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

PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG Học viên: Lê Hoàng Phương Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khoá 3

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng - Năm 2019

Tôi xin xam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài: “Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông” là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Hoàng Phương

PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT

NHỒI BÊ TÔNG

Học viên: Lê Hoàng Phương

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08, Khoá 33, Trường Đại Học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (CFT) có nhiều ưu điểm so với các kết cấu truyền thống bằng vật liệu thép hay bê tông cốt thép về các mặt cường

độ, độ cứng, khả năng chống cháy và thuận tiện cho việc thi công nên được sử dụng ngày càng nhiều trên thế giới Luận văn đã phân tích đánh giá ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông dưới tác dụng của động đất thông qua phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến sử dụng phần mềm SAP2000 Ứng xử của một kết cấu khung 6 tầng bằng cột ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật được phân tích và so sánh với kết cấu cột ống thép nhồi bê tông tiết diện tròn và các kết cấu bê tông cốt thép để rút ra các nhận xét

Từ khoá – phân tích đẩy dần; khớp dẻo; tĩnh phi tuyến; cột liên hợp thép bê

Key words – pushover analysis; hinges; nonlinear static; composite

concrete-steel column

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu: 1

4 Phạm vi nghiên cứu: 1

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn: 2

7 Bố cục đề tài: 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG (CFRT) 3

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông 3

1.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới 4

1.1.2 Quy trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông ở Việt Nam 5 1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 6

1.2.1 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế giới: 6

1.2.2 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ở Việt Nam 8

1.3 Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông 11

1.3.1 Kiến trúc 11

1.3.2 Kinh tế 12

1.3.3 Chịu nhiệt và chống ăn mòn 12

1.3.4 So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác 12

1.4 Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông 14

1.5 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông 16

1.6.2 Công năng sử dụng hiệu quả 18

1.6.3 Hiệu quả kinh tế 19

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CHO KẾT CẤU 20

2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến 20

2.1.1 Nội dung phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến 20

2.1.2 Đặc trưng của khớp dẻo được mặc định theo ASCE 41-13 (Hinges properties) 22

2.1.3 Sử dụng kết quả của phương pháp đẩy dần: 23

2.1.4 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp đẩy dần: 23

2.1.5 Phương pháp nghiên cứu: 24

2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến: 24

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CFRT QUA PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 26

3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000: 26

3.2 Xây dựng mô hình phân tích: 29

3.3 Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT: 29

3.4 Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT 43

3.5 Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC) 48

3.6 Kết luận chương 3 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

Bảng 1.1 So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả năng

chịu lực như nhau 13

Bảng 1.2 So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau 14

Bảng 3.1 Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung CFRT 6 tầng 43

Bảng 3.2 Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung CFT 6 tầng 48

Bảng 3.3 Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng 53

Bảng 3.4 Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng 55

Bảng 3.5 Kích thước các loại cột của các hệ kết cấu 55

Hình 1.1 Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) 6

Hình 1.2 Toà nhà Burj Khalifa (Dubai) 7

Hình 1.3 Willis Tower (Hoa Kì) 8

Hình 1.4 Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM 9

Hình 1.5 Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh 9

Hình 1.6 Vietinbank Tower, Hanoi 10

Hình 1.7 Khách sạn JW Marriott, Hà Nội 10

Hình 1.8 Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ 11

Hình 1.9 Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bê tông 15

Hình 2.1 Đường cong đẩy dần tổng thể của kết cấu 21

Hình 2.2 Đường cong quan hệ lực – biến dạng đối với khớp dẻo 21

Hình 3.1a Hộp thoai “Load case data – Nonlinear Static” và các tham số SAP2000 27 Hình 3.1b Hộp thoại “Load Application Control for Nonlinear Static Analysis” và các tham số SAP2000 27

Hình 3.2 Hộp thoai “Result Saved for Nonlinear Static Load Cases” và các tham số SAP2000 28

Hình 3.3 Tổng quát mối quan hệ lực – chuyển vị của khớp dẻo trong SAP2000 28

Hình 3.4 Mặt bằng 30

Hình 3.5 Khai báo tải trọng gió theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 31

Hình 3.6 Khai báo tải trọng gió đẩy theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 32

Hình 3.7 Khai báo tải trọng gió hút theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 32

