ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN Học viên: TỐNG ĐỨC SƠN Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TỐNG ĐỨC SƠN

ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN

SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TỐNG ĐỨC SƠN

ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN

SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây 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

Tống Đức Sơn

ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG KHI KỂ ĐẾN

SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CÁC CẤU KIỆN

Học viên: TỐNG ĐỨC SƠN Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng

Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Các công trình cao tầng thường phải chịu các tác động của tải trọng ngang lớn,

hệ quả là nó phải thường xuyên làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi của bê tông Các vết nứt trong bê tông xuất hiện dẫn đến sự suy giảm độ cứng kết cấu và do đó ảnh hưởng đến ứng xử của toàn công trình Bài báo này trích dẫn các hệ số suy giảm độ cứng kết cấu được nêu trong các tiêu chuẩn, các nghiên cứu và các chỉ dẫn thiết kế của các nước trên thế giới Áp dụng các kết quả này vào mô phỏng ứng xử của công trình cao tầng bê tông cốt thép để đưa ra các kiến nghị khi thiết kế kết cấu làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi Nghiên cứu cho thấy, khi kể đến sự suy giảm độ cứng do vết nứt trong bê tông gây nên, các đặc trưng dao động của kết cấu không thay đổi nhiều, và do đó tải trọng tác động lên công trình (động đất, gió động) không bị ảnh hưởng nhiều Tuy nhiên, do độ cứng suy giảm chuyển vị ngang công trình tăng lên nhiều và nội lực trong các cấu kiện chịu lực cơ bản của công trình bị ảnh hưởng đáng kể Chênh lệch giữa ứng xử công trình khi không kể và kể đến sự suy giảm độ cứng là khác nhau khá nhiều khi xét các tiêu chuẩn khác nhau

Từ khóa - suy giảm độ cứng, chuyển vị ngang, dao động, nội lực khung-vách, phần

tử hữu hạn

EFFECT OF THE SOIL STRUCTURE INTERACTION ON THE RESPONSE

OF THE CONCRETE DEEP BASEMENT HIGH RISE BUILDINGS UNDER

EARTHQUAKE

Abstract - The high rise buildings are often subjected to strong lateral loads, consequently

they often work outside the elastic phase of the concrete Effect of the cracking concrete is the stiffness reduction of the structure This paper present indications of stiffness reduction in different codes, standards, and recommendations in the world Applying theses results into the simulation the response of the high rise buildings to making recommendation on the structural design Studies show that, take into account the stiffness redcution dont make significant changes in the modal response of the structure, so that no important changes in the latteral load as well as earthquakes and wind loads However, the horizontal displacement and the internal stresses of the structure take

a significant changes These variations are different depending on the codes using in the simulation

Key words - stiffness reduction, horizontal displacement, modal response, internal

stresses, finite element method

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Tình hình nghiên cứu về sự suy giảm độ cứng kết cấu 2

3 Mục tiêu của đề tài 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Nội dung thực hiện 3

6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘ CỨNG CÔNG TRÌNH 4

1.1 Nhà cao tầng và xu hướng phát triển 4

1.1.1 Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam 4

1.1.2 Hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng 6

1.1.3 Xu hướng phát triển của nhà cao tầng 8

1.2 Độ cứng công trình bê tông cốt thép 10

1.2.1 Khái niệm độ cứng kết cấu 10

1.2.2 Ảnh hưởng của độ cứng đến các đặc trưng dao dộng công trình 11

1.2.3 Ảnh hưởng của độ cứng đến chuyển vị ngang của công trình 14

1.3 Kết luận chương 16

CHƯƠNG 2 SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU 17

2.1 Các nguyên nhân gây suy giảm độ cứng 17

2.1.1 Suy giảm độ cứng do tải trọng lặp 17

2.1.2 Suy giảm độ cứng do ứng xử phi tuyến của kết cấu 19

2.1.3 Kể đến sự suy giảm độ cứng do quan niệm thiết kế 23

2.2 Sự suy giảm độ cứng theo các quan niệm thiết kế 24

2.2.1 Suy giảm độ cứng theo Brandson DE - 1963 24

2.2.2 Suy giảm độ cứng theo ACI 318-14 25

2.2.3 Suy giảm độ cứng theo CSA A23.3-04 26

2.2.4 Suy giảm độ cứng theo Paulay 1992 & Priestley 1997 26

2.2.5 Suy giảm độ cứng theo NZS 3101 26

2.2.6 Suy giảm độ cứng theo Elwood & Eberhard 2006 27

2.2.7 Suy giảm độ cứng theo TCVN 27

2.3 Kết luận chương 28

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 29

3.1 Mô hình phân tích 29

3.2 Hệ số suy giảm độ cứng theo các trường hợp 35

3.2.1 Hệ số suy giảm độ cứng theo TCVN 9386-2012 35

3.2.2 Hệ số suy giảm độ cứng theo Brandson 35

3.2.3 Hệ số suy giảm độ cứng theo ACI 318-14 36

3.2.4 Hệ số suy giảm độ cứng theo CSA 23.3-04 37

3.2.5 Hệ số suy giảm độ cứng theo Paulay&Priestley 40

3.2.6 Hệ số suy giảm độ cứng theo Elwood&Eberhard 42

3.3 Phân tích ứng xử công trình theo các tiêu chuẩn 43

3.3.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng đến đặc trưng dao động 43

