Phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công hạn chế được các sai sót của việc phân tích cả hệ kết cấu hoàn chỉnh. Bài viết này xem xét các thông số dùng cho phương pháp phân tích và đánh giá tính hiệu quả của phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công cho nhà cao tầng bê tông cốt thép.
Trang 1PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU
THEO TUẦN TỰ THI CÔNG
Phân tích kết cấu theo cách truyền
thống thực hiện trên hệ kết cấu được
mô phỏng hoàn chỉnh (kết cấu trong
giai đoạn khai thác sử dụng) Quá trình
phân tích được thực hiện khi tải trọng
tác dụng lên hệ kết cấu hoàn chỉnh
Hình 1: Sơ đồ tính khi phân tích cả hệ
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP
NHÀ CAO TẦNG
THEO TUẦN TỰ
THI CÔNG
Tóm tắt: Phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn
thi công hạn chế được các sai sót của việc phân tích cả hệ
kết cấu hoàn chỉnh Bài báo này xem xét các thông số dùng
cho phương pháp phân tích và đánh giá tính hiệu quả của
phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công cho
nhà cao tầng bê tông cốt thép
Từ khóa: Phân tích, thi công, dọc trục, kết cấu, bê tông,
cốt thép, nhà cao tầng.
Summary: The method of analyzing structure to the
construction phases can minimize the shortcomings of the method of analyzing the complete structure system This article reviews the parameters used for the analysis and evaluate the effectiveness of the structural analysis method to the construction phases for the reinforced concrete buildings
Key words: Analyze, construction, vertical axis,
structure, concrete, reinforced, high-rise buildings
Khác biệt phương pháp trên, phân tích từng tầng theo tuần tự thi công (Hình 2) thực hiện theo các bước sau:
Hình 2: Phân tích tĩnh phi tuyến theo tuần tự thi công ở mỗi tầng
Nội lực, biến dạng do co ngót, từ biến, trọng lượng kết cấu và ứng xử phi tuyến đối với tầng 1 được tính toán => Lập sơ đồ tầng 2 phía trên tầng 1 => Tải trọng ấn định trên tầng 2 => Các ứng xử của sơ đồ mới được tính toán
=> Tiếp tục quá trình cho các tầng trên, kết quả phân tích có xét đến tuần
tự thi công
Phương pháp phân tích theo tuần tự thi công đã được tích hợp trong các
phần mềm phân tích kết cấu, với tên gọi Stage construction (SAP), Sequential
construction analysis (ETABS), được dịch là “phân tích theo giai đoạn thi
công” Thuật ngữ “giai đoạn thi công” có thể gây hiểu sai theo nghĩa đây là
TS.Vũ Hoàng Hiệp*
Nhận ngày 02/8/2017, chỉnh sửa ngày 27/8/2017, chấp nhận đăng ngày 30/8/2017.
79
Số 55.2017 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ
* Trưởng khoa Xây dựng, Trường ĐH Kiến trúc Hà Nội
Trang 2công tác thiết kế kết cấu ở giai đoạn thi công Về bản chất, từ lúc xây dựng, các
cấu kiện đã bị tác động và có những ứng xử, đã được điều chỉnh bằng biện
pháp thi công, gây ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu khi đã hoàn chỉnh
ở “giai đoạn sử dụng” Như thế, kết cấu khi khai thác, sử dụng mới được xem
xét toàn diện
Trong Hình 2, quá trình gán thêm các tầng phía trên, biến dạng dọc trục
chênh lệch giữa các cột tầng dưới (gọi là hiện tượng shortening) đã được đổ
bù bê tông, để đảm bảo dầm sàn tầng trên bằng phẳng cùng cao độ Điều
này đã mô phỏng đúng thực tế quá trình thi công kết cấu bê tông cốt thép
toàn khối
Để minh họa bản chất của phương pháp, kết cấu khung 15 tầng, 2 nhịp
điển hình được khảo sát theo 2 cách phân tích Chiều cao tầng 3,4m Nhịp dầm
6m Cột biên có kích thước tiết diện 50x50cm, cột giữa tiết diện 50x120cm,
dầm tiết diện 30x60cm Vật liệu bê tông cấp độ bền B30 Kết quả chênh lệch
chuyển vị đứng cột biên và giữa phân bổ rất khác biệt như Hình 3:
