Đến thời điểm hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới, các nghiên cứu về mô hình tính toán lõi cứng và hệ kết cấu bằng thanh công xôn theo các hướngtiếp cận khác nhau [11], [25], [41], độ c
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG
Hà nội - năm 2016
Trang 2A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1 Cơ sở khoa học và thực tiễn.
Trong lĩnh vực kết cấu công trình nói chung và chuyên ngành Cơ học kếtcấu nói riêng thì việc tìm một sơ đồ tính không quá phức tạp cho hệ kết cấukhông gian phức tạp là một trong các nhiệm vụ quan trọng, cơ bản của Cơ họckết cấu Đến thời điểm hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới, các nghiên cứu về
mô hình tính toán lõi cứng và hệ kết cấu bằng thanh công xôn theo các hướngtiếp cận khác nhau [11], [25], [41], độ cứng của thanh thường tính bằng tổng độcứng của các kết cấu đứng gồm vách, lõi và cột, chưa kể đến độ cứng của sàn,trong khi sàn là một bộ phận quan trọng trong hệ kết cấu có độ cứng xác định.Việc nghiên cứu một sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng củasàn, gồm lõi cứng, cột và sàn trong hệ kết cấu nhiều tầng giúp cho người thiết
kế hiểu được bản chất cơ học của các cấu kiện kết cấu, hiểu được ảnh hưởngcủa các đại lượng đặc trưng của các cấu kiện đến sự làm việc chung của cả hệ,
từ đó có được những nhận định nhanh phù hợp với quy luật cơ học khi hệ kếtcấu làm việc là vấn đề rất cần thiết Do lõi cứng đóng vai trò quan trọng trongkết cấu chịu lực nhiều tầng và quyết định chủ yếu đến các phản ứng tính toáncủa toàn hệ kết cấu nên nếu có một cách tính toán nhanh trong việc lựa chọn sơ
bộ các kích thước đặc trưng của lõi cứng thì sẽ mang lại hiệu quả to lớn choviệc thiết kế ngay từ giai đoạn thiết kế sơ bộ
2 Mục đích, phương pháp, phạm vi và đối tượng nghiên cứu.
- Mục đích Nghiên cứu một sơ đồ tính thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh
hưởng của sàn cho hệ kết cấu lõi cứng nhà nhiều tầng, có sơ đồ giằng Nghiêncứu về sơ đồ tính là một trong các nhiệm vụ của Cơ học Kết cấu Đồng thời,qua các nghiên cứu bằng số, xây dựng biểu thức thực nghiệm, các bảng tra xácđịnh độ cứng của liên kết đàn hồi nhằm lựa chọn nhanh kích thước tiết diện lõicứng gần đúng với một số dạng nhà trong giai đoạn thiết kế sơ bộ công trình
- Phương pháp nghiên cứu.
+ Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các thử nghiệm bằng số trên máy tính, bằng
Trang 32phần mềm ETABS, theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng ETABS vớivai trò như một công cụ thí nghiệm số, đồng thời làm chuẩn để so sánh, kiểmchứng kết quả nghiên cứu ;
+ Sử dụng các phương pháp của cơ học kết cấu, theo nguyên lý cân bằng lực vàthỏa mãn điều kiện biên của kết cấu, dựa trên các kết quả đã có, viết các côngthức dưới dạng tổng quát, chuyển đổi chúng về dạng ma trận độ cứng và véc tơtải trọng nút để phục vụ cho việc thiết lập chương trình tính toán trên phầnmềm Visual Basic 6.0 Thực nghiệm số dựa trên chương trình đã lập và các kếtquả nhận được của cùng một bài toán nhưng được giải bằng phần mềm thươngmại ETABS
+ Sử dụng chương trình tự lập và phần mềm ETABS xây dựng các đườngthực nghiệm độ cứng các liên kết đàn hồi, từ đó thiết lập các biểu thức thựcnghiệm gần đúng kết hợp các bảng tra xác định độ cứng của liên kết đàn hồi
- Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: Do hiện nay ở Việt Nam có nhiều nhà
cao từ 10 đến 20 tầng nên phạm vi nghiên cứu của luận án với kết cấu từ 10đến 20 tầng, có hệ kết cấu với mặt bằng đối xứng gồm lõi cứng (loại lõi cứngmột khoang), sàn phẳng và cột, chịu tải trọng ngang tĩnh hoặc tương đươngtĩnh, nhằm lựa chọn nhanh kích thước tiết diện lõi cứng gần đúng trong giaiđoạn thiết kế sơ bộ
