Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông

Hồ Chí Minh, cộng với xu hướng phát triển của xây dựng hiện đại nên khi sử dụng các giải pháp kết cấu cột bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

LÊ HOÀNG PHƯƠNG

PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình

Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: GS.TS PHẠM VĂN HỘI

Phản biện 2: TS PHẠM MỸ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày

30 tháng 03 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa,

Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và siêu cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ ở Việt Nam, đặc biệt ở các khu đô thị lớn như Hà Nội và

TP Hồ Chí Minh, cộng với xu hướng phát triển của xây dựng hiện

đại nên khi sử dụng các giải pháp kết cấu cột bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu cột có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu cột liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng Mục đích của giải pháp này là tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu cột liên hợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy Bên cạnh đó, công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế

và đảm bảo tính thẩm mỹ, nhưng đồng thời phải có khả năng chịu được tải trọng ngang (tải trọng động đất) tốt hơn trong kết cấu nhà cao tầng Trên cơ sở đó, cột ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT)

sẽ là giải pháp thay thế hữu hiệu cho kết cấu cột bê tông cốt thép truyền thống vốn có tiết diện, kích thước lớn hơn Ở nước ta, từ năm

2006 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép bê tông đang được tiến hành nghiên cứu và biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu Để nghiên cứu được ứng xử của cột CFRT chịu tải trọng động đất cần phải có phương pháp phân tích, đánh giá cường độ và biến dạng của kết cấu này khi chịu tải trọng động đất Do đó, đề tài: “ Phân tích phi tuyến tĩnh (hay còn gọi là phân tích đẩy dần) kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông” sẽ là một nghiên cứu hữu ích phù hợp với tình hình

xây dựng hiện đại đang gia tăng mạnh mẽ ở nước ta hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Đánh giá ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông dưới

tác dụng của tải trọng động đất

3 Đối tượng nghiên cứu:

- Kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông

4 Phạm vi nghiên cứu:

- Ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông khi chịu tải trọng động đất bằng phân tích tĩnh phi tuyến

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 để mô hình

và phân tích ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông CFRT

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn:

Nghiên cứu trong luận văn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn 41-13 của Hoa Kỳ biên soạn và xuất bản năm 2006 và một số tài liệu tham khảo liên quan Ngoài ra luận văn còn áp dụng những kiến thức về sức bền vật liệu, cơ học kết cấu và phần mềm SAP2000 V20

ASCE-để phân tích theo ASCE-41-13

1.5 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông

1.6 Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CHO KẾT CẤU

2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến

2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến:

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CFRT QUA PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000:

3.2 Xây dựng mô hình phân tích:

3.3 Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT:

3.4 Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT

3.5 Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC)

3.6 Kết luận chương 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI

Kết cấu liên hợp thép bê tông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp với bê tông hoặc bê tông cốt thép

để chúng cùng tham gia chịu lực

Việc hình thành kết cấu này bắt nguồn từ hai nguyên nhân Nguyên nhân thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn bằng các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng, khi hàm lượng quá lớn hình thành nên kết cấu liên hợp Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bê tông để chống xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực, từ đó hình thành nên kết cấu liên hợp thép – bê tông Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết cấu này cũng đã được sử dụng tới hơn thế kỷ, và càng ngày càng thấy có nhiều điểm ưu việt cần phải khai thác

thép – bê tông trên thế giới

Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép -

bê tông dùng trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm

sẽ được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam

1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.2.1 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế giới

Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở

Mỹ cần kể đến tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) Tòa nhà cấu tạo từ các mảng tường bê tông cốt thép toàn khối ở bốn góc nhà, giữa các cột thép bọc bê tông, các sàn dùng dầm thép đỡ bản sàn bê tông đổ tại chỗ liền với ván khuôn thép

cố dịnh Nhà cao 778 feet (237 m), diện tích khoảng 2.000.000 feet vuông (185.806m2), chu kỳ dao động riêng của nhà là 6,7 giây, chi phí thép cho nhà trung bình khoảng 16 found cho 1feet vuông (khoảng 78kG/m2)

Tháp Thiên niên kỷ (Viên – Áo), tòa nhà này có 55 tầng với diện tích khoảng 1000m2 và có chiều cao hơn 202m (bao gồm cả awngten)

