Sử dụng phần mềm SAP2000 khảo sát sự biến dạng lệch giữa cột và vách cứng trong kết cấu nhà cao tầng theo tiêu chuẩn CEB-FIP90 xét đến ảnh hưởng co ngót và từ biến bê tông

Sử dụng phần mềm SAP2000 ,khảosát sự biến dạng lệch, giữa cột và vách cứng, trong kết cấu nhà cao tầng, theo tiêu chuẩn CEB-FIP90, xét đến ảnh hưởng, co ngót và, từ biến bê tông

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Tình hình nghiên cứu 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu 6

1.4 Nội dung nghiên cứu 7

1.5 Tính thực tiễn của nghiên cứu 7

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Các khái niệm cơ bản 8

2.1.1 Biến dạng đàn hồi 8

2.1.2 Biến dạng không đàn hồi 8

2.1.3 Biến dạng cột, vách cho tòa nhà có N tầng 8

2.2 Tính toán biến dạng theo CEB-FIP90 10

2.2.1 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian 10

2.2.2 Biến dạng từ biến và co ngót 11

2.2.3 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ 15

2.2.4 Biến dạng khi chưa xét ảnh hưởng của nhiệt độ 19

2.2.5 Biến dạng khi xét ảnh hưởng của nhiệt độ 21

2.3 Biến dạng đàn hồi 22

2.3.1 Theo công thức sức bền vật liệu 22

2.3.2 Biến dạng đàn hồi của cột, vách ở tầng thứ N tại thời điểm t 22

Chương 3 VÍ DỤ SỐ 23

3.1 Công trình Asia Square Tower 1 23

3.1.1 Biến dạng của cột,vách theo thời gian 24

3.1.2 Biến dạng của cột, vách với sự thay đổi độ ẩm 26

3.1.3 Biến dạng của cột, vách với sự thay đổi nhiệt độ 28

3.1.4 Ảnh hưởng của tốc độ thi công đến biến dạng cột, vách 30

3.2 Công trình VINCOM CENTER 33

3.2.1 Lệch biến dạng cột vách theo thời gian và độ cao 33

3.2.2 Biến dạng theo thời gian của cột vách dưới sự thay đổi độ ẩm 36

3.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ thi công đến biến dạng cột, vách 37

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

4.1 Kết luận 39

4.2 Hướng phát triển đề tài 39

Tài liệu tham khảo 41

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu

Ngày nay, tại các thành phố lớn ở Việt Nam và trên thế giới, nhiều công trình nhà cao tầng, siêu cao tầng được hình thành nhằm đáp ứng nhu cầu về điều kiện sống ngày càng cao của con người và cũng là hướng phát triển để giải quyết vấn đề thiếu quỹ đất dân sinh tại trung tâm dân cư Tuy nhiên, một trong các vấn đề lớn đặt

ra trong quá trình xây dựng nhà cao tầng, siêu cao tầng đó là tác động của tải trọng ngang và lực nén lớn truyền lên các kết cấu chịu lực theo phương đứng Giải pháp được đặt ra để giải quyết vấn đề trên đồng thời rất phù hợp cho không gian kiến trúc công trình đó là sử dụng hệ vách, lõi kết hợp với cột Hình 1.1 trình bày mặt bằng tầng điển hình của hai tòa nhà cao tầng: (1) Hanoi Landmark Tower – Hotel Tower

(trái) và (2) Asia Square Tower 1 (phải) –Singapore

Hình 1.1 Mặt bằng tầng điển hình của 2 công trình cao tầng

Khi sử dụng đồng thời hệ cột – lõi cứng trong kết cấu nhà cao tầng thì sự lệch biến dạng giữa 2 bộ phận là cần được xem xét Các lõi cứng có diện tích tiết diện lớn hơn nhiều lần so với diện tích tiết diện cột và tải trọng đứng trong lõi cứng không quá lớn so với cột tương ứng gần nó dẫn đến sự chênh lệch lớn về biến dạng trong hai bộ phận này Sự co ngắn khác nhau giữa cột và vách cứng liền kề sát bên có thể

là nguyên nhân làm xoắn sàn phẳng, biến dạng dầm, tường và chi tiết bao che v.v Hình 1.2 trình bày ảnh hưởng của biến dạng lệch giữa cột biên và lõi làm nứt vách ngăn và phát sinh cốt thép chịu kéo căng thớ dưới về phía cột