3 Nội dung, bố cục của luận án.
Nội dung luận án trình bày trong 113 trang gồm phần mở đầu, 3chương, kết luận và kiến nghị, 55 hình vẽ, 51 bảng biểu, phụ lục 1 gồm 25trang, phụ lục 2 về mã nguồn chương trình AC-1 gồm 29 trang và phụ lục 3 vềchương trình AC-2 gồm 27 trang
NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN:
- Từ sơ đồ tính không gian phức tạp (gồm lõi cứng, cột và sàn) đã mô hình hóathành một sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn, trong đólõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh liên kết ngàm vào móng, có liên kếtnửa cứng giữa các phần tử thanh, cột và sàn liên kết với lõi cứng bằng các liên
Trang 43kết đàn hồi.
- Đã xây dựng chương trình AC-1, AC-2 làm công cụ để nghiên cứu, phân tíchkết cấu lõi cứng nhiều tầng
-Đã khảo sát sự ảnh hưởng của một số yếu tố đến chuyển vị đỉnh trong kết cấunhiều tầng có sơ đồ giằng, có mặt bằng đối xứng, khi chịu tải trọng ngang,gồm: số tầng, bề dày lõi cứng, chiều cao lanh tô cửa lõi cứng, chiều rộngkhoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng, số lượng cột, mô men quán tính các cột,
bề dày sàn, mô đun đàn hồi của vật liệu Trong các thông số này thì chiều rộngkhoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng a1 là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến độcứng lõi cứng
- Đã xây dựng biểu thức thực nghiệm kết hợp các bảng tra xác định độ cứngcủa liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theo trục X, Y và độ cứng củaliên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị xoay quanh trục Z với một số dạng kết cấunhiều tầng, có sơ đồ giằng, chịu tải trọng ngang để lựa chọn kích thước tiếtdiện lõi cứng gần đúng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ công trình
B NỘI DUNG LUẬN ÁN
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.
1.1 Các hệ kết cấu nhiều tầng sử dụng lõi cứng chịu lực.
1.1.1 Hệ kết cấu lõi chịu lực.
1.1.7 Hệ kết cấu tường – lõi.
1.2 Phương pháp và sơ đồ tính toán kết cấu nhiều tầng
1.2.1 Phương pháp tính toán kết cấu nhiều tầng.
Trang 51.2.2 Sơ đồ tính toán kết cấu nhiều tầng.
1.3 Mô hình liên kết nửa cứng ở hai đầu phần tử thanh.
Việc nghiên cứu về sơ đồ tính là một nhiệm vụ quan trọng của Cơ học kếtcấu, việc tách hệ kết cấu thực thành hai hệ: hệ lõi cứng và các hệ còn lại, liênkết giữa hai hệ này là các liên kết đàn hồi Thông qua các đặc trưng cơ lý củacác liên kết đàn hồi này có kể đến ảnh hưởng của các sàn đến sự làm việc củalõi cứng, còn ít được công bố kết quả nghiên cứu
1.7 Một số giả thiết được sử dụng trong luận án
1.8 Mục đích, phương pháp, phạm vi và đối tượng nghiên cứu.
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU LÕI CỨNG NHIỀU
TẦNG CÓ SƠ ĐỒ GIẰNG, CHỊU TẢI TRỌNG NGANG.
Chương này mô hình hóa từ công trình thực về sơ đồ tính công trình (sơ đồtính không gian phức tạp gồm lõi cứng, cột và sàn), từ sơ đồ tính không gianphức tạp chuyển về sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn,trong đó lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh liên kết ngàm vào móng, cóliên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, cột và sàn liên kết với lõi cứng mô
Trang 65hình bằng các liên kết đàn hồi, thiết lập thuật toán và chương trình để phân tích
mô hình tính theo phương pháp phần tử hữu hạn, xác định độ cứng các liên kếtđàn hồi Tiến hành các thử nghiệm số đối với một số bài toán, so sánh kết quảtính toán theo chương trình trong luận án và phần mềm ETABS [9], [30] đểkiểm tra độ tin cậy
2.1 Mô hình hóa từ công trình thực về sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ.
Từ sơ đồ tính công trình, tác giả mô hình hóa thành sơ đồ tính xấp xỉ có kể đếnảnh hưởng của sàn, thể hiện ở hình 2.2, được gọi là sơ đồ thanh công xôn xấp
xỉ Trong đó, lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh không gian có mặt cắttiết diện kín, hở, liên kết ngàm vào móng, làm việc đồng thời với các bộ phậnkết cấu khác tại mức sàn các tầng thông qua liên kết đàn hồi tại các tầng (thaythế sự làm việc đồng thời giữa lõi cứng và các bộ phận kết cấu khác gồm cột vàsàn), liên kết giữa các phần tử thanh tại các tầng có dạng nửa cứng (liên kết có
độ cứng hữu hạn) để phù hợp với công nghệ thi công xây dựng
tiÕt diÖn kÝn
tiÕt diÖn hë
mÆt c¾t lâi cøng
mÆt c¾t lâi cøng
Hình 2.2: Sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ
2.1.1 Ma trận độ cứng của phần tử thanh có liên kết nửa cứng.
2.1.2 Các phần tử của ma trận độ cứng và véc tơ tải trọng nút của phần tử thanh hai đầu liên kết nửa cứng.
Trang 76 Xét phần tử thanh trong mô hình tính ở hình 2.2, có chiều dài là L2 và các đặctrưng tiết diện I x, I y, I xo, G, A Hai đầu 1 và 2 có liên kết nửa cứng được môhình hóa bằng các lò xo, với độ mềm cho chuyển vị dọc trục là k1u, k2u;
Độ mềm của biến dạng uốn trong mặt phẳng YZ gồm độ mềm của chuyển vịngang là k1v, k2v và độ mềm của chuyển vị xoay là k1, k2 Độ mềm của biếndạng uốn trong mặt phẳng XZ gồm chuyển vị ngang là k1w, k2w và chuyển vịxoay là k1, k2 Độ mềm của biến dạng xoắn quanh trục Z là k1, k2
Quan hệ giữa biến dạng và nội lực của liên kết được xác định như sau:
- Ma trận độ cứng của thanh có các gối tựa đàn hồi [4]
Thay các độ cứng liên kết đàn hồi C i X, C i Y, C i Z, C i XX , C i YY,C i ZZ (i = 1 đến n,
n là số tầng) vào đường chéo chính của ma trận độ cứng của thanh, ta có:
Trang 82.3 Kiểm tra độ tin cậy của lời giải và chương trình tính.
Để kiểm tra độ tin cậy của lời giải và chương trình tính, tác giả tiếnhành so sánh kết quả bằng số với phần mềm ETABS có vai trò như một công
cụ thí nghiệm số, đồng thời làm chuẩn để so sánh
2.4 Nguyên nhân cần xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn tương đương khi phân tích lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh 2.4.1 Phân tích kết cấu lõi cứng theo phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn.
Bảng 2.1: Bảng kết quả chênh lệch S1 (%) về mômen quán tính trung tâm củalõi cứng quanh trục Y
Stt a1 (m) Chuyển vị ngang tại
đỉnh theo trục X (m)
Y cx I
(m4)
Y lt I
Trang 9Từ mô hình tính lõi cứng bằng các phần tử tấm, khi chuyển sang môhình lõi cứng bằng các phần tử thanh cần phải xác định hệ số điều chỉnh độcứng chống uốn, chống xoắn tương đương
Có sự chênh lệch về mô men quán tính chống uốn của của lõi cứng khi
mô tả lõi cứng bằng thanh công xôn thay thế và mômen quán tính chống uốncủa lõi cứng xác định theo công thức lý thuyết sức bền vật liệu Độ cứng củalõi cứng khi mô hình bằng phần tử thanh khác với độ cứng của lõi cứng khi môhình lõi cứng bằng các phần tử tấm Vì vậy, khi quy đổi lõi cứng về thanh côngxôn thay thế thì cần phải sử dụng hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chốngxoắn tương đương
2.5 Cách xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn khi phân tích lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh.
2.5.1 Cách xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn của lõi cứng thông qua cân bằng năng lượng
2.5.1.1 Phương pháp xác định: Xác định thông qua việc cân bằng thế năng
biến dạng tích lũy trong hệ đàn hồi
2.5.1.2 Ví dụ tính toán.
- Hệ số độ cứng chống uốn, chống xoắn trong tất cả các trường hợp đều có giátrị dương, nằm trong khoảng (0, 1), có giá trị khác nhau và phụ thuộc cả vào tảitrọng, tức là với các dạng tải trọng khác nhau thì hệ số độ cứng chống uốn,chống xoắn khác nhau Nguyên nhân do độ cứng là đại lượng đặc trưng chokhả năng chống lại biến dạng của cấu kiện, với các dạng tải trọng khác nhau thìbiến dạng khác nhau Và việc xác định hệ số độ cứng xác định thông qua cânbằng toán học về năng lượng giữa hệ kết cấu mô tả lõi cứng bằng các phần tửthanh và phần tử tấm
- Giá trị hệ số độ cứng luôn nằm trong khoảng (0, 1) là do ứng xử của hệ tấmkhác với hệ thanh khi chịu tải trọng ngang Khi lõi mô tả bằng các phần tử tấm
là hệ kết cấu không gian với mô hình tính toán liên tục nên có độ cứng lớn hơnkhi mô tả lõi cứng bằng các phần tử thanh với mô hình tính toán rời rạc
Trang 109Bảng 2.3: Bảng kết quả hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn tươngđương với các dạng tải trọng khác nhau.
Tải trọng ngang phân
bố đều
Tải trọng ngang phân
bố tam giác
Tải trọng ngang tập trung trên
đỉnh
xo M
tại đỉnh
xo
M tập trung tại các mức sàn
- Với các phương pháp xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chốngxoắn khác nhau sẽ tìm được giá trị hệ số điều chỉnh độ cứng khác nhau
- Hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn trong tất cả các trường hợpđều có giá trị dương, nằm trong khoảng (0, 1), có giá trị khác nhau và phụ
Trang 1110thuộc cả vào dạng tải trọng cụ thể Nguyên nhân bởi vì, độ cứng của lõi khi môhình bằng phần tử thanh và mô hình bằng phần tử tấm có giá trị khác nhau.
2.6 Kiểm tra thuật toán và chương trình AC-1, AC-2.
2.6.1 Chọn công trình để tính toán, thực nghiệm bằng số.
Xét các kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng, mỗi tầng cao 3,3 m, có mặt bằngđối xứng như hình 2.12, tải trọng gió theo trục X và Y với W o = 95 daN / m2
2.6.3 Kiểm tra thuật toán và chương trình AC-1.
2.6.3.1 Các trường hợp tính toán thực nghiệm bằng số.
Trang 122.6.3.2 Trình tự các bước tính toán.