Trụ sở của Citibank ở Duisburg (Germany), cao 15 tầng (72m), diện tích 14.500m2 Theo chiều cao, tòa nhà được xây dựng

Bitexco Finaancial Tower được xây dựng trên diện tích 5.267m2 quy mô 68 tầng với chiều cao 262m Tòa nhà được thiết kế bằng thép và kính

Vietinbank Tower Hà Nội bao gồm 2 tòa tháp, được liên kết với nhau bằng khối đế 7 tầng Tháp thứ nhất cao 68 tầng, tháp thứ hai cao 48 tầng

JW Marriott Hà Nội đạt tiêu chuẩn 5 sao, tọa lạc trên diện tích 63.000m2 và 16.000m2 mặt nước, bao gồm 9 tầng

Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội gồm 2 tầng hầm và 21 tầng chức năng

1.3 Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông

Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo khả năng chịu lực, độ cứng dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc, kinh tế, thi công, cũng như khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn

1.3.1 Kiến trúc

Kết cấu liên hợp cho phép sự đa dạng trong kiến trúc bằng cách kết hợp các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu Ngoài ra, với tiết diện nhỏ của dầm cho phép tạo ra:

- Tiết kiệm chi phí thi công, thời gian hoàn thành công trình sớm;

- Đưa công tình vào sử dụng dần đến thu hồi vốn nhanh hơn

1.3.3 Chịu nhiệt và chống ăn mòn

Các công trình kết cấu thép cổ điển tốn rất nhiều chi phí để bảo vệ thép kết cấu dưới tác dụng nhiệt của lửa Các kết cấu hiện đại

và kết cấu liên hợp có thể chịu lửa bằng cách kết hợp với bê tông cốt thép, bê tông sẽ bảo vệ thép do bê tông có khối lượng lớn

và dẫn nhiệt kém;

Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong thép

mà còn tăng khả năng chịu lực, tăng độ ổn định của cấu kiện

1.3.4 So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác

Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn nhiều so với kết cấu không liên hợp Điều này thể hiện rõ qua

các kết quả so sánh Kết cấu liên hợp thép – bê tông có thể đạt hiệu quả kinh tế cao

1.4 Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông:

Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông Filled Steel Tube – viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính gồm các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình Hệ thống kết cấu CFST có nhiều

(Concrete-ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả năng chống cháy Nói chung, loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà, xưởng, và các công trình cầu đường

1.5 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông

+ Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền thống của công trình mà có những cấu kiện chịu nén chủ yếu, đó là các cột, trụ, thanh biên cột điện, các thanh chịu nén của giàn và vòm

+ Thứ hai: lập các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải trọng tính toán chủ yếu do ống thép nhồi bê tông chịu Theo cách thứ hai này thì cần lưu ý áp dụng mấy nguyên lí sau:

Nguyên lí tập trung vật liệu, các cấu kiện nên được làm to lên thì tổng khối lượng toàn kết cấu sẽ được giảm nhẹ nhờ khả năng chịu lực của kết cấu tăng nhanh hơn so với sự tăng khối lượng của nó Nguyên lí đơn giản hóa hình dạng kết cấu

Nguyên lí về sự kết hợp chức năng

1.6 Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông

1.6.1 Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao

Giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông cũng đã được ứng dụng khá hiệu quả trong trường hợp kết cấu công trình nằm trong vùng có động đất, do chúng có mức độ ổn định và độ tin cậy cao khi

chịu tải trọng động Điều này đã được kiểm nghiệm qua thực tế tại nhiều trận động đất lớn, như trận động đất Kobe ở Nhật Bản năm

1995 hay trận động đất Northridge ở Hoa Kì năm 1994

1.6.2 Công năng sử dụng hiệu quả

Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà càng cao và nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và moment trong dầm càng lớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000 tấn đối với công trình nhà cao hơn 30 tầng, Như vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép (không liên hợp) thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40 tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5x1,5m; tuy nhiên kích thước này sẽ được giảm xuống còn khoảng 1x1m khi sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông Như vậy, việc ứng dụng giải pháp kết cấu cột liên hợp sẽ tạo cho công trình gọn nhẹ và tăng không gian sử dụng

