Trong các tiêu chuẩn tính toán động đất thì hầu hết đều cho kết cấu làm việc trong giới hạn đàn hồi và quan niệm vật liệu bê tông là hoàn toàn đàn hồi, tuy nhiên bê tông lại là vật liệu đàn dẻo, việc xem xét kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi hứa hẹn là một phương pháp tính toán đơn giản và đánh giá trực quan sự làm việc của công trình hơn so với các phương pháp khác. Trong các phương pháp phân tích công trình chịu tải trọng động đất như phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ phản ứng, phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian và phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưởng bức (push over) thì phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho ta tính toán sơ bộ sự làm việc của hệ kết cấu sau miền giới hạn đàn hồi. Chính vì lý do đó nhóm em áp dụng phương pháp tính toán đẩy dần vào việc tính toán công trình chịu tải trọng ngang để kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế.
Trang 1ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN TĨNH
(NONLINEAR STATIC PUSH-OVER
ANALYSIS)
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
PHẦN BỔ SUNG 3
I ĐẶT VẤN ĐỀ 4
II TỔNG QUAN 4
1 Nội dung phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh 4
2 Phương pháp nghiên cứu 6
III PHÂN TÍCH PUSH-OVER BẰNG PHẦN MỀM ETABS v9.7 7
1 Mô tả công trình 7
2 Khảo sát sự hình thành khớp dẻo ứng với chuyển vị mục tiêu 7
3 Khảo sát sự ảnh hưởng của tiết diện cột đến quá trình hình thành khớp dẻo 15
4 Khảo sát sự ảnh hưởng của cốt thép đến quá trình hình thành khớp dẻo 22
5 Khảo sát sự ảnh hưởng của sàn đến quá trình hình thành khớp dẻo 24
IV KẾT LUẬN 25
V KIẾN NGHỊ 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO 27
Trang 3PHẦN BỔ SUNG
Cách xác định thông số chuyển vị mục tiêu dùng trong phân tích Push-over:
Căn cứ theo hướng dẫn Bảng 11-2 của ATC-40 (Seismic Evaluation and Retrofit of
Vậy ta chọn chuyển vị mục tiêu phân tích ứng với giai đoạn LS theo công thức:
Trang 4I ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong các tiêu chuẩn tính toán động đất thì hầu hết đều cho kết cấu làm việc trong giới hạn đàn hồi và quan niệm vật liệu bê tông là hoàn toàn đàn hồi, tuy nhiên bê tông lại là vật liệu đàn dẻo, việc xem xét kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi hứa hẹn là một phương pháp tính toán đơn giản và đánh giá trực quan sự làm việc của công trình hơn so với các phương pháp khác
Trong các phương pháp phân tích công trình chịu tải trọng động đất như phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ phản ứng, phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian và phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưởng bức (push over) thì phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho ta tính toán sơ bộ sự làm việc của hệ kết cấu sau miền giới hạn đàn hồi
Chính vì lý do đó nhóm em áp dụng phương pháp tính toán đẩy dần vào việc tính toán công trình chịu tải trọng ngang để kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế
II TỔNG QUAN:
Hiện nay viêc tính toán công trình chịu tải trọng động đất có các phương pháp như phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ dao động hay phương pháp phân tích theo lịch sử thời gian Các thành phần tải trọng được nhập vào mô hình sau đó lấy kết quả nội lực để thiết kế