3.3.2 Ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng đến chuyển vị ngang công trình 43

3.3.3 Ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng đến nội lực kết cấu 45

3.4 Kết luận 50

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 54 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng Cùng với tầm quan trọng của loại công trình này, các phương pháp tính toán tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục được thay đổi để phù hợp hơn với tính chất của công trình Hai loại tải trọng được đặc biệt quan tâm cho công trình này là gió và động đất

Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng Tòa nhà Bitexco – TP HCM

Int.Commerce Centre – Hong Kong World Financial Center – Shanghai

Hình 1: Nhà nhiều tầng

Trong suốt thời gian kể từ khi các nhà cao tầng được đưa vào tính toán và thiết kế, đã có nhiều sự thay đổi trong quan niệm tính toán và bố trí kết cấu cho loại công trình này Nếu như trước đây, công trình cao tầng phải được xem là vật cứng tuyệt đối, không chịu hư hỏng khi có động đất để đảm bảo sinh mạng con người và tải sản thông qua việc bảo vệ công trình Thì ngày nay, mục tiêu thiết kế được thay đổi, công trình có thể bị hư hại, nhưng không được sụp đổ để đảm bảo an toàn cho

tính mạng và tài sản của con người Đây là bước chuyển biến quan trọng, bởi lúc này công trình được cho phép có hư hại, và như vậy cho phép công trình có thể bị suy giảm độ cứng, dao động của công trình cũng từ đó mà thay đổi Sự hư hại của công trình được kể đến thông qua việc cho phép xuất hiện các vết nứt khi phân tích kết cấu, và do đó độ cứng kết cấu sẽ bị suy giảm đáng kể Chuyển vị ngang công trình sẽ tăng lên và do đó hiệu ứng thứ cấp P-Delta càng tăng và gây nguy hại cho công trình Đây là bài toán quan trọng và đã được đưa vào các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới

2 Tình hình nghiên cứu về sự suy giảm độ cứng kết cấu

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386 : 2012 về thiết kế công trình chịu động đất [1] cho phép kể đến sự suy giảm độ cứng kết cấu thông qua một hệ số duy nhất, rất đơn giản trong tính toán Các tiêu chuẩn tính toán khác như ACI 318M-11 [2], CSA-A23.3-04 [3] cũng đã đưa các hệ số suy giảm độ cứng vào tính toán, tuy nhiên

có phần phức tạp hơn Hiện cũng có nhiều nghiên cứu thực nghiệm về sự suy giảm

độ cứng kết cấu, điển hình là các nghiên cứu của Branson DE [4], Elwood KJ, Eberhard MO [5] và Paulay T., Priestley M.J.N [6] Các nhóm nghiên cứu đưa ra các đề xuất về hệ số suy giảm độ cứng kết cấu riêng cho từng loại cấu cấu kiện và mức độ chịu lực khác nhau, tuy có phần phức tạp khi áp dụng nhưng lại sát với sự làm việc thực của kết cấu

Ứng dụng các kết quả nghiên cứu của về hệ số suy giảm độ cứng này, các nhóm nghiên cứu M.H Vo, L.N Nguyen [7], V.H Ho [8] và M C Marin, M K

El Debs [9] đã mô phỏng ứng xử của kết cấu khung chịu tải trọng động đất và từ đó đưa ra các nhận xét về sự làm việc của công trình

Tuy nhiên, ứng xử tổng hợp của một công trình khi được kể đến sự suy giảm

độ cứng lại chưa được phân tích thỏa đáng, đây chính là lý do để thực hiện nghiên cứu đề tài:

“Ứng xử của nhà cao tầng khi kể đến

sự suy giảm độ cứng các cấu kiện”

