn lại được lấy đối xứng qua đường chộo chớnh của ma trận
20 , 8 10 , 4 10 , 4 0
10 , 4 39 , 8 0 29
,
4
10 , 4 0
39 , 8 29
,
4
0 29 , 4 29 , 4 44
,
17
* Tớnh tần số và dạng dao động riờng
- Tớnh ma trận nghịch đảo của ma trận độ cứng ta được ma trận độ mềm
351 , 0 229 , 0 229 , 0
113
,
0
229 , 0 289 , 0 17 , 0 113
,
0
229 , 0 17 , 0 289 , 0
113
,
0
113 , 0 113 , 0 113 , 0
113
,
0
- Sử dụng phương phỏp năng lượng để tỡm 1, 2, 3 và 1 , 2 , 3
1= 8,76 (s) và 1 T {0,42 0,76 0,76 1}T
2= 23,25 (s) và 2 T
={-1,59 -0,68 -0,68 1}T 3= 37,65 (s) và 3 T
={1,55 -3,4 -3,4 1}T
* Tớnh tải trọng do động đất tỏc dụng lờn cụng trỡnh
Từ tần số và dạng dao động riờng ta tớnh tải trọng
{P}={2,31 0,73 0,73 2,97}T Kết quả thể hiện trờn hỡnh 18, sử dụng từ phần mềm [4])
Hình 12: Tải trọng do động đất gây ra
P=2,97(t)
P=2,31(t)
P=0,73(t) P=0,73(t)
4 Kết luận
Với phương phỏp mà tỏc giả đó trỡnh bày ở trờn, cú thể tớnh được dao động, tải trọng do động đất gõy ra cho mọi khung của nhà nhiều tầng bất kỳ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 PHẠM ĐèNH BA (chủ biờn), NGUYỄN TÀI TRUNG Động lực học cụng trỡnh NXB Xõy dựng, Hà
Nội, 2005
2 PHẠM ĐèNH BA Bài tập động lực học cụng trỡnh NXB Xõy dựng, Hà Nội, 2003
3 PHAN VĂN CÚC, NGUYỄN Lấ NINH Tớnh toỏn và cấu tạo khỏng chấn cỏc cụng trỡnh nhiều tầng NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1994
4 NGUYỄN HẢI QUANG Luận văn thạc sĩ xõy dựng dõn dụng và cụng nghiệp Trường Đại học
Kiến trỳc Hà Nội, 2006
Hỡnh 18 T ải trọng do động đất gõy ra