Hình 3.8 Khai báo tải trọng động đất 33

Hình 3.9 Mặt cắt điển hình cột CFRT 34

Hình 3.10 Mặt cắt điển dầm thép 36

Hình 3.11 Khai báo tiết diện cấu kiện cột liên hợp CFRT (Màu xanh đậm thể hiện lớp vỏ thép, mài xám bên trong thể hiện lõi bê tông) 37

Hình 3.12 Khai báo tiết diện dầm thép chữ I 38

Hình 3.13 Mô hình khung 6 tầng sử dụng cột CFRT bằng ETABS 38

Hình 3.14 Kiểm tra tự động mô hình khung 6 tầng sử dụng cột CFRT bằng ETABS 39

Hình 3.15 Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 41

Hình 3.16 Khớp dẻo cho cột liên hợp CFRT 400x400x20 41

Hình 3.17 Đường cong đẩy dần của khung sử dụng cột CFRT 42

Hình 3.20 Khai báo tiết diện cấu kiện dầm thép chữ I 45

Hình 3.21 Mô hình khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT bằng SAP2000 45

Hình 3.22 Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 46

Hình 3.23 Khớp dẻo cho cột liên hợp CFT 450x22 47

Hình 3.24 Sự phân bố khớp dẻo 47

Hình 3.25 Đường cong đẩy dần của khung CFT 6 tầng 48

Hình 3.26 Mô hình khung RC 6 tầng bằng SAP2000 50

Hình 3.27 Khai báo khớp dẻo cho cột RC 650x650 51

Hình 3.28 Khai báo khớp dẻo cho dầm bê tông cốt thép 51

Hình 3.29 Sự phân bố khớp dẻo 52

Hình 3.30 Đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng (Tương đương khả năng chịu lực với khung sử dụng cột CFRT) 52

Hình 3.31 Sự phân bố khớp dẻo (bước 14) 54

Hình 3.32 Đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng 54

Hình 3.33 Biểu đồ đường cong đẩy dần 56

Hình 3.34 Chuyển vị các tầng của các hệ kết cấu 57

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 mĩ 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 mĩ, 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 kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông” sẽ là một nghiên cứu hữu

ích

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 ASCE 41-13 của Hoa Kỳ biên soạn và xuất bản năm 2013 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 để mô phỏng kết cấu

7 Bố cục đề tài:

Chương 1: Tổng quan về kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT)

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông

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

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

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

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 BÊ

TÔNG (CFRT)

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông

Lịch sử phát triển của kết cấu hỗn hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Thực chất kết cấu này

là một cá biệt của kết cấu BTCT Do tính chất cấu tạo của thép trong kết cấu liên hợp khác với trong kết cấu BTCT thông thường, tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như BTCT thường và do đó việc thiết kế kết cấu loại này cũng mang tính chất hoàn toàn khác

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 Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng bao gồm:

+ Bê tông được nhồi trong kết cấu thép ( Concrete Filled Tube – CFT):

+ Bê tông bọc ngoài kết cấu thép ( Concrete Encased Sections – CES):

+ Thép kết cấu liên kết với bê tông:

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

1.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp 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 Tại Mỹ, năm 1894, cầu Melan Arch được thiết kế bởi một kỹ sư người Áo J Melan được đánh dấu là ứng dụng liên hợp đầu tiên Cầu vòm bê tông, cốt thép và thép kết cấu vượt nhịp 30feet (~9m) qua một dòng suối ở một thành phố nhỏ Rock Rapids ở Northvvest Iowa

Hình 1: Cầu Melan Arch

Ở Châu Âu, những năm 1900, ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp thép –

bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép ( theo giáo sư P.R Knowles)

Năm 1944 ở Mỹ, tiêu chuẩn Quốc gia đầu tiên về kết cấu hỗn hợp thép –

bê tông AASHTO (The American Association of State Highway Transportation) mới được ban hành

Sau tiêu chuẩn Mỹ (AASHTO) và của Đức (DIN 1078), Ủy ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) đã thống nhất ban hành một số tiêu chuẩn cho mọi quốc gia trong công cộng về lĩnh vực xây dựng Bộ tiêu chuẩn European Codes gồm 9 tập Trong đó bộ tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp thép - bê tông (Eurocodes 4) đã được đưa vào sử dụng năm 1997 Trong đó phần ENV 1994-4-1 là Tiêu chuẩn thiết

kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng, đầy đủ các phần từ vật liệu đến thiết kế sàn, dầm, cột… bằng kết cấu liên hợp thép – bê tông