a) Phân tích trên kết cấu hoàn chỉnh b) Phân tích theo tuần tự thi công
Hình 3: So sánh chênh lệch cao độ cột biên và cột giữa theo 2 cách phân tích
HIỆN TƯỢNG BIẾN DẠNG DỌC TRỤC CÁC CẤU KIỆN THẲNG ĐỨNG
CHÊNH LỆCH TRONG NHÀ CAO TẦNG
Trong hệ kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), do tác động kết hợp của biến
dạng co ngót, từ biến và ứng suất nén gây nên biến dạng dọc trục trong các
cột, vách, lõi Ở các nhà cao tầng, các cột bao quanh thường có khuynh hướng
co ngắn nhiều hơn so với vách và lõi bên trong (hiện tượng shortening), dẫn
đến sự chênh lệch đáng kể về biến dạng dọc trục, gây nên sự phân phối lại
nội lực rất bất lợi, như Hình 4:
Hình 4: Mô tả hệ quả của hiệu ứng shortening [2]
Lực dọc trong các cột, vách sẽ được phân phối lại Mô men trong các dầm
tập trung rất lớn tại đầu liên kết với cấu kiện đứng ít bị co ngắn hơn, mô men
đầu dầm còn lại thậm chí còn đổi dấu Điều này dẫn đến phải bố trí cốt thép
tập trung, không phân đều, thi công khó khăn và quan trọng hơn, liệu kết
quả nội lực đó có phản ánh đúng thực tế hay không
Trong thực tế thi công, tải trọng bản thân của kết cấu và khối xây đã được chất từng bước theo thời gian Việc thi công tuần tự các tầng đã triệt tiêu một phần chênh lệch chuyển vị cộng dồn do đổ bê tông đã bù cột, hiệu chỉnh cao độ thống nhất tại mỗi sàn Vì vậy, hệ quả của shortening không lớn như trong tính toán hệ kết cấu hoàn chỉnh Việc tính toán hệ kết cấu không xét đến sự triệt tiêu của hiệu ứng shortening theo giai đoạn thi công dẫn đến một sự sai lệch về kết quả [2] Kết quả so sánh chuyển
vị đứng của cột biên và cột giữa trên Hình 3 cho thấy, việc phân tích kết cấu theo tuần tự thi công đã thay đổi trị
số cũng như phân bố độ chênh lệch chuyển vị của cấu kiện đứng, rõ nhất
là tại tầng mái
Đã có nhiều nghiên cứu nêu rõ các nguyên nhân gây biến dạng dọc trục cột BTCT là: Biến dạng co ngót,
từ biến của bê tông, tác động nhiệt, các tải trọng thi công, tải rung động, biến dạng đàn hồi do lực dọc cột [1] [3][4][6] Những kết luận biến dạng dọc trục khác biệt giữa các cột và vách trong cùng một công trình dẫn đến phân bố nội lực rất không đồng đều trong kết cấu toàn nhà, bỏ qua sự co ngắn khác nhau của cột, vách có thể dẫn đến sự cố trong kết cấu và các bộ phận phi kết cấu của tòa nhà đã được đưa ra [3][4][8] Đặc biệt là đưa ra các đánh giá về sự cần thiết và hiệu quả của phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công (giai đoạn thi công) trong các công trình cao tầng [2][3][6][9]
Tuy nhiên, ngoại trừ một số công trình siêu cao tầng, công trình cầu nhịp lớn, việc sử dụng phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công không phổ biến trong thực tế thiết kế công trình cao tầng ở Việt Nam, dù số lượng các công trình cao
30 đến 45 tầng không hiếm Lý do có thể xuất phát từ tâm lý ngại thay đổi của người thiết kế, do số lượng các
80 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ
Trang 3phương án tải khá lớn, một số thông
số đầu vào cho phân tích chưa thực
sự dễ dàng nắm bắt để lựa chọn Các
nội dung sau của bài báo sẽ đề cập,
phân tích và đề xuất về các thông
số sử dụng cho phương pháp phân
tích này, so sánh các kết quả nội lực
giữa phương pháp phân tích theo
tuần tự thi công và chỉ phân tích trên
cả hệ kết cấu hoàn chỉnh Đối tượng
nghiên cứu là kết cấu BTCT toàn khối
trong nhà cao tầng
LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ
DÙNG CHO PHÂN TÍCH KẾT CẤU
Tải trọng đưa vào phân tích
Theo bản chất phương pháp
phân tích kết cấu trình bày ở mục 2,
không phải tất cả các loại tải trọng
và tác động vào công trình đều được
đưa vào phương pháp phân tích
theo tuần tự thi công Các tải trọng