Hình 1.2 Ảnh hưởng của biến dạng lệch kết cấu

Hình 1.3 trình bày moment do biến dạng lệch gây ra tại tại tầng 70 tòa nhà Hanoi Landmark Tower – Hotel Tower Moment do sự lệch biến dạng gây ra cho cho các dải sàn lớn nhất về phía cột là 106.5 kN.m/m (căng thớ dưới), về phía lõi cứng là -104.3 kN.m/m (căng thớ trên)

Hình 1.3 Moment do lệch chuyển vị của cột- vách, lõi tại tầng 70 tòa nhà Hanoi

Landmark Tower – Hotel Tower Biến dạng bao gồm hai loại biến dạng đàn hồi và không đàn hồi Biến dạng đàn hồi là biến dạng dưới tác dụng của tải trọng và được xác định qua mối liên hệ với diện tích tiết diện và mô đun đàn hồi của vật liệu Biến dạng không đàn hồi phát sinh do tính chất co ngót và từ biến của bê tông Vì tính co ngót và từ biến của bê tông thay đổi theo thời gian nên biến dạng thu được cũng sẽ có sự biến đổi trong quá trình xây dựng và sau khi hoàn thành công trình Như vậy, khảo sát lệch biến dạng

cột-vách có xét đến tính co ngót và từ biến của bê tông sẽ giúp hiểu rõ biến dạng lệch và sự phát triển của biến dạng này theo thời gian

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Lý thuyết về biến dạng co ngót và từ biến của bê tông và thép đã được nhiều tác giả đề cập từ những thập kỷ trước như: Ross (1937), Lorman (1940), Neville cùng các cộng sự (1964) đã đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến của bê tông

và phương pháp dự đoán Mô hình đơn giản dự đoán biến dạng do co ngót và từ biến của bê tông đã được đưa ra bởi các tác giả Bazant (1972), Fintel-Ghosh và Iyengar (1984).Bazant và Baweja (2001) đã đưa ra mô hình dự đoán từ biến và co ngót cho việc phân tích và thiết kế kết cấu bê tông Tác giả Mark Fintel và cộng sự (2005) trong quyển “Column Shortening in Tall Structures – Prediction and Compensation” cũng đã đề cập hiện tượng co ngót và từ biến dẫn đến biến dạng lệch giữa các cột trong nhà cao tầng thông qua các ví dụ điển hình để khảo sát, sau đó đưa ra cách hiệu chỉnh Jayasinghe và Jayasena (2004) đã đề cập ảnh hưởng sự co ngắn của cột trong thiết kế và thi công nhà cao tầng

Các tiêu chuẩn thiết kế CEB-FIP90, ACI-209R, Eurocode 2 có quy định về việc tính toán biến dạng co ngót và từ biến cho bê tông

Hiện nay có nhiều phần mềm cung cấp ứng dụng tính toán các biến dạng co ngót và từ biến cho bê tông như: SAP2000 cho phép tính toán biến dạng theo tiêu chuẩn CEB-FIP90 MIDAS GEN cho phép tính toán biến dạng theo các tiêu chuẩn CEB-FIP90, ACI-209R, Eurocode 2, PCA Method (Mark Fintel)

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tác giả Phạm Duy Hữu (2005) đã nghiên cứu thành phần bê tông có xét đến yếu tố hạn chế co ngót và từ biến, trong đó trình bày khái quát các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót và từ biến của bê tông Tác giả Phan Quang Minh và cộng sự (2005) đã trình bày một số phương pháp tính biến dạng từ biến theo thời gian của bê tông như: phương trình lũy thừa, phương trình hypepol, phương trình logarit, phương trình từ

biến nhanh ban đầu Tác giả Hà Hoàng Phong (2008) đã khắc phục sự biến dạng khác nhau giữa cột và vách theo thời gian trong nhà cao tầng bằng phương pháp tối

ưu bù biến dạng Tác giả Lương Văn Hải và cộng sự (2011) đã đánh giá sự co ngắn của cột và vách trong nhà cao tầng do ứng suất đàn hồi, từ biến và co ngót, đồng thời đưa ra sự hiệu chỉnh biến dạng lệch giữa cột và vách cứng Tác giả Lương Văn Hải và cộng sự (2012) đã đánh giá biến dạng cột và vách trong nhà cao tầng theo tiêu chuẩn CEB-FIB90 Tác giả Lê Xuân Trường và cộng sự (2012) nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng cột liên hợp BTCT theo từng giai đoạn thi công nhà cao tầng sử dụng tiêu chuẩn CEB-FIP90