3 Mục tiêu của đề tài

Trong việc phân tích ứng xử kết cấu thì độ cứng công trình là nhân tố rất quan trọng, quyết định đặc trưng dao động của công trình, và do đó quyết định tải trọng ngang (gió động và động đất) tác dụng lên công trình Khi hai loại tải trọng này thay đổi, có thể về cả trị số lẫn bản chất thì ứng xử của công trình (dao động, nội lực, chuyển vị, bố trí cốt thép) cũng sẽ thay đổi theo Thông qua việc nghiên cứu ứng xử của công trình khi kể để sự suy giảm độ cứng kết cấu, ta có thể đưa ra những hướng

dẫn cụ thể hơn cho việc thiết kế công trình cao tầng chịu tải trọng động đất và gió động

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu sự suy giảm độ cứng của kết cấu bê tông cốt thép và ảnh hưởng của nó tới tác động của gió động, động đất lên ứng xử của công trình xây dựng Trong nghiên cứu này, các hệ số suy giảm độ cứng kết cấu sẽ được tổng hợp và áp dụng trong việc phân tích ứng xử của công trình cao tầng bê tông cốt thép Các kết quả thu được sẽ được dùng để phân tích sự thay đổi của phản ứng dao động, chuyển vị ngang công trình và nội lực trong các cấu kiện chịu lực cơ bản của kết cấu để đưa ra các kiến nghị cho việc thiết kế công trình

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các công trình cao tầng bê tông cốt thép có

hệ khung - vách chịu lực Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm các vấn đề: các yếu tố ảnh hưởng tới độ cứng của kết cấu và ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng tới tác động của gió động và động đất lên kết cấu

5 Nội dung thực hiện

 Lý thuyết:

Nghiên cứu độ cứng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng;

Nghiên cứu ý nghĩa và vai trò của độ ứng trong tính toán kết cấu;

Tính toán tải trọng ngang tác động lên công trình khi có kể đến sự suy giảm

Chương 1: Nghiên cứu độ cứng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng, ý nghĩa

vai trò của độ cứng trong tính toán kết cấu

Chương 2: Tính toán tải trọng ngang tác động lên công trình khi có kể đến sự

suy giảm độ cứng kết cấu

Chương 3: Mô hình và phân tích ứng xử của công trình bê tông cốt thép khi

có kể đến sự suy giảm độ cứng kết cấu bằng phần mềm Etabs

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘ CỨNG CÔNG TRÌNH

Trong chương này, tác giả đề cập đến sự làm việc của kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng, đồng thời cũng nói đến độ cứng công trình và ảnh hưởng của nó đến ứng xử công trình Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do

đó việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được thực hiện Đối với nhà cao tầng, độ cứng công trình có ảnh hưởng mang tính quyết định đến các đặc trưng dao động của công trình và do đó ảnh hưởng đến tải trọng cũng như ứng xử của công trình Chương này nêu tổng quan về nhà nhiều tầng và

xu hướng trát triển trong tương lai của dạng công trình này ở Việt Nam Các khái niệm độ cứng cũng như các công thức được phát triển trước đây về ảnh hưởng của

độ cứng công trình đến ứng xử của kết cấu cũng được thu thập và nêu lên

1.1 Nhà cao tầng và xu hướng phát triển

1.1.1 Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam

Trên thế giới các công trình cao tầng đã có lịch sử phát triển lâu đời và đã đạt đến những trình độ cao về thiết kế kết cấu, công nghệ xây dựng, vật liệu … Đỉnh điểm là tại Mỹ vào những năm 60-70 của thế kỷ trước và tập trung tại một số thành phố lớn như Chicago, Los Angeles và New York

Tại Việt Nam từ trước những năm 1945 các công trình cao tầng ở Việt Nam chủ yếu chỉ là các khu nhà tập thể cao từ 4 -5 tầng và tập trung chủ yếu ở một số thành phố như Hà Nội, Hải Phòng Khi Mỹ đưa quân vào miền Nam Việt Nam vào những năm

60 của thế kỷ trước kéo theo nhiều thay đổi về mặt kinh tế xã hội cũng như hạ tầng kỹ thuật của các đô thị đặc biệt là Sài Gòn Cũng chính tại đây vào thời gian này, các công trình cao tầng bắt đầu được du nhập vào Việt Nam Tiêu biểu là các cao ốc: Thư viện Quốc gia, Trụ sở Việt Nam Thương tín, Bệnh viện Chợ Rẫy, Cao ốc chung cư 727 Trần Hưng Đạo, Khách sạn Palace, Khách sạn Caravel… Phần lớn các công trình cao tầng thời gian này được thiết kế có chiều cao khiêm tốn, cao nhất cũng chỉ khoảng 14 tầng nhưng đã đánh dấu sự xuất hiện của công trình cao tầng tại Việt Nam Năm 1987 khách sạn Hà Nội cao 11 tầng được xây dựng tại Hà Nội là công trinh cao tầng được xây dựng thí điểm ở miền Bắc Sau 1975 các công trình cao tầng ở Việt Nam có phát triển nhưng rất chậm vì lý do quá trình chuyển đổi nền kinh tế từ bao cấp sang kinh tế thị trường Từ năm 1996 đến nay do chính sách đổi mới cùng với quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, cơ sở hạ tầng đã tạo điều kiện đẩy mạnh xây dựng, phát triển nhà cao tầng ở các đô thị lớn nhưng chủ yếu cũng chỉ tập trung ở 2 thành phố là Hà Nội và Hồ Chí Minh

Có thể kể đến một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu ở Việt Nam hiện nay như sau:

- Tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark: với chiều cao: 336 m gồm 72 tầng

bao gồm 2 cao ốc văn phòng 50 tầng cùng với 1 tháp cao 72 tầng Chức năng: Nhà

ở, trung tâm thương mại, văn phòng và khách sạn;

- Tòa nhà Hanoi Lotte Center: với chiều cao 267 m gồm 65 tầng với 5 tầng

hầm, là một tổ hợp thương mại, văn phòng, khách sạn, nhà ở;

- Toà nhà Bitexco Tower: Cao 262,5 m với 68 tầng, được thiết kế dựa theo

nguyên mẫu của hoa sen, quốc hoa của Việt Nam Với thiết kế bằng kính ấn tượng cộng thêm khu đỗ trực thăng, tháp Bitexco hiện là toà nhà cao nhất TP HCM;

- Tháp VietcomBank: với chiều cao 205m là trụ sở mới của Vietcombank

rộng 55.000m2 nhìn ra sông Sài Gòn, được đưa vào hoạt động ngày 07/11/2015 cao 206m với tầng, 04 tầng hầm;

- Trung tâm Hành chính Đà Nẵng: với chiều cao 166,9m có thiết kế giống

như ngọn hải đăng và sở hữu công nghệ quản lý hiện đại, Trung tâm Hành chính Đà Nẵng là toà nhà cao nhất thành phố Không những vậy, công trình này còn được đánh giá cao bởi tính thân thiện với môi trường

a) Keangnam Hanoi Landmark b) Hanoi Lotte Center

c) Bitexco Tower d) VietcomBank Tower

Hình 1.1: Một số công trình cao tầng bê tông cốt thép

1.1.2 Hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

Các công tình cao tầng hiện nay loại hình kết cấu phổ biến nhất là khung và khung-vách Hệ kết cấu khung được làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép Hệ kết cấu khung có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây được sử dụng trước đó Như kết cấu tương đối đơn giản, được hình thành bởi các cột và dầm liên tục, có đặc điểm là tương đối nhẹ giúp giảm trọng lượng bản thân công trình Đồng thời hệ kết cấu khung cho phép kết cấu có ứng xử dẻo, hạn chế các phá hoại mang tính “dòn”

và “phát triển” như đối với kết cấu khối xây Tuy nhiên kết cấu khung cũng có một

số hạn chế khi sử dụng cho các công trình cần không gian rộng như văn phòng hay trung tâm thương mại do tương đối nhiều cột, chiều cao dầm lớn Hệ kết cấu khung thường chỉ thích hợp cho các công trình dưới 25 tầng, với công trình cao hơn hoặc yêu cầu về không gian lớn hệ kết cấu khung không thích hợp

Hệ kết cấu với các biến thể của

lõi phía trong

Hệ kết cấu với các biến thể của

vỏ phía ngoài

Hình 1.2: Một số hệ kết cấu nhà cao tầng

Một dạng kết cấu cũng được sư dụng rất phổ biến trong nhà cao tầng là hệ kết cấu khung - vách (Hình 1 - 4) Hệ kết cấu khung – vách là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và khung cùng chịu tải trọng cho công trình Hệ kết cấu này có ưu điểm nổi bật so với kết cấu khung chính là sự tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng của cả hệ Loại kết cấu này thích hợp với công trình từ 10 đến 50 tầng và có thể cao hơn Nếu

sử dụng một số kết cấu kết hợp khác, hệ kết cấu này có thể áp dụng cho công trình đạt tới 80 tầng

Hình 1.3: Mô hình chịu lực của kết cấu khung-vách

Một dạng kết cấu cũng khá phổ biến và được sử dụng rộng rãi hiện nay là kết cấu lõi Kết cấu lõi thường được cấu thành bởi các vách thang máy và thang bộ Kết cấu dạng lõi là kết cấu không gian có thể chịu được tải trọng đứng, lực cắt, mô men

và xoắn theo hai phương Hình dạng của lõi phụ thuộc vào yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc hoặc kỹ thuật, có thể thay đổi từ lõi đơn tới nhiều lõi Hạn chế của hệ kết cấu này chính là kích thước của lõi thường bị giới hạn, phụ thuộc kiến trúc do đó hiệu quả chịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một công son Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng

Mộ loại hình kết cấu được sư dụng là kết cấu ống Kết cấu ống được sử dụng chủ yếu cho các công trình siêu cao tầng như tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m, Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m Ban đầu hệ kết cấu ống được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau Sau đó hệ kết cấu này được phát triển với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình Hệ kết cấu ống kết hợp giằng chép phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh nhà Xét

về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng Tuy nhiên, hệ kết cấu này cũng có những khuyết điểm nhất định

Các hệ kết cấu phức tạp như hệ siêu khung, giàn không gian, bó lõi được áp dụng cho những công trình có chiều cao lớn, rất lớn Điển hình là tòa tháp Burj Khalifa Dubai, sử dụng hệ kết cấu bó lõi kết hợp đai biên đã cho phép công trình đạt tới chiều cao 828m (160 tầng), hiện nay là công trình nhà cao nhất thế giới Kết cấu có tầng cứng, loại kết cấu này được phát triển dựa trên nguyên lý chuyển hóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tải trọng ngang, thông qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị

trí hợp lý theo chiều cao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình Hệ kết cấu tầng cứng còn có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc gây ra Hiện nay, hệ kết cấu này được

áp dụng rất nhiều Với ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi - tầng cứng công trình có thể đạt tới 150 tầng

Bên cạnh sự phát triển về chiều cao và loại hình kết cấu, các công trình cao tầng và siêu cao tầng còn là nơi mà các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến được triển khai áp dụng, xuất phát từ những đòi hỏi cao về kỹ thuật cần phải xử lý trong thiết kế và thi công xây lắp Vật liệu composite cũng bắt đầu được sử dụng cho các công trình cao tầng Kết cấu thép cũng đóng vai trò quan trọng, tạo nên sự phát triển

rõ nét đối với nhà cao tầng sử dụng loại vật liệu này Ngày nay, những ưu thế về tính kinh tế, độ cứng, tính cản lớn của bê tông kết hợp với tính nhẹ, dễ xây dựng của thép đã mở ra thời kỳ mới cho việc ứng dụng các loại hình kết cấu hỗn hợp lớn như siêu cột, siêu khung

1.1.3 Xu hướng phát triển của nhà cao tầng

Với tính năng của hệ kết cấu bên trong và bên ngoài của nhà cao tầng mà ở nước ta trong hai thập niên vừa qua, nhà cao và siêu cao đã được xây dựng nhiều tại

Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác trong nước Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao tầng, hệ thống tàu điện ngầm, tàu điện trên cao và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị khác trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa là điều khó tránh khỏi Bảng 1-1 liệt kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam

Điển hình cho các dự án siêu cao là các tòa tháp Bitexco (68tầng, cao 262m), Hanoi Keangnam Landmark Tower (70tầng, cao 330m), Hanoi Lotte Center (65tầng, cao 268m) Cả ba công trình này đều sử dụng hệ kết cấu khung lõi kết hợp với tầng cứng và đều được thiết kế bởi công ty tư vấn nước ngoài Các đơn vị trong nước thường đóng vai trò giúp đỡ hoặc thầu phụ Nguyên nhân chính là do các kỹ

sư Việt Nam chưa có cơ hội để trải nghiệm các giải pháp kết cấu hiện đại cho nhà siêu cao tầng hiện đã và đang phát triển mạnh trên thế giới

Bảng 1.1: Thống kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam

Công trình Công

năng

Địa điểm xây dựng

Số tầng Chiều

cao H (m)

Hệ kết cấu

Tiêu chuẩn thiết kế Hầm Nổi

Keangnam Hỗn hợp Hà Nội 2 70 330 Khung lõi +

tầng cứng VN-Mỹ Lotte Center Hỗn hợp Hà Nội 5 65 268 Khung lõi +

tầng cứng VN-Mỹ Vietinbank Hỗn hợp Hà Nội 3 68 263 Siêu khung VN-Mỹ Bitexco Financial

Tower Hỗn hợp TP HCM 3 68 262 Khung lõi +

tầng cứng VN-Mỹ Time Square Hỗn hợp TP HCM 4 40 164 Khung lõi VN Trụ sở HANDICO Văn

phòng Hà Nội 2 38 141 Khung vách VN Indochina Plaza Hỗn hợp Hà Nội 3 37 135 Khung lõi Mỹ Trung tâm hành

chính Đà Nẵng

Văn phòng Đà Nẵng 2 36 167 Khung lõi VN-Mỹ Trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến nay, ở nước ta cũng có một số nghiên cứu liên quan đến nhà cao tầng như: Nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà cao tầng (Viện KHCN Xây dựng, 1993~1995), biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế công trình trong vùng có động đất (Viện KHCN Xâydựng, 1998~2000), Nghiên cứu các giải pháp thiết kế kháng chấn (Viện KHCN Xây dựng, 2000~2002), Nghiên cứu thiết kế nhà cao tầng (Trường đại học kiến trúc HàNội, 2001~2004), Nghiên cứu các cấu tạo kháng chấn (Trường đại học xây dựng, 2000~2002)

Đáng chú ý là các nghiên cứu gần đây của hai đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam và Bulgaria do nhóm tác giả PGS TS Nguyễn Xuân Chính, GS TSKH Nguyễn Đăng Bích, TS Trịnh Việt Cường, TS Nguyễn Đại Minh thuộc Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng thực hiện với nội dung “Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà caotầng bê tông cốt thép chịu động đất” năm 2008 và “Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng chấn của các chung cư nhiều tầng và đề xuất giải pháp khắc phục” năm

2011 Hai đề tài trên tập trung vào hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép chịu tác động của động đất và hướng dẫn đánh giá khả năng kháng chấn của chung cư cũ cao tầng hiện hữu và các giải pháp gia cường hiệu quả khi chịu động đất Nói chung, các nghiên cứu này phần nào cũng đóng góp nâng cao chất lượng thiết kế cho kết cấu nhà cao tầng của cả nước trong thời gian qua

1.2 Độ cứng công trình bê tông cốt thép

1.2.1 Khái niệm độ cứng kết cấu

Theo như luân văn Thạc sĩ của Hồ Việt Hùng [8], độ cứng là khả năng chống lại biến dạng của một cấu kiện, bộ phận kết cấu hoặc hệ kết cấu dưới tác dụng của ngoại lực Giá trị của độ cứng biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng và biến dạng Độ cứng không phải là một giá trị bất biến mà thay đổi trong quá trình làm việc của cấu kiện hoặc kết cấu dưới tác dụng của tải trọng

Tuỳ theo cách thức xác định mà độ cứng chia làm 3 loại: độ cứng ban đầu, độ cứng cát tuyến và độ cứng tiếp tuyến Cách thức xác định 3 loại độ cứng này được minh hoạ trong Hình

Hình 1.4: Độ cứng công trình bê tông cốt thép

Hình 1.4 cho thấy phản ứng của kết cấu khi hệ chịu tải trọng ngang, đường cong phản ứng là đường biểu diễn quan hệ giữa lực cắt đáy V với tổng chuyển vị ngang  Độ cứng ban đầu đàn hồi K0 của kết cấu được xác định bằng độ dốc ban đầu của đường cong phản ứng, đây là giai đoạn làm việc tuyến tính xảy ra ở hầu hết các vật liệu xây dựng Độ cứng cát tuyến Ks là độ dốc của đường thẳng nối tâm O tới các điểm trên đường cong phản ứng (tương ứng với các cấp tải trọng) Các vật liệu xây dựng thông thường đều có độ cứng ban đầu K0 lớn hơn độ cứng cát tuyến

Ks Trong miền dẻo, độ cứng của kết cấu thường được xác định bằng độ cứng tiếp tuyến Kt, đó là độ dốc của đường tiếp tuyến với đường cong phản ứng Sự giảm giá trị Kt cho thấy giai đoạn mềm hoá biến dạng của kết cấu

Độ cứng được sử dụng nhiều nhất trong tính toán kết cấu là độ cứng cát tuyến, giá trị của độ cứng cát tuyến phản ánh được biến dạng của hệ kết cấu ứng với các cấp của tải trọng Theo định nghĩa như trong Hình , độ cứng cát tuyến được xác định bằng công thức sau:

1.2.2 Ảnh hưởng của độ cứng đến các đặc trưng dao dộng công trình

Ứng xử của công trình cao tầng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan và chủ quan Trong đó yếu tố chủ quan là độ cứng của công trình và yếu tố khách quan là tải trọng động tác dụng lên công trình Dưới tác dụng của tải trọng động, biến dạng, chuyển vị và nội lực trong kết cấu thay đổi theo thời gian Sự dịch chuyển của các khối lượng trên công trình với một gia tốc nhất định phát sinh ra các lực quán tính

đặt tại các khối lượng và gây ra hiện tượng dao động của công trình

Bài toán dao động công trình đặt ra các nhiệm vụ: xác định phản ứng động (nội lực, chuyển vị) để kiểm tra điều kiện bền và điều kiện cứng, xác định tần số dao động để kiểm soát hiện tượng cộng hưởng, xác định kiểm soát gia tốc dao động cực đại để đảm bảo công năng sử dụng của công trình Một phương pháp đơn giản thường gặp để giải các bài toán động là phương pháp tĩnh Lực quán tính được kể đến như một lực tĩnh tại thời điểm khảo sát và được đưa vào phương trình cân bằng động theo nguyên lý D’Alembert