tạm thời như hoạt tải sử dụng, gió,
động đất gán tác dụng lên hệ kết cấu
đã hoàn chỉnh, phân tích theo các
phương pháp truyền thống
Thành phần tĩnh tải có ảnh hưởng
trực tiếp đến biến dạng co ngắn các
cấu kiện thẳng đứng trong quá trình
xây dựng, mới đưa vào phân tích
theo phương pháp tuần tự thi công
Cụ thể chỉ có phần trọng lượng bản
thân kết cấu (dầm, sàn, cột, vách, lõi)
và những phần hoàn thiện song song
với thi công kết cấu (xây tường chèn),
được phân tích theo tuần tự thi công,
còn các tĩnh tải hoàn thiện khi kết cấu
thi công xong được phân tích trên hệ
đã hoàn chỉnh
Các số liệu phân loại tĩnh tải được
thực hiện trên 2 dạng công trình cao
tầng điển hình cho thấy: Với công
trình văn phòng, tổng trọng lượng
bản thân kết cấu chiếm 75÷80% tĩnh
tải, phần hoàn thiện chiếm 20÷25%
tĩnh tải toàn công trình; Với công
trình chung cư, tổng trọng lượng bản
thân kết cấu chiếm 55÷60% tĩnh tải,
phần hoàn thiện chiếm 40÷45% tĩnh
tải toàn công trình
Tiến độ thi công
Thông số này trong phương pháp phân tích theo tuần tự thi công là số ngày thi công kết cấu chịu lực BTCT của 1 tầng Với các số liệu tiến độ trung bình 7÷10 ngày/tầng, thay đổi thông số trong khoảng này không làm chuyển
vị chênh lệch giữa các cột - vách nhiều, chỉ 5÷7%
Hệ số co ngót
Các hệ số co ngót Bsc và hệ số loại xi măng s xét ảnh hưởng biến dạng co ngót của bê tông trong phương pháp phân tích theo tuần tự thi công bằng phần mềm ETABS 2015
Theo tiêu chuẩn TCVN 5439-2004 về phân loại xi măng và đối chiếu tiêu chuẩn CEB-FIP 1990, các loại xi măng sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay thuộc loại tốc độ đóng rắn trung bình, có thể lấy thông số Bsc=5 và s=0,25
Mô hình từ biến
ETABS 2015 dùng 2 mô hình từ biến dùng trong phân tích là tích phân đầy
đủ (Full integration) và chuỗi Dirichlet ( Dirichlet series)
Chuỗi Dirichlet được kiến nghị áp dụng thích hợp khi tính toán các kết cấu kích thước lớn, còn mô hình tích phân đầy đủ được khuyên dùng cho các công trình có kết cấu vừa và nhỏ
Thông số mô đun đàn hồi của bê tông
Phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công thực hiện quá trình phân tích ngay từ thời điểm xây dựng, do vậy trị số mô đun đàn hồi của bê tông cũng được xác định tại thời điểm này, không phải trị số giả định lúc khai thác, sử dụng
Quan hệ mô đun đàn hồi
Quan hệ mô đun đàn hồi tại tuổi t ngày với mô đun đàn hồi tại 28 ngày Eci theo CEB-FIP 1990:
(1) trong đó: : hệ số phụ thuộc thời gian,
(2) s: hệ số phụ thuộc loại xi măng, khai báo theo mục 3.3 nêu trên
t: đơn vị ngày
MỘT SỐ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH KẾT CẤU BTCT NHÀ CAO TẦNG THEO TUẦN TỰ THI CÔNG
Mô hình kết cấu 1
Khảo sát kết cấu khung trục 2 của công trình 16 tầng, mặt bằng như Hình 5:
Hình 5: Mặt bằng kết cấu công trình 16 tầng
Tiến hành 2 phương pháp phân tích kết cấu chịu tác dụng tĩnh tải: Phân tích trên cả hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) và theo tuần tự thi công (PTTTTC) Tiết diện cột được chọn theo 2 cách: Chọn tiết diện sát tính toán sơ bộ nội lực
81
Số 55.2017 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ
Trang 4(Acột.tt) và chọn nhóm tiết diện cột như nhau cho dễ thi
công (Acột.tc) Kết quả thu được mô men tiết diện ở cuối
dầm tầng mái như Bảng 1:
Bảng 1: Mô men đầu dầm do tĩnh tải công trình 16 tầng
Kết quả trên cho thấy, tuy công trình có số tầng không
lớn, nhưng nếu ứng suất nén trong các cột chênh lệch
nhiều (do chọn tiết diện cột không sát nội lực) thì ảnh
hưởng của shortening đáng kể và cần thiết phải phân
tích kết cấu theo phương pháp tuần tự thi công
Mô hình kết cấu 2
Khảo sát kết cấu trục 2 của công trình 25 tầng có mặt
bằng như Hình 6:
Hình 6: Mặt bằng kết cấu công trình 25 tầng
So sánh kết quả mômen trong dầm do tĩnh tải theo
2 phương pháp phân tích: Phân tích trên cả hệ kết cấu
hoàn chỉnh (PTHC) và kết hợp 2 phương pháp (PTKH) Khi
kết hợp 2 phương pháp phân tích, phần tĩnh tải do trọng
lượng bản thân kết cấu theo tuần tự thi công, phần tĩnh
tải hoàn thiện phân tích trên hệ đã hoàn chỉnh
Cuối cùng là so sánh kết quả tổ hợp mômen trong dầm
do tĩnh tải và các hoạt tải, gió, động đất: Phân tích trên cả
hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) và kết hợp 2 phương pháp
(PTKH) So sánh trình bày trong Bảng 2:
Bảng 2: Mômen đầu dầm do tĩnh tải và tổ hợp nội lực
Kết quả cho thấy, kết cấu khung - lõi luôn có chênh lệch
chuyển vị đứng giữa cột và lõi lớn, ảnh hưởng shortening
rõ nét, thậm chí có những vùng kết quả mômen đầu dầm còn đổi cả dấu nếu phân tích kết cấu theo 2 phương pháp Tuy nhiên không nên nhìn nhận độc lập chỉ phân tích với tải trọng tĩnh, về tổng thể kết quả tổ hợp cuối cùng, nội lực của hệ kết cấu sẽ chênh lệch ít hơn khi áp dụng phương pháp phân tích theo tuần tự thi công vào thiết kế
Ảnh hưởng chênh co ngắn các cấu kiện thẳng đứng của kết cấu nhà cao tầng BTCT là đáng kể tới nội lực và biến dạng của cả hệ Việc áp dụng phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công sẽ hạn chế được các sai lệch kết quả nội lực so với phân tích cả hệ kết cấu hoàn chỉnh Các thông số phục vụ phân tích kết cấu theo tuần
tự thi công đã được chỉ rõ cho áp dụng thực tế Để giảm ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng dọc trục, cần lựa chọn tiết diện các cấu kiện phù hợp nhất với nội lực thu được từ tính toán sơ bộ.
Tài liệu tham khảo
[1] Cao Duy Khôi, Đánh giá hiệu ứng co ngắn cột qua kết quả đo đạc tại một số công trình nhà siêu cao tầng bê tông cốt thép, Hội nghị khoa học Vật liệu, Kết cấu & Công nghệ Xây dựng MSC-2012, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, trang 274-282 2012
[2] Hồ Việt Hùng, Shortening - Nguyên nhân, mâu thuẫn và phương pháp hạn chế sai sót, Ketcaushoft Group Hà Nội 2001
[3] The Concrete Society, Axial shortening of columns, Concrete Society Technical Report, New York 2008 [4] Mallick P.K., Axial deformation of column in tall structures, E-Conference on Design and Construction
of Tall Buildings, Structural Engineering Forum of India 2012
[5] Mark Fintel, S.K Ghosh, Hal Iyengar, Column Shortening in tall strucutures - Prediction and Compensation , Technical Report, New York 2012
[6] Mola F., Pellegrini L.M., Effects of column shortening in tall R.C buildings, 35th Conference on Our World in Concrete & Structures, Singapore 2010
[7] Nilson A.H., D.Darwin, C.W.Dolan, Design of concrete structures, Mc Graw Hill, New York 2010
[8] Praveen HN Moragaspitiya, Interactive axial shortening of columns and walls in high rise buildings, Doctoral papers presented in April, 2011, Queensland University of Technology 2011
[9] Vafai A Ghabdian M, Estekanchi H.E, Desai C.S (), Calculation of creep and shrinkage in tall Concrete buildings using nonlinear staged Construction analysis, Asian Journal of Civil Engineering (Building and Housing), Vol.10, No.4 2009
Lựa chọn
tiết diện cột
Acột.tt
Acột.tc
Chênh lệch (%)
7,55 33,24
Vị trí tiết diện
cuối cuối
Mômen dầm theo phương pháp phân tích (kNm)
PTHC
-217,39 -144,12
PTTTTC
-200,97 -192,03
Dầm
B1 B1
Tầng
16
16
Tải trọng
Tĩnh tải
Tổ hợp
Chênh lệch (%)
28,57 21,16
Vị trí tiết diện
cuối cuối
Mômen dầm theo phương pháp phân tích (kNm)
PTHC
-474,11 -661,46
PTKH
-338,62 -521,52
Dầm
B4 B4
Tầng
25
25
82 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