Ở Nhật Bản, từ năm 1910, kết cấu hỗn hợp thép – bê tông đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi trong việc xây dựng nhà cao tầng (theo báo cáo của Giáo sư Minoru Wakabayashi trường đại học tổng hợp Kyoto)

1.1.2 Quy trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông ở Việt Nam

Năm 2006, “ Giáo trình Kết cấu liên hợp thép – bê tông” của PGS.TS Phạm Văn Hội đã viết theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Design of Composite Steel and Concrete Structures) và các tài liệu ứng dụng tiêu chuẩn trên để

thiết kế các cấu kiện liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam Với yêu cầu phát triển xây dựng hiện nay, loại kết cấu này chắc chắn 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 Hoa Kỳ cần kể đến toà nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) Toà 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 định 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)

Hình 1.1 Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA)

Hình 1.2 Toà nhà Burj Khalifa (Dubai) Toà nhà Burj Khalifa, trước kia tên là Burj Dubai trước khi khánh

thành, là một nhà chọc trời siêu cao ở "Trung tâm Mới" của Dubai, Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất Với tổng chiều cao 829,8 m trong đó chiều cao đến mái (không bao gồm ăng-ten) là 828 m, nó đã là công trình nhân tạo cao nhất thế giới từng được xây dựng từ cuối năm 2008 Kết cấu bê tông cốt thép của toà nhà từ phần móng đến tầng thứ tư, các tầng tiếp theo đến tầng 156 sử dụng cột liên hợp thép phủ hoặc phủ bê tông

Hình 1.3 Willis Tower (Hoa Kì)

Bên cạnh Empire State, tại Mỹ còn có một công trình tòa tháp cao tầng

vô cùng ấn tượng có tên Willis Tower (hay Sears Tower) Công trình này được hoàn thiện vào năm 1973 có tất cả 110 tầng với độ cao đạt 442m Thành phần chính của toà nhà này là kết cấu thép, do đó đây là một trong các toà nhà thép chọc trời và rất ấn tượng Nhờ kết cấu thép mà Willis Tower được xây dựng hoàn thành chỉ trong vỏn vẹn 3 năm, dù nó lên đến 110 tầng Hiện nay Willis Tower được xem như một biểu tượng tại Mỹ

1.2.2 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép

bê tông ở Việt Nam

Diamond Plaza ở TP HCM (21 tầng), sử dụng kết cấu khung thép bọc vật liệu chống cháy là sỉ lò cao, công trình của công ty xuất nhập khẩu Hồng Hà ở Hà Nội sử dụng kết cấu sàn liên hợp

Hình 1.4 Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM

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

Hình 1.5 Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh

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

Hình 1.6 Vietinbank Tower, Hanoi

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

Hình 1.7 Khách sạn JW Marriott, Hà Nội

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

và 21 tầng chức năng

Hình 1.8 Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ 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:

1.3.2 Kinh tế

Tiết kiệm được nhiều chi phí do sử dụng cấu kiện có tiết diện nhỏ hơn (độ cứng lớn có khả năng vượt nhịp lớn, giảm độ võng, giảm chiều cao tiết diện) và lắp đặt nhanh trong thi công

Lợi ích tỷ số nhịp và chiều cao được thể hiện:

- Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao toàn bộ công trình và tiết kiệm được diện tích bao che;

- Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao dẫn đến tạo ra những không gian rộng lớn, giảm số lượng cột trong mặt bằng;

- Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao Kết cấu liên hợp được lắp đặt dễ dàng và nhanh hơn nên:

- 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

Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường Điều này càng có ý nghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ

ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn

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 kết quả so sánh thể hiện ở bảng 1.1 và bảng 1.2 Bảng tổng hợp này được tham khảo

từ giáo trình thuộc chương trình châu Âu về chuyển giao kỹ thuật ở Việt

Nam Kết cấu liên hợp thép – bê tông có thể đạt hiệu quả kinh tế cao So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn Để có thể so sánh định lượng, tác giả P R Knowles đã lập bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà 5 tầng một nhịp thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và dẻo cho hai loại khung: Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép – bê tông (Bảng 1.3)

Bảng 1.1: So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp

khi khả năng chịu lực như nhau [1]

Bảng 1.2: So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê

tông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau [1]

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 (Concrete-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 Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng được áp dụng

Hệ thống kết cấu CFST có nhiều 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