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN

CHO KẾT CẤU 2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến

Phân tích đẩy dần được dịch thuật từ thuật ngữ tiếng Anh (Pushover analysis), phương pháp này đã được giới hạn trong ATC-

60, Eurocode 8; FEMA–356 và ASCE-41-13 của nước ngoài Tại Việt Nam được đưa vào TCVN 9386:2012 và được giới thiệu trong sách của PGS.TS Nguyễn Lê Ninh

Đây là phương pháp phân tích gần đúng kết cấu chịu động đất, đặc điểm của phương pháp này là quá trình biến dạng phi tuyến của kết cấu xảy ra dưới sự gia tăng đều đặn của một hàm lực ngang trong khi tải trọng đứng giữ nguyên không đổi Quá trình tăng đều đặn của tải trọng ngang này được thực hiện tới khi nút kiểm tra có chuyển vị ngang bằng chuyển vị mục tiêu định trước ứng với một cấp công năng định trước của tòa nhà Chuyển vị mục tiêu được định nghĩa là chuyển vị ngang lớn nhất tại cao trình đỉnh mái nhà có thể đạt tới trong quá trình chịu tải trọng động đất

2.1.1 Nội dung phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến

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 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

2.1.2 Đặc trưng của khớp dẻo được mặc định theo ASCE-41 (Hinges properties)

Khớp dẻo mặc định cho tiết diện thép được đề xuất bởi tiêu chuẩn ASCE-41-13 được quy định lấy theo phương trình dưới để tính momen chảy dẻo và góc xoay chả dẻo cho cột và dầm thép:

My = Fy.Z

6E

y y

F ZL I

Trong đó: Fy : giới hạn chảy của thép

Z : Mô đun dẻo của tiết diện L: chiều dài của thanh

E : mô đun đàn hồi

I : mô men quán tính của cấu kiện chịu uốn Khớp dẻo mặc định được gán cho dầm theo khả năng quay của khớp, khớp dẻo mặc định gán cho cột PMM (lực dọc và mô men theo 2 phương) cũng được gán là khả năng quay của khớp mà không quan tâm tới kích thước tiết diện Trong phạm vi luận văn này khớp dẻo được lấy là PM ( lực dọc cột và mô men theo phương khung đang xét)

Khớp dẻo mặc định theo ASCE-41-13 được sử dụng để phân tích đẩy dần, bảng 9-6 cho dầm (steel beams – flexure) và cột (steel columns – flexure) của kết cấu thép, bảng 10-7 cho dầm bê tông

(concrete beams – flexure) và bảng 10-8 cho cột bê tông (Concrete columns)

2.1.3 Sử dụng kết quả của phương pháp đẩy dần:

Phân tích đẩy dần có thể đạt được những kết quả sau:

- Ước tính độ trôi từng tầng và sự phân phối độ trôi tầng dọc theo chiều cao

- Xác định lực dọc cho các phần tử dễ phá hoại giòn

- Xác định biến dạng cho các cấu kiện chịu uốn

- Chỉ ra vị trí xuất hiện khớp dẻo trên kết cấu

- Xác định được ảnh hưởng của sự chảy dẻo các cấu kiện thành phần đến sự phân bố lại nội lực của kết cấu

- Xác định sự phân phối lực cắt đáy phù hợp và đầy đủ lên công trình

2.1.4 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp đẩy dần:

Mặc dù phương pháp đẩy dần có ưu thế hơn các phương pháp phân tích đàn hồi, nhưng các giả thuyết, tính chính xác của các kết quả và các hạn chế của phương pháp cần phải được kiểm tra với kết quả “chính xác” (phương pháp RHA) Chuyển vị mục tiêu, lựa chọn cách phân phối lực cắt đáy, phá hoại công trình ở các dạng dao động bậc cao, đặc trưng khớp dẻo của cấu kiện là những vấn đề quan trọng ảnh hưởng tới tính chính xác của kết quả phân tích

2.1.5 Phương pháp nghiên cứu:

Trong luận văn này công trình dùng để thực hiện là công trình

có 6 tầng nối, không có tầng hầm, sử dụng cột liên hợp CFRT và dầm thép hình chữ I, được xây dựng giả định tại California, Hoa Kì Qua quá trình tính toán nội lực, kiểm tra tự động được thực hiện bằng phần mềm ETABS để xác định được tiết diện, kích thước của