Nếu gọi ω là tần số dao động riêng của hệ khi không có lực cản Chu kỳ dao động của hệ không có lực cản được xác định theo biểu thức:



Trong đó:

m là khối lượng của hệ và k là độ cứng của hệ

Biểu thức trên cho thấy mối quan hệ giữa chu kỳ dao động riêng và độ cứng của hệ Khi độ cứng của hệ tăng thì chu kỳ dao động riêng của hệ sẽ giảm xuống và ngược lại, điều này được minh hoạ trong Hình 1.5

Hình 1.5: Mối quan hệ giữa chu kỳ dao động riêng và độ cứng

Công trình xây dựng thường có mô hình tính toán với số bậc tự do động lớn hơn 1 Hình là mô hình tính toán thường được sử dụng cho khung có nhiều bậc tự

do động với sự chấp nhận các giả thiết:

(i) bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó;

(ii) các cột hoặc các bộ phận thẳng đứng chịu lực không có khối lượng

nhưng có tổng độ cứng là r và có biến dạng dọc trục không đáng kể; (iii) cơ cấu phân tán năng lượng được biểu diễn bằng bộ giảm chấn thuỷ

lực Với các giả thiết trên, mỗi tầng của công trình được mô hình hoá với ba bậc tự do là hai chuyển vị ngang và một chuyển vị xoay quanh trục thẳng đứng đi trọng tâm sàn Trong trường hợp bài toán phẳng, mỗi tầng chỉ còn một bậc tự do là chuyển vị theo phương ngang

Hình 1.6: Mô hình tính toán của hệ kế cấu có nhiều bậc tự do động

Khi hệ chịu tải trọng bất kỳ, dưới tác dụng của ngoại lực Fk(t) , các khối lượng

mk của hệ kết cấu sẽ có chuyển vị theo phương ngang xk(t) với k = 1, 2, , n Trên

cơ sở nguyên lý D’Alembert, ta có được phương trình dao động riêng của hệ như sau :

Phương trình (4) được gọi là phương trình tần số vòng của hệ dao động,

nghiệm của phương trình là tần số vòng của các dao động riêng Từ tần số vòng ta

có thể xác định tần số và chu kỳ của các dao động riêng thông qua các biểu thức:

Dạng của dao động riêng được biểu diễn thông qua véc tơ dạng riêng {F} và

được xác định theo phương trình dạng dao động:

Các phương trình (3)-(6) cho thấy các đặc trưng dao động của hệ kết cấu (chu

kỳ và dạng của dao động riêng) phụ thuộc vào hai tính chất của kết cấu đó là độ cứng và khối lượng Trong khi khối lượng của một công trình cụ thể là một hằng số

và có thể xác định một cách chính xác, thì giá trị của độ cứng lại phụ thuộc vào mô hình tính toán của hệ Ma trận độ cứng được lập trên cơ sở chấp nhận mô hình khối lượng tập trung và độ cứng của công trình là tổng độ cứng của cột, trên thực tế những giả thiết này là chưa chính xác và có thể mang lại sai số đáng kể trong kết quả tính toán

Việc phân tích hệ có một hay nhiều bậc tự do động như đã trình bày ở trên cho thấy độ cứng của hệ có ảnh hưởng quan trọng tới phản ứng của hệ dưới tác dụng của tải trọng động bất kỳ Độ cứng hay ma trận độ cứng đóng vai trò là các hệ số để giải các phương trình tìm chu kỳ và dạng của các dao động riêng Sự thay đổi độ cứng của kết cấu dẫn tới sự thay đổi rõ rệt của chu kỳ dao động riêng, độ cứng tăng thì chu kỳ dao động riêng của hệ giảm, và ngược lại, khi giảm độ cứng của hệ thì chu kỳ dao động riêng sẽ tăng lên

Các đặc trưng dao động của công trình này sau đó lại mang ý nghĩa quyết định đến tải trọng động tác dụng lên công trình như: gió động và động đất và từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển vị ngang công trình và nội lực kết cấu Ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền công trình và chất lượng sử dụng công trình

1.2.3 Ảnh hưởng của độ cứng đến chuyển vị ngang của công trình

Đối với công trình cao tầng, chuyển vị ngang của công trình là một yếu tố mang ý nghĩa quan trọng đến độ bền và điều kiện sử dụng công trình Dưới đây, luận văn sẽ tóm tắt lại đóng góp của độ cứng công trình đến việc tính toán chuyển

vị ngang nhà cao tầng có kết cấu khung vách để từ đó nêu lên ảnh hưởng của độ cứng đến chuyển vị ngang của công trình