Hình 1.9 Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bê tông

Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một kết cấu liên hợp bao gồm ống thép

vỏ và bê tông lõi cùng làm việc chung Kết cấu loại này có nhiều ưu thế:

Độ bền của lõi bê tông (có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thông thường Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng đúng ra là có sự co ngót nhưng cũng đã

có sự trương nở của bê tông trong ống và sự trương nở đó được duy trì trong nhiều năm tạo thuận lợi cho sự làm việc của bê tông Không có sự trao đổi độ

ẩm giữa bê tông và môi trường bên ngoài là nguyên nhân gây ra sự trương nở Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc của mẫu

bị cách li là rất nhỏ, vào khoảng ɛ = (2 – 3).10-5 Đó là ưu điểm của kết cấu ống thép được nhồi bê tông so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường Ngoài kết cấu ống thép mặt cắt đặc còn có loại ống thép tròn nhồi bê tông mặt cắt rỗng với 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp giữa là lớp lõi bê tông Cách sắp xếp đan xen các lớp vật liệu thép và bê tông như vậy

sẽ tạo ra cơ cấu chịu lực chung giữa lõi bê tông và vỏ thép nhờ hiệu ứng nở hông của bê tông khi chịu nén Sự cách li của bê tông với môi trường xung quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng

Nhiều thí nghiệm so sánh 2 loại kết cấu này đã cho thấy rằng tải trọng càng tác dụng dài hạn thì càng gây ra sự phá hoại trong bê tông không bị cách

li lớn hơn nhiều so với bê tông bị cách li Trong bê tông không bị cách li thì

các vết nứt nhỏ ngày càng nhiều, còn trong bê tông không bị cách li thì chỉ sau 2 đến 3 ngày đầu sẽ hoàn toàn không bị nứt thêm nữa Trong các mẫu bê tông không bị cách li thì tính phi tuyến biến dạng từ biến có thể quan sát được trong vòng 20 đến 30 ngày, trong bê tông bị cách li thì tính phi tuyến này sẽ mất đi trong vòng 2 đến 7 ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất như nhau)

Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của thép, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành thép ống và làm tăng khả năng chống móp, méo (biến dạng) của vỏ ống thép khi va đập

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

Khác với ống thép thường, ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu nén Khi chịu kéo khả năng chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều Về mặt này ống thép nhồi bê tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép Do đó trong một hệ thống kết cấu chịu lực nên dùng ống thép nhồi bê tông chỉ cho các cấu kiện chịu nén Về nguyên tắc không nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo Tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo vì các lí do đặc biệt như: để chống gỉ cho bề mặt trong ống, để tăng độ cứng chống uốn hay tăng trọng lượng bản thân

Trong thực tế thường có 2 cách lập sơ đồ chịu lực:

+ 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

Diện tích bề mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng một nửa so với kết cấu thép cán có cùng khả nặng chịu lực, do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng cũng ít hơn Trên bề mặt của ống hình trụ sẽ đọng lại rất ít bụi và chất bẩn vì vậy kết cấu ống thép nhồi bê tông có độ bền chống gỉ cao

Bề mặt trong không cần phủ sơn, mạ kim loại hoặc bịt kín

Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cố thép hoặc kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh

tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập

Do không có cột chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ nước/xi măng có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn

Nói chung đặc điểm cơ bản của loại kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được tổng kết như sau:

- Mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu

- Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường

- Ảnh hưởng của sự cố cháy nổ có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép

1.6 Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông

1.6.1 Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao

Kết cấu cột liên hợp thép bê tông đã tận dụng được các ưu điểm về đặc trưng cơ lý của cả hai vật liệu thép và bê tông Vật liệu thép có cường độ chịu kéo và chịu nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ

an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao Trong khi đó vật liệu bê tông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại

có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thuần túy thì việc sử dụng

giải pháp kết cấu cột liên hợp thép bê tông sẽ đảm bảo khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả 2 thành phần kết cấu thép hình và lõi bê tông cùng kết hợp tham gia chịu lực Hơn nữa, nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần túy thì việc sử dụng kết cấu cột liên hợp thép bê tông ngoài việc làm tăng khả năng chịu lực con tăng độ cứng ngang, tăng khả năng ổn định và nâng cao tính chịu lửa

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, vì thực tế cấp độ bền của bê tông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính toán khoảng 155 đến 215 daN/cm2 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