Với việc tính toán như trên thì không thể hiện rõ được sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang, các vị trí kết cấu trên công trình không được chỉ rõ là đã làm việc như thế nào và đặc biệt là kiểm tra lại kết quả thiết kế đối với công trình chịu tải trọng ngang, các vị trí hư hỏng trên công trình xuất hiện đã hợp lý hay chưa
Còn đối với phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức thì tải trọng ngang được tăng một cách liên tục và đều đặn, cho phép xác định những điểm yếu và những kiểu hư hỏng sẽ được tìm thấy trên công trình một cách trực quan Để trình bày nội dung nghiên cứu nhóm sử dụng phần mềm Etabs 9.7.0 với tính năng phân tích Push- over để thực hiện
đề tài
1 Nội dung phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh
Đặc điểm của phương pháp tính toán này là quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu xảy ra dưới tác động gia tăng đều đặn của tải trọng ngang trong khi tải trọng đứng vẫn giữ nguyên không thay đổi Quá trình gia tăng đều đặn tải trọng ngang này được thực hiện cho đến khi nút kiểm tra (thường là cao trình đỉnh mái) có chuyển vị ngang bằng chuyển vị mục tiêu định trước, hoặc cho tới khi lực cắt đáy đạt lực cắt mục tiêu Chuyển vị mục tiêu là chuyển vị ngang cực đại của cao trình mái có thể đạt tới trong quá trình chịu tác động địa chấn thiết kế Biến dạng và nội lực của kết cấu được giám sát một cách liên tục trong quá
Trang 5trình kết cấu chuyển vị ngang 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, cũng 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 Khả năng chịu lực và độ dẻo cần thiết ở chuyển vị mục tiêu hoặc lực cắt đáy mục tiêu thường được dùng để kiểm tra tính đúng đắn của việc thiết kế kết cấu Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang gọi là đường cong khả năng Đây là kết quả chủ yếu của phương pháp tính toán đẩy dần
Hình 1: Biểu đồ quan hệ lực cắt đáy và chuyển vị đỉnh
Vì kết quả chủ yếu của phương pháp này là đường cong quan hệ lực và biến dạng nên cần phải làm rõ các thành phần trên đường cong này Trên đường cong quan hệ lực biến dạng, năm điểm A, B, C, D và E được sử dụng để vạch rõ sự làm việc biến dạng do lực của khớp và ba điểm IO, LS, CP được sử dụng để vạch rõ chuẩn mực chấp nhận cho khớp dẻo
Trang 6- Điểm A: tương ứng điều kiện dỡ tải, việc phân tích chấp nhận rằng tải trọng trọng lực có thể gây ra những tác động ban đầu, vì thế tải trọng ngang có thể bắt đầu ở một điểm khác A
- Điểm B: cường độ tại tiết diện cân bằng với cường độ chảy dẻo danh nghĩa Độ dốc
từ B đến C thường được lấy từ 0 đến 10% đường dốc ban đầu và bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng trọng lực đến dịch chuyển ngang
- Điểm C là cường độ danh nghĩa được xác định theo các tiêu chuẩn khác nhau Trong phạm vi tiểu luận chỉ nghiên cứu trong đoạn từ A đến B và đến C Các điểm IO, LS
và CP thể hiện mức hư hỏng cho kết cấu Mức hư hỏng nhẹ là OI (Immidiate Occupancy), hư hỏng mà vẫn an toàn (Life Safety) và trạng thái sụp đổ CP (Collapse Prevention)
Những giá trị ấn định cho các điểm này phụ thuộc vào loại cấu kiện và phụ thuộc nhiều vào các tham số khác tùy theo các tiêu chuẩn được sử dụng để phân tích
2 Phương pháp nghiên cứu
2.1 Khảo sát mô hình chịu tải trọng ngang bằng phương pháp đẩy dần