2.6.3.3 Kết quả tính toán.
Bảng 2.8: Bảng kết quả độ cứng C i X, C i Y, C i ZZ (i = 1 đến n, n là số tầng)trong hệ kết cấu 10 tầng
Tầng Cao độ sàn (m)
X i
C(=1→10)
(daN/m)
Y i
C(=1→10)
(daN/m)
ZZ i
n là số tầng) của lõi cứng 10, 15 và 20 tầng thể hiện ở bảng 2.12
Bảng 2.12: Bảng tổng hợp kết quả chênh lệch lớn nhất giữa độ cứng C i X, C i Y,
C(=1→ ) (%)
Chênh lệch
Y n i
C(=1→ ) (%)
Chênh lệch
ZZ n i
Trang 13- Kết quả phân tích độ cứng của liên kết đàn hồi trong kết cấu 10 tầng, 15 tầng
và 20 tầng bằng chương trình AC-1 cho thấy độ cứng tại vị trí lõi cứng ngàmvào móng có giá trị lớn vô cùng, độ cứng C i X, C i Y, C i ZZ (i = 1 đến n, n là sốtầng) tại các tầng có giá trị dương, theo quy luật với giá trị độ cứng xấp xỉnhau
2.6.4 Kiểm tra thuật toán và chương trình AC-2.
2.6.4.1 Các trường hợp tính toán thực nghiệm bằng số.
Để kiểm tra thuật toán, chương trình AC-2, tác giả thực hiện các ví dụtính toán kết cấu lõi cứng có liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theotrục X, Y và chuyển vị xoay quanh trục Z, có liên kết cứng và nửa cứng giữacác phần tử thanh trong các kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng với mặt bằngđối xứng với các số liệu đầu vào ở mục 2.6.1 và các số liệu ở mục 2.6.4.1 trongluận án
Về độ mềm của liên kết giữa các phần tử thanh: phụ thuộc vào dạngliên kết giữa các phần tử thanh, với công nghệ thi công lõi cứng toàn khối thìliên kết lõi cứng giữa các tầng là cứng, tức là giá trị độ mềm của liên kết giữacác phần tử thanh k i j (j =u,v,,w,,, i = 1→n, n là số tầng), khi đó có thểquan niệm lõi cứng là một thanh liên tục Với công nghệ thi công lõi cứng lắpghép thì liên kết lõi cứng giữa các tầng là nửa cứng (liên kết có độ cứng hữuhạn) [16], tức là một số độ mềm của liên kết giữa các phần tử thanh k i j
(j =u,v,,w,,, i = 1→n, n là số tầng) có giá trị khác không
2.6.4.2 Mô hình tính toán Thể hiện ở hình 2.14, hình 2.15 trong luận án 2.6.4.3 So sánh kết quả tính toán giữa AC-2 và ETABS về chuyển vị của lõi cứng có liên kết cứng giữa các phần tử thanh, có liên kết đàn hồi.
Trang 1413Bảng 2.17: Bảng tổng hợp kết quả chênh lệch (%) giữa AC-2 và ETABS vềchuyển vị lớn nhất (UX(i=1→n), ZZ(i=1→n), UY(i=1→n)) của lõi cứng tiết diện kín và
hở trong kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng, có liên kết cứng giữa các phần tửthanh, có liên kết đàn hồi
Stt
Số
tầng
Mặt cắt tiết diện lõi cứng
Chênh lệch
X n i
U(=1→ )(%)
Chênh lệch
ZZ n
là 4,25 %, chênh lệch về chuyển vị ngang theo trục Y lớn nhất là 12,79 %
- Với lõi cứng tiết diện kín, chênh lệch về chuyển vị ngang theo trục X ở cáctầng lớn nhất là 10,24 %
- Do chênh lệch về kết quả tính toán chuyển vị giữa phần mềm ETABS vàchương trình AC-2 như bảng 2.17 là không lớn nên có thể sử dụng chươngtrình AC-2 để phân tích kết cấu lõi cứng tiết diện kín và hở, có liên kết cứnggiữa các phần tử thanh, có các liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theotrục X, Y và chuyển vị xoay quanh trục Z
2.6.4.4 So sánh kết quả tính toán giữa AC-2 và ETABS về chuyển vị của lõi cứng có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, có liên kết đàn hồi.
Do chênh lệch như bảng 2.19 là không lớn nên có thể sử dụng chươngtrình AC-2 để phân tích kết cấu lõi cứng có liên kết nửa cứng giữa các phần tửthanh, có các liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theo trục X, Y vàchuyển vị xoay quanh trục Z, khi chịu tải trọng ngang