Mặc dù ở một số nước trên thế giới như Nhật Bản, Úc đã sản xuất được bê tông mác siêu cao với cường độ có thể vượt trên 1000daN/cm2

Tuy nhiên để sản xuất bê tông đạt được cường độ cao như vậy và đảm bảo được mức độ tin cậy thì quy trình sản xuất và kiểm tra chất lượng yêu cầu phải được thực hiện rất nghiêm ngặt về thời gian và công nghệ sản xuất

1.6.3 Hiệu quả kinh tế

So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần túy thì việc sử dụng

giải pháp kết cấu cột liên hợp thép bê tông sẽ có hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng thép khoảng 10-15% Nếu so với trường hợp sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thì giải pháp sử dụng kết cấu cột liên hợp giảm được trong lượng của công trình khoảng 10-20%, dẫn đến giảm nhẹ được kết cấu móng Do vậy mặc dù lượng thép sử dụng trong kết cấu liên hợp là nhiều hơn một chút nhưng tổng chi phí xây dựng công trình có thể vẫn giảm, đồng thời tăng nhanh được thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng và quay vòng vốn

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 thiệu trong Eurocode 8 [8]; FEMA

356 [3] và ASCE 41-13 [2] của nước ngoài Tại Việt Nam được đưa vào TCVN 9386:2012 [9] và được giới thiệu trong sách của PGS.TS Nguyễn Lê Ninh [10]

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 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 trình 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 2.1 Đường cong đẩy dần tổng thể của kết cấu

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

Hình 2.2 Đường cong quan hệ lực – biến dạng đối với khớp dẻo

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 đề tài 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 ngăn ngừa 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

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]

2.1.3 Sử dụng kết quả của phương pháp đẩy dần:

Phân tích đẩy dần là phương pháp ngày càng quen thuộc để đánh giá ứng

xử của kết cấu khi xảy ra động đất, phân tích dựa vào đặc tính biến dạng phi đàn hồi của kết cấu và tính toán tương đối đơn giản Quy trình phân tích đẩy dần cho phép kiểm soát được trình tự chảy dẻo cũng như sụp đổ của từng cấu kiện và của toàn kết cấu, kết quả là vẽ được đường cong khả năng của kết cấu tổng thể

Phân tích đẩy dần được kì vọng dùng để ước tính các tham số phản ứng quan trọng của kết cấu (độ cứng, độ dẻo, độ trôi tầng, khớp dẻo) Phân tích đẩy dần cung cấp những thông tin về từng cấu kiện của kết cấu, mà không thể

có được từ phân tích tĩnh đàn hồi tuyến tính hoặc động đàn hồi tuyến tính 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 Phân tích đẩy dần cũng chỉ ra những điểm yếu thiết kế có thể vẫn còn tiềm ẩn trong phân tích đàn hồi Đây là biến dạng quá mức, sức chịu tải bất thường và sự quá tải trên các cấu kiện có khả năng dễ bị sụp đổ

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 từng loại cấu kiện Từ đó sử dụng chức năng phân tích đẩy dần lên mô hình công trình bằng phần mềm SAP2000 Các thuộc tính về khớp dẻo của kết cấu được sử dụng mặc định trong phần mềm Sau khi phân tích đẩy dần thu được đường cong quan hệ lực – chuyển vị của công trình sử dụng hệ cột liên hợp CFRT Các loại công trình như: khung

6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT và dầm thép chữ I tương đương về khả năng chịu lực và độ cứng, khung 6 tầng dùng cột và dầm bê tông cốt thép (tương đương khả năng chịu lực), khung 6 tầng dùng cột và dầm bê tông cốt thép (tương đương độ cứng), khung 6 tầng dùng cột và dầm bê tông cốt thép (tương đương kích thước tiết diện) cũng được thiết kế và phân tích đầy dần bằng phần mềm SAP2000 để thu về các giá trị trên đường cong lực - chuyển

vị tương tự như quá trình thực hiện đối với khung CFRT

Từ các kết quả đường cong đẩy dần đó đem so sánh với nhau để biết được mức độ về khả năng chịu lực của từng loại khung cũng như ưu điểm vượt trội của cấu kiện liên hợp CFRT so với các loại cấu kiện khác dưới tác dụng của tải trọng ngang

2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến:

Vấn đề phân tích động lực học phi tuyến (gọi tắt là động phi tuyến) kết cấu công trình chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