Mô hình để khảo sát là khung không gian 2 tầng, 2 nhịp chiều cao tầng 3.3m, nhịp 5m Quá trình khảo sát được thực hiện bằng phần mềm Etabs 9.7.0 và sử dụng chức năng phương pháp phân tích đẩy dần lên mô hình công trình Các thuộc tính về khớp dẻo của kết cấu được sử dụng mặc định trong phần mềm
Việc khảo sát dựa trên sự thay đổi về độ cứng (kích thước tiế diện cột) và lượng cốt thép trong cột
2.2 Nghiên cứu sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang
Thông thường, khi thiết kế công trình chịu động đất phải làm sao cho các khớp dẻo xuất hiện trước hết là ở các dầm sau đó mới đến các cột Lý do như sau: Cột bị phá hoại có nghĩa là toàn bộ nhà bị đổ, trong khi chưa kịp huy động hết khả năng chịu lực của các thành phần khác của công trình
Từ đó tiến hành phân tích đẩy dần cho mô hình khảo sát để xác định được vị trí hình thành khớp dẻo trên mô hình có hợp lý hay không, từ đó có những điều chỉnh cho hợp lý
Trang 7III PHÂN TÍCH PUSH-OVER BẰNG PHẦN MỀM ETABS v9.7:
2 Khảo sát sự hình thành khớp dẻo ứng với chuyển vị mục tiêu:
- Chọn chuyển vị mục tiêu ∆=0.1323m, chuyển vị này là chuyển vị đỉnh cực đại của công trình trước khi công trình sụp đổ
- Quan sát và đánh giá sự hình thành khớp dẻo qua từng step được phân tích bởi phần
mềm Etabs
Trang 8Step 0:
Step 1:
- Một khớp dẻo được hình thành tại dầm tầng 1,khớp dẻo ở giai đoạn B
Trang 9Step 2:
- Bốn khớp dẻo được hình thành tại tầng 1, 3 khớp dẻo hình thành tại tầng 2, tất cả
khớp dẻo đều ở giai đoạn B
Step 3:
- Bốn khớp dẻo ở giai đoạn B xuất hiện ở dầm tầng 2, 2 khớp dẻo ở giai đoạn B và 2
khớp dẻo ở giai đoạn IO hình thành ở dầm tầng 1
Trang 10Step 4:
- Hai khớp dẻo ở giai đoạn B và 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO hình thành ở dầm tầng 2, 4
khớp dẻo ở giai đoạn IO hình thành ở dầm tầng 1, 3 khớp dẻo ở giai đoạn B ở hình thành ở 3 cột tầng 1
Step 5:
- Hai khớp dẻo ở giai đoạn B và 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO hình thành ở dầm tầng 2, 2
khớp dẻo ở giai đoạn IO và 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS hình thành ở dầm tầng 1, 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO và 1 khớp dẻo ở giai đoạn LS hình thành ở 3 cột tầng 1
Trang 11- Sự xuất hiện khớp dẻo không hợp lý, khớp dẻo ở cột hư hỏng trước khớp dẻo ở 1 số
vị trí của dầm
Step 6:
- 2 khớp dẻo ở giai đoạn B, 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO ở dầm tầng 2, 2 khớp dẻo ở giai
đoạn IO và 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS ở dầm tầng 1, 3 khớp dẻo ở giai đoạn LS xuất hiện ở 3 cột tầng 1
Step 7:
Trang 12- 2 khớp dẻo ở giai đoạn B và 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO xuất hiện ở dầm tầng 2, 2
khớp dẻo ở giai đoạn IO và 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS xuất hiện ở dầm tầng 1, 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS và 1 khớp dẻo ở giai đoạn C xuất hiện ở 3 cột tầng 1
- Cột giữa bị sụp đổ khi dầm các tầng chỉ mới ở giai đoạn hư hỏng
Step 8:
- 2 khớp dẻo ở giai đoạn B và 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO xuất hiện ở dầm tầng 2, 2
khớp dẻo ở giai đoạn B, 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO và 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS xuất hiện ở dầm tầng 1, 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS và 1 khớp dẻo ở giai đoạn E xuất hiện ở 3 cột tầng 1