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, phần mềm SAP2000 được sử dụng để khảo sát bài toán theo tiêu chuẩn CEB-FIB90 Sử dụng phần mềm SAP2000 là phù hợp với mục đích của nghiên cứu là khảo sát biến dạng lệch, đồng thời các kết quả của nghiên cứu cũng được tham khảo dễ dàng bởi các bạn sinh viên và kỹ sư Mặt khác nhiều nghiên cứu và công trình thực tế cho thấy rằng tiêu chuẩn CEB-FIB90 cho kết quả đáng tin cậy so với ứng xử thực tế của công trình Hải và cộng sự (2012) đã nghiên cứu biến dạng lệch theo nhiều tiêu chuẩn như CEB-FIB90, ACI-90R, EC2, Fintel-Ghosh (1996) Kết quả cho thấy mỗi tiêu chuẩn có kết quả khác nhau nhưng sự chênh lệch là không nhiều

Sai số giữa CEB-FIB90 và Fintel-Ghosh (1996) trung bình là 10% (Hải và cộng sự, 2012) Hình 1.4 trình bày chuyển vị đo đạt và tính toán tại công trình Hanoi Lanmark Tower đã hoàn thành tại Việt Nam Kết quả cho thấy chuyển vị giữa tính toán và thực tế là gần giống nhau Ở công trình này phân tích được tiến hành theo Fintel-Ghosh (1996)

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm: khảo sát sự biến dạng lệch giữa cột và vách cứng trong kết cấu nhà cao tầng theo tiêu chuẩn CEB-FIP90 xét đến ảnh hưởng co ngót và từ biến bê tông; khảo sát ảnh hưởng của biến dạng cột vách theo từng giai đoạn thi công lên các kết cấu khác

1.5 Tính thực tiễn của nghiên cứu

Với việc nhà cao tầng đang ngày càng trở nên phổ biến, hiện nay đã có một số công trình ở Việt Nam đã áp dụng phân tích lệch biến dạng cột vách trong quá trình xây dựng Đề tài hoàn thành sẽ đưa ra sự nhìn nhận về nguyên nhân gây lệch biến dạng và ảnh hưởng theo thời gian, các giai đoạn thi công Đề tài sẽ tiến hành mô hình ví dụ trên phần mềm SAP2000, đây là một phần mềm được sử dụng rất phổ biến Do vậy các kết quả mà đề tài đưa ra sẽ được tham khảo dễ dàng

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Biến dạng đàn hồi

Biến dạng đàn hồi là biến dạng tức thời diễn ra trong phần tử dưới tác dụng của tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải,…) Biến dạng đàn hồi phụ thuộc vào thành phần vật liệu, kích thước cấu kiện, tải trọng tác động, điều kiện môi trường…

2.1.2 Biến dạng không đàn hồi

Biến dạng không đàn hồi của bê tông là tổng biến dạng co ngót và từ biến trong

bê tông

- Biến dạng co ngót bê tông

Biến dạng co ngót là sự giảm thể tích bê tông diễn ra do quá trình bay hơi nước

từ bề mặt bê tông và các phản ứng hóa học trong quá trình bê tông ninh kết

- Biến dạng từ biến

Biến dạng từ biến là sự tăng biến dạng theo thời gian khi ứng suất không thay đổi Biến dạng từ biến là tổ hợp hai thành phần: biến dạng từ biến cơ sở và biến dạng từ biến khi khô Biến dạng từ biến chịu ảnh hưởng bởi độ ẩm của môi trường xung quanh, kích thước cấu kiện, thành phần bê tông, tuổi của bê tông khi đặt tải và

độ lớn của tải trọng Từ biến phát triển trong một thời gian rất dài, không có giới hạn cụ thể Theo các khảo sát nghiên cứu trước thì sau 30 năm vẫn còn biến dạng từ

biến

2.1.3 Biến dạng cột, vách cho tòa nhà có N tầng

Cơ sở lý thuyết để thiết lập công thức tính biến dạng phần tử phương đứng theo thời gian t ứng với tòa nhà có N tầng Các giả thiết bao gồm: bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố như độ sụt của bê tông, phần trăm cốt liệu nhỏ, phần trăm không khí có trong bê tông, nhiệt độ môi trường đến sự biến dạng của co ngót và từ biến