Đối với nhà cao tầng chuyển vị, nội lực trong các kết cấu sinh ra chủ yếu do tải trọng ngang nên hệ các vách thẳng đứng có vai trò quyết định đảm bảo ổn định tổng thể, độ nghiêng, chuyển vị của toàn bộ công trình Khi kết cấu khung-vách chịu tải trọng ngang, các dạng chuyển vị tự do khác nhau của vách và của khung làm cho chúng tương tác ngang thông qua bản sàn hoặc dầm Sức kháng theo phương ngang được tạo ra bởi các vách và khung trong hướng uốn song song, sự ràng buộc để chuyển vị ngang giống nhau do những tấm sàn cứng, nên tương tác theo phương ngang qua tác động cắt trong tấm sàn Do đó, sự phân phối riêng biệt của tải trọng ngang lên vách và lên khung là rất khác nhau từ tải trọng ngoài Sự tương tác ngang là hiệu quả có thể ảnh hưởng đến độ cứng ngang trong phạm vi nhà khung-vách lên tới 50 tầng hoặc nhiều hơn

Khá phổ biến trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng đều cho rằng các vách cứng

và các lõi chống lại tất cả tải trọng ngang, các khung chỉ thiết kế để chịu tải trọng đứng Giả thiết này sẽ phát sinh một số sai số nhỏ cho những tòa nhà dưới 20 tầng với khung dẻo, và có thể trong nhiều trường hợp khi các khung là cứng và các tòa nhà cao hơn, vai trò của khung khi chịu lực ngang là đáng kể nếu mà không được xét đến, có thể dẫn đến thiết kế nhiều kết cấu bất hợp lý và kém hiệu quả

Nghiên cứu phân tích ban đầu của kết cấu khung-vách cho thấy các dạng tương tác giữa khung và vách là yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ cứng của kết cấu Trong phân tích xử lý khung-vách không xoắn, mở ra một tầm nhìn rộng hơn về sự làm việc của chúng, đồng thời cung cấp sự hiểu biết tốt hơn về chất lượng và số lượng của ảnh hưởng tương đối giữa khung và vách Nó cũng đem lại một phương pháp phân tích thủ công gần đúng nhanh, hữu ích trong thiết kế sơ bộ khung-vách Khung-vách phẳng trong Hình 1.7 có thể được trình bày cho một trong hai kết cấu với sự tương tác khung và vách trong cùng một mặt phẳng, hoặc với khung và vách trong mặt phẳng song song Từ đó, trong kết cấu không xoắn, khung và vách song song dịch chuyển giống nhau, chúng có thể mô hình hóa bởi một mô hình liên kết phẳng

Các giải pháp phân tích đòi hỏi các kết cấu được trình bày bởi một mô hình thống nhất liên tục Hình với tất cả các thành phần làm lệch hướng giống nhau Các giả định sau đây được áp dụng để đạt được điều này:

- đặc trưng của các bộ phận của khung-vách không thay đổi theo chiều cao;

- các vách có thể được biểu diễn bởi một công xôn chịu uốn, chỉ có biến dạng uốn

- các khung có thể được biểu diễn bởi các công xôn chịu cắt liên tục, chỉ có chuyển vị cắt;

- các bộ phận liên kết có thể được biểu diễn bởi một liên kết cứng ngang trung gian mà nó chỉ truyền lực ngang và là nguyên nhân gây uốn và cắt công xôn để làm chuyển vị giống nhau

Xem xét các khung-vách riêng biệt, với w và q tương ứng là tải phân bố bên ngoài và lực tương tác phân phối bên trong, có cường độ thay đổi theo chiều cao

QH là một lực tương tác tập trung ngang, tác động trên đỉnh giữa vách và khung

Hình 1.7: Kết cấu khung-vách phẳng (b) Phân tích liên tục cho kết cấu khung-vách; (c) Sơ đồ tự do cho khung và vách

Phương trình chuyển vị ngang được viết như sau:

trong đó:   ; là độ cứng chống uốn của vách cứng;

lần lượt là mô men quán tính của cột, mô men quán tính của dầm, chiều

cao cột và chiều dài dầm; H là chiều cao tòa nhà

Trong phương trình (7), biểu diễn bên trong các dấu ngoặc điều chỉnh hình

dạng của đường cong uốn, còn số hạng trước dấu ngoặc chi phối độ lớn của

nó Như vậy, độ cứng công trình càng lớn thì chuyển vị càng bé và ngược lại Khi