Step 9:
- 2 khớp dẻo ở giai đoạn B và 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO xuất hiện ở dầm tầng 2, 2
khớp dẻo ở giai đoạn B , 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO và 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS xuất hiện ở dầm tầng 1, 1 khớp dẻo ở giai đoạn B xuất hiện ở cột giữa tầng 1, 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS và 1 khớp dẻo ở giai đoạn E xuất hiện ở 3 cột tầng 1
Trang 13Step 10:
- 2 khớp dẻo ở giai đoạn B và 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO xuất hiện ở dầm tầng 2, 2
khớp dẻo ở giai đoạn B , 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO và 2 khớp dẻo ở giai đoạn LS xuất hiện ở dầm tầng 1, 1 khớp dẻo ở giai đoạn B xuất hiện ở cột giữa tầng 1, 3 khớp dẻo ở giai đoạn E xuất hiện ở 3 cột tầng 1
Trang 14- Kết quả biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị và lực cắt đáy
- Bảng giá trị chuyển vị và lực cắt đáy qua các step
Nhận xét:
- Qua các step phân tích của phần mềm ta thấy dù công trình thiết kế thỏa mãn khả
năng chịu lực nhưng khi công trình bị hư hỏng hay sụp đổ thì sự xuất hiện của các khớp dẻo trên dầm và cột không đảm bảo tiêu chí cột cứng-dầm yếu
Trang 15- Khớp dẻo xuất hiện trên dầm trước cột nhưng cột lại hư hỏng và sụp đổ trước dầm
chứng tỏ tiết diện cột hay hàm lượng thép không đủ, cần được hiệu chỉnh
- Xác định được lực cắt đáy móng lớn nhất khi công trình sụp đổ là 82.2902 (T)
3 Khảo sát sự ảnh hưởng của tiết diện đến quá trình hình thành khớp dẻo:
Tiến hành khảo sát tiết diện cột thay đổi từ (250x250), (350x350) và (500x500) để quan sát sự điều chỉnh khớp dẻo trên dầm và cột
Trang 16Step 6:
- 3 khớp dẻo ở giai đoạn LS xuất hiện ở 3 cột tầng một trước nhiều vị trí khác ở dầm
Step 7:
- Khớp dẻo ở giai đoạn C xuát hiện ở 1 cột tầng 1, chưa vị trí khớp dẻo nào ở dầm
xuất hiện khớp dẻo ở giai đoạn này
- Vậy thiết kế không hợp lý, không thỏa mãn tiêu chí cột cứng - dầm yếu
Trang 18Step 7:
- Khớp dẻo đã xuất hiện hợp lý hơn so với tiến diện cột 250x250, tuy nhiên ở dầm
tầng 2 vẫn còn 2 khớp dẻo ở giai đoạn IO trong khi cột đã xuất hiện 3 khớp dẻo ở giai đoạn LS ở 3 cột
Step 12:
- 1 Khớp dẻo ở cột tầng 1 đã đến giai đoạn C trong khi tất cả các khớp dẻo ở dầm chỉ
ở giai đoạn LS
Trang 19- Vậy tiết diện ở 350x350 đã điều chỉnh sự hình thành khớp dẻo hợp lý hơn tiết diện 250x250 nhưng vẫn chưa thỏa mãn tiêu chí cột cứng - dầm yếu
- Kết quả biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị và lực cắt đáy
Trang 20Step 9:
- Khớp dẻo đã xuất hiện hợp lý hơn so với 2 trường hợp tiết diện trước, tất cả các
khớp dẻo ở dầm đều ở giai đoạn LS khi các khớp dẻo ở cột chỉ ở giai đoạn IO
Step 10:
- Tất cả các khớp dẻo ở cột phát triển sang giai đoạn LS
Trang 21Step 14:
- Hai khớp dẻo ở dầm tầng 1 phát triển sang giai đoạn LS, các khớp dẻo ở cột vẫn ở
giai đoạn LS
Trang 22Nhận xét:
- Khi ta tăng tiết diện của cột từ 25x25 lên 35x35 và chạy bài toán thiết kế thì sự hình
thành khớp dẻo đã hợp lý hơn tuy nhiên cột vẫn bị hư hỏng và sụp đổ trước dầm, chứng tỏ độ cứng của cột vẫn chưa đảm bảo
- Tiếp tục tăng tiết diện của cột từ 35x35 lên 50x50 thì sự xuất hiện của cột đã đảm
bảo được tiêu chí cột cứng-dầm yếu,vdầm bị phá hoại và hư hỏng trước cột
4 Khảo sát sự ảnh hưởng của cốt thép đến quá trình hình thành khớp dẻo
- Tiến hành khảo sát cột 500x500 với lượng thép 12#6 tăng lên 12#9 để xem xét sự
hình thành khớp dẻo của công trình
Tiết diện 500x500 với lượng thép 12#6
- Từ step 1 đến step 25 kết cấu hình thành khớp dẻo hợp lý,nhưng từ step 26 khớp dẻo
đã xuất hiện không hợp lý, ở 2 cột tầng một đã xuất hiện 2 khớp dẻo ở giai đoạn C trong khi các khớp dẻo ở dầm tầng 2 vẫn còn ở giai đoạn LS
- Hình ảnh mô hình ở Step 26
Trang 23Tiết diện 500x500 với lượng thép 12#9
- Ta khảo sát ở step cuối cùng, ứng với chuyển vị max ở đỉnh công trình thì lúc này
các khớp dẻo ở 2 đầu dầm của các tầng đều ơ giai đoạn IO, LS và C, trong khi các khớp dẻo ở cột chỉ là LS, các khớp dẻo ở giữa dầm ta không xét, vì khi chịu lực động đất sẽ dồn nội lực về 2 đầu dầm
Trang 24Nhận xét:
- Khi ta chạy bài toán thiết kế thì với tiết diện 50x50,12 #6 đã đảm bảo khả năng chịu
tải của công trình nhưng khi kiểm tra lại bằng pushover thì sự phân bố khớp dẻo là không hợp lý, khi tăng tiết diện thép từ #6 đến #9 thì tiêu chí cột cứng - dầm yếu mới được thỏa mãn
- Bài toán Push-over cho ta cách nhìn trực quan hơn, hàm lượng thép thức tế cần thiết
cho kết cấu cần lớn hơn hàm lượng thép thiết kế tương đối nhiều
5 Khảo sát sự ảnh hưởng của sàn đến quá trình hình thành khớp dẻo
- Ta tiến hành khảo sát độ cứng của khung ảnh hưởng thế nào đến sự xuất hiện các
khớp dẻo thông qua việc mô hình có sàn và không sàn
Hệ khung không sàn
- Khớp dẻo hình thành khá hợp lý,các khớp dẻo ở dầm các tầng đều ở giai đoạn LS và
C nhưng khớp dẻo ở cột chỉ ở giai đoạn IO
Hệ có sàn dày 100 mm
- Xuất hiện một khớp dẻo ở cột tầng một trong giai đoạn C trong khi các khớp dẻo ở
các tầng chỉ ở giai đoạn B, IO và LS
Trang 25Nhận xét:
- Độ cứng của khung thay đổi thì sẽ dẫn đến thay đổi sự hình khớp dẻo
- Trường hợp không có sàn thì khớp dẻo phân bố hợp lý,các dầm tầng trên bị sụp đổ
trước
- Trường hợp có sàn làm tăng độ cứng của hệ dầm,khớp dẻo sụp đổ xuất hiện ở cột
trước,không đảm bảo tiêu chí cột cứng-dầm yếu,hệ dầm tầng dưới bị hư hỏng sụp đổ trước
IV KẾT LUẬN
- Phương pháp Push-over Analysis xét về bản chất cũng chỉ là phương pháp gần đúng,
thay vì phân tích động kết cấu thì chúng ta chỉ phân tích tĩnh
- Phương pháp Push-over phù hợp với tiêu chuẩn kháng chấn hiện đại vì nó đảm bảo
khả năng chịu lực lớn của kết cấu trong miền đàn hồi và đảm bảo kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng khi động đất xảy ra thông qua sự hình thành các khớp dẻo
- Phân tích Push-over là một phương pháp kiểm tra,giúp chúng ta nhìn nhận một các
trực quan sự hình thành các khớp dẻo trên công trình khi công trình bị hư hỏng hoặc sụp đổ, từ đó điều chỉnh các thông số thiết kế như tiết diện và hàm lượng thép để công trình vừa đảm bảo khả năng chịu lực vừa đảm bảo thỏa mãn tiêu chí cột cứng-
Trang 26V KIẾN NGHỊ
- Cần mô hình công trình một cách đầy đủ và chính xác so với thiết kế ban đầu vì sự
xuất hiện khớp dẻo thay đổi tương đối khó kiểm soát
- Tiết diện và hàm lượng thép tăng lên tương đối lớn so với thiết kế trong miền đàn
hồi
- Cần sử dụng nhiều vách thay cho cột vì độ cứng vách lớn hơn cột, dễ điều chỉnh
khớp dẻo hình thành và phát triển trên dầm trước cột