(nonlinear time-history analyses) được quan tâm gần đây vì những ưu điểm

của nó như: Khắc phục được những nhược điểm của phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính khi thiết kế những công trình có kết cấu đặc biệt, phức tạp (phương pháp này yêu cầu kết cấu phải thỏa mãn nhiều yêu cầu mang tính định lượng theo các điều khoản trong tiêu chuẩn áp dụng), phân tích chính

xác hơn ứng xử của kết cấu có thể giúp giảm bớt kích thước tiết diện, làm giảm chi phí đầu tư mà vẫn đảm bảo an toàn khi sử dụng

So sánh với phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động, phương pháp phân tích động tuyến tính cho phép xét đến khả năng tiêu tán năng lượng một cách chính xác và đầy đủ hơn là chỉ thông qua một số hệ số ứng xử q, đặc biệt với những hệ kết cấu nhà cao tầng hoặc các hệ kết cấu phức tạp mà tiêu chuẩn chưa đề cập hết Hơn nữa, phân tích động phi tuyến

có thể cho biết chính xác vị trí và thời điểm hình thành khớp dẻo trong kết cấu, trong khi phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động không cho biết được điều này Một ưu điểm nữa của việc phân tích động, đó là có thể dùng nó để hoàn thiện các phương pháp phân tích khác, ví dụ như xây dựng các phổ phản ứng thiết kế hoặc điều chỉnh giá trị hệ số ứng xử q

Tiêu chuẩn xây dựng thiết kế chống động đất của Việt Nam cũng khuyến khích sử dụng phương pháp động phi tuyến trong phân tích kết cấu công trình Tuy vậy trong thực hành, việc thực hiện phân tích động phi tuyến hoặc

kể cả đơn giản hơn là phương pháp đẩy dần còn khó khăn và không phải lúc nào cũng thực hiện được, xét theo cả khía cạnh kỹ thuật lẫn kinh tế, do yêu cầu lớn về nguồn nhân lực trình độ cao, năng lực máy tính và thời gian phân tích

Một trong những cách để áp dụng các phương pháp phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời gian là sử dụng các phần mềm máy tính được lập trình sẵn SAP2000 là một phần mềm phân tích kết cấu được sử dụng tương đối rộng rãi ở Việt Nam SAP2000 có thể tính toán với cả dạng phi tuyến vật liệu

và phi tuyến hình học (có xét đến hiệu ứng P- ) SAP2000 phiên bản advance

và ultimate cho phép phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời gian với một

số phương pháp được tích hợp sẵn, gồm có: Newmark, Wilson, Collcocation, Hilber – Hughes – Taylor, Chung & Hulbert Việc thực hiện tuần tự các bước

để áp dụng các phương pháp này về cơ bản không phải quá phức tạp, có thể tham khảo những tài liệu chỉ dẫn việc phân tích này trong phần Trợ giúp (Help) của chương trình, hoặc tham khảo các video chỉ dẫn tính toán trên trang web chính thức của hãng CSI Tuy nhiên, người tính toán có thể gặp khó khăn trong việc lựa chọn phương pháp và các tham số tính toán

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:

Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần là một tính năng rất mạnh được cung cấp trong phần mềm SAP2000, phân tích đẩy dần có thể được thực hiện trên

cả hai hoặc ba phương của mô hình tính Phân tích tĩnh phi tuyến trong SAP2000 có thể gồm nhiều trường hợp đẩy dần và mỗi trường hợp có nhiều phân phối lực khác nhau lên kết cấu Một phân tích đẩy dần có thể được bắt đầu từ điểm kết thúc của phân tích đẩy dần trước đó SAP2000 cho phép khớp dẻo xuất hiện trong phân tích đẩy dần

SAP2000 có thể thực hiện phân tích đẩy dần với quy trình kiểm soát lực hoặc kiểm soát chuyển vị Chức năng “full load” là sử dụng quy trình kiểm soát lực, khi chọn tính năng này, toàn bộ giá trị lực được gán bằng tổng tất cả các lực trong bảng “Load parterm” Chức năng “Displacement Control” sử dụng quy trình kiểm soát chuyển vị, ở đây có hai lựa chọn “Use Conjugate Displacement” và “Use Monitored Displacement” là chuyển vị đẩy vào nút kiểm soát đạt tới chuyển vị mục tiêu trong quá trình lực tăng

Phân tích đẩy dần trong SAP2000, các thông số trong hộp thoại “Result Saved”, “Loads Application” và “Nonlinear parameters” kiểm soát việc phân tích đẩy dần “Minimum Number of Saved States” và “Maximum Number of Saved States” kiểm soát số điểm được lưu trong phân tích đẩy dần, mỗi bước lưu sẽ thay đổi đáng kể đến kết quả trong đường cong đẩy dần “Multiple States” gán kết quả cho mỗi bước lực Tham số “Geometric Nonlinearity Parameters” để tính toán kể đến hiệu ứng bậc hai P-delta hoặc hiệu ứng P-delta chỉ cộng thêm vào khi chuyển vị lớn (P-delta plus Large Displacement)

Hình 3.1a: Hộp thoai “Load case data – Nonlinear Static” và các tham

số SAP2000

Hình 3.1b Hộp thoại “Load Application Control for Nonlinear Static

Analysis” và các tham số SAP2000

Hình 3.2 Hộp thoai “Result Saved for Nonlinear Static Load Cases” và

Ứng xử phi tuyến của phần tử trong mỗi khung được giới thiệu bằng một khớp dẻo danh nghĩa trong SAP2000, sự giảm khả năng xảy ra với một khớp dẻo khi khớp dẻo đạt đến độ dốc âm của đường cong lực – chuyển vị của nó trong quá trình phân tích đẩy dần

Hình 3.3 Tổng quát mối quan hệ lực – chuyển vị của khớp dẻo trong

SAP2000

(giống mối quan hệ mô men – độ cong)

IO (Immediate Occupancy): làm việc bình thường

LS (Life Safety): Kiểm soát hư hỏng

CP (Collapse Prevention): Ngăn ngừa sụp đổ

Phần tử kết cấu trong SAP2000

Trong SAP2000, khung được mô hình lại đoạn thẳng có tính chất đàn hồi tuyến tính, đặc điểm phi tuyến quan hệ lực – chuyển vị của phần tử khung được mô hình hóa bởi khớp dẻo giới thiệu bởi nhóm các đoạn thẳng Đặc điểm tổng quát của mối quan hệ lực – chuyển vị của khớp dẻo được mô tả trong hình 3.4

Điểm A tương ứng với trạng thái dỡ tải, điểm B đại diện cho sự bắt đầu chảy dẻo của phần tử Tung độ của điểm C ứng với độ bền danh nghĩa và hoành độ của C ứng với biến dạng tại điểm mà độ bền bị giảm bắt đầu Khoảng cách từ C đến D đại diện cho hư hỏng ban đầu của phần tử, sức bền với tải ngang bên kia điểm C là không đáng tin cậy Sức bền dư ra từ D tới E theo phần tử khung để kéo dài tải trọng lực Phía sau điểm E – biến dạng lớn nhất của khả năng – tải trọng lực không thể kéo dài

Tải trọng bản thân, tĩnh tải và các loại hoạt tải trong kết cấu được lấy theo TCVN 2737:1995

3.2 Xây dựng mô hình phân tích:

Trong phần này sẽ tiến hành mô hình 3 cấu trúc khung 6 tầng: Khung sử dụng cột thép hình chữ nhật nhồi bê tông (CFRT) và dầm thép hình chữ I; khung sử dụng cột thép hình trụ nhồi bê tông (CFT) và dầm thép hình chữ I; cấu trúc còn lại là khung sử dụng cột và dầm bê tông cốt thép thông thường (RC) Chương trình SAP2000 được sử dụng cho việc phân tích tĩnh phi tuyến của các cấu trúc trên Sàn nhà dày 100mm Kết quả của các quá trình phân tích sẽ được so sánh với nhau để đánh giá sự chênh lệch và xác định chính xác các phản ứng địa chấn của kết cấu khi chịu động đất

3.3 Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT:

Khung CFRT 6 tầng, chiều cao mỗi tầng h=3,5m có mặt bằng bố trí như sau:

Hình 3.4 Mặt bằng Xác định tải trọng:

Tĩnh tải sàn

Tĩnh tải tác dụng lên sàn là tải trọng phân bố đều do trọng lượng bản thân các lớp cấu tạo sàn truyền vào Căn cứ vào các lớp cấu tạo sàn ở mỗi ô sàn cụ thể, tra bảng tải trọng tính toán (TCVN 2737 - 1995)