Hình 2.1 Trình tự thi công tòa nhà có N tầng

Hình 2.1 biểu thị trình tự thi công công trình theo phương pháp thông thường (thi công tuần tự từ dưới lên trên) Biến dạng (đàn hồi, từ biến, co ngót) tại tầng N đang khảo sát sẽ bao gồm: biến dạng khi thi công sàn tầng N và sau khi thi công sàn tầng N Khi thi công sàn tầng N thì biến dạng bao gồm: biến dạng trong chính tầng thứ N và biến dạng cộng dồn của các tầng bên dưới Sau khi thi công sàn tầng N thì biến dạng do các tải trọng của các tầng bên trên được thi công sau làm ảnh hưởng đến biến dạng của tầng N và các tầng bên dưới

- Biến dạng khi thi công tầng N bao gồm

 Biến dạng đàn hồi cộng dồn do các tải trọng từ tầng 1 đến tầng N

 Biến dạng co ngót cộng dồn xảy ra đến thời điểm thi công sàn N

 Biến dạng từ biến cộng dồn xảy ra đến thời điểm thi công sàn N do tải trọng từ tầng 1 đến tầng N

- Biến dạng sau khi thi công tầng N bao gồm

 Biến dạng đàn hồi cộng dồn do các tải trọng từ tầng N+1 đến tầng mái

 Biến dạng co ngót cộng dồn tiếp diễn xảy ra sau khi thi công tầng N

 Biến dạng từ biến cộng dồn tiếp diễn sau khi thi công sàn N do tải trọng từ tầng

1 đến tầng N và biến dạng từ biến cộng dồn do tải trọng từ tầng N+1 đến tầng mái

2.2 Tính toán biến dạng theo CEB-FIP90

2.2.1 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian

- Sự phát triển cường độ theo thời gian

Cường độ chịu nén trung bình của bê tông sau 28 ngày

cm ck

trong đó:  f 8MPa và f ck là cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông

Giá trị modul đàn hồi đối với bê tông nặng được tính toán theo công thức sau

( ) ( )

f cường độ chịu nén trung bình sau 28 ngày theo công thức (2.1)

( )

cc t

 hệ số mà phụ thuộc vào tuổi của bê tông t

t tuổi của bê tông (ngày) theo công thức (2.27), t1 = 1 ngày

s là hệ số phụ thuộc vào loại xi măng: s = 0.20 đối với xi măng thủy hóa nhanh, cường độ cao RS, s = 0.25 đối với xi măng thủy hóa đóng rắn bình thường N và R, và s = 0.38 đối với xi măng thủy hóa chậm SL

- Sự phát triển modul đàn hồi theo thời gian

Modul đàn hồi của bê tông tại độ tuổi t  28 ngày có thể được tính toán từ công thức (2.6):

trong đó: E t ci( ) là modul đàn hồi ở độ tuổi t ngày, E ci là modul đàn hồi ở độ tuổi 28

ngày, từ công thức (2.3), E( )t là hệ số mà phụ thuộc vào tuổi của bê tông, t (ngày), cc( )t là hệ số tính theo công thức (2.5)

2.2.2 Biến dạng từ biến và co ngót

- Định nghĩa

Tổng biến dạng tại thời điểm t, c( )t , của một kết cấu bê tông dưới tác dụng tải nén một trục tại thời điểm t0 với một ứng suất không đổi c( )t o có thể được tính theo các công thức sau:

c t ci t o cc t cs t cT t

  , từ biến được giả định là tuyến tính với quan hệ ứng suất

Đối với một ứng suất là hằng số áp dụng vào thời gian t0 dẫn đến:

( )( , ) c o ( , )

t là tuổi của bê tông (ngày) tại thời điểm khảo sát

0

t là tuổi của bê tông lúc đặt tải (ngày), theo công thức (2.20) và (2.27)

Hệ số từ biến biểu kiến có thể được tính từ công thức:

1( )

RH là độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh (%), RHo = 100%

h là kích thước biểu kiến của kết cấu (mm), ở đó Ac là diện tích tiết diện và

u là chu vi của kết cấu tiếp xúc với khí quyển và môi trường

ho = 100 mm, t1 = 1 ngày

Sự phát triển của từ biến với thời gian được cho bởi

0.3 1 1

* Ảnh hưởng của loại xi măng và nhiệt độ bảo dưỡng

Ảnh hưởng của loại xi măng lên hệ số từ biến của bê tông có thể được đưa vào tính toán bằng cách hiệu chỉnh tuổi tại lúc đặt tải to theo công thức (2.20)

 là hệ số phụ thuộc vào loại xi măng

 = -1 đối với loại ciment thủy hóa chậm SL, 0 đối với ciment thủy hóa đông cứng bình thường N và R, và 1 đối với ciment cường độ cao thủy hóa đông cứng nhanh RS

 hệ số mô tả sự phát triển co ngót theo thời gian theo công thức (2.26)

t : tuổi của bê tông (ngày)

ts : tuổi của bê tông (ngày) tại thời điểm bắt đầu từ biến hoặc trương nở

Hệ số co ngót biểu kiến có thể được tính từ:

= 8 với ciment cường độ cao thủy hóa đóng rắn nhanh RS

Đối với trường hợp 40% RH 99%, RH  1.55sRH (2.24)

    

Với RH là độ ẩm tương đối của khí quyển bao quanh (%), RHo = 100%

Sự phát triển quá trình co ngót theo thời gian được cho bởi

1 2

trong đó: h được định nghĩa theo công thức (2.16), t1 = 1 ngày, ho = 100 mm

2.2.3 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ

* Phạm vi áp dụng

Thông tin được đưa ở những phần trước là hợp lý cho nhiệt độ trung bình được đưa vào tính toán sự biến đổi từng giai đoạn, giữa giá trị xấp xĩ -200C và 400C Trong những phần theo sau ảnh hưởng độ lệch thực tế từ một nhiệt độ trung bình là 200C đối với khoảng xấp xỉ 00C đến +800C

* Chắc chắn (maturity)

Ảnh hưởng của việc nâng cao hoặc giảm nhiệt độ lên bê tông đã chắc chắn có thể được đưa ra tính toán bởi sự tác động tuổi bê tông theo công thức (2.27)

4000 exp 13.65

trong đó: tT là nhiệt độ tác động đến tuổi bê tông mà thay thế cho “t” ở những công

thức tương ứng trước đó, t i là số ngày nơi đó nhiệt độ chiếm ưu thế, T(

( ) (1.06 0.003 / )

trong đó: f cm( )T là cường độ chịu nén tại nhiệt độ T, f cm cường độ chịu nén tại

nhiệt độ 200C từ công thức (2.1), T là nhiệt độ (0C), T0 = 10C

* Cường độ chịu kéo và đặc tính khe nứt

Trong khoảng 00C < T < 800C cường độ chịu kéo một trục f ct và cường độ kéo nứt

f không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ tại thời điểm kiểm tra

Công thức (2.30) có thể được sử dụng để tính toán ảnh hưởng của sự tăng hoặc giảm nhiệt độ tại thời điểm kiểm tra đến cường độ chịu uốn f ct fl,

Với bê tông khô: G T G 1.06 – 0.003T / TF   F 0 (2.31) Với khối lượng bê tông: G T G 1.12 – 0.006T / TF   F 0 (2.32) trong đó: GF(T) là năng lượng gây nứt tại nhiệt độ T, GF là năng lượng gây nứt tại

nhiệt độ 200C, T là nhiệt độ (0C), T0 = 10C

* Modul đàn hồi

Ảnh hưởng của sự tăng giảm nhiệt độ tại thời điểm kiểm tra lên modul đàn hồi của

bê tông, vào thời điểm 28 ngày với không có sự thay đổi hơi ẩm, có thể được tính theo công thức (2.33):

Ảnh hưởng của nhiệt độ theo thời gian đến sự phát triển của từ biến được đưa ra

tính toán bằng việc sử dụng H T, từ công thức (2.34)

  là hệ số mô tả sự phát triển từ biến theo thời gian sau khi đặt tải theo công

thức (2.18) và nhiệt độ hiệu chỉnh theo công thức (2.35) và (2.37)

Những công thức (2.40) đến (2.42) miêu tả ảnh hưởng của một hằng số nhiệt độ khác từ 20oC trong khi bê tông đang khô

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển co ngót theo thời gian được đưa ra tính toán bằng việc sử dụng sT( )T từ công thức (2.40)

2

0 0

2.2.4 Biến dạng khi chưa xét ảnh hưởng của nhiệt độ

* Biến dạng co ngót của cột, vách ở tầng thứ N tại thời điểm t

Biến dạng co ngót tại tầng N khi thi công sàn tầng N:

trong đó: cso xác định theo công thức (2.22)

s( )t j được triển khai từ công thức (2.26) như sau:

1 2

1

/ ( )

/ ( )

* Biến dạng từ biến của cột, vách ở tầng thứ N tại thời điểm t

Biến dạng từ biến tại tầng N khi thi công sàn tầng N:

ct j

E m E

A, diện tích tiết diện cột (vách) tầng thứ j

Biến dạng từ biến tại tầng N sau khi thi công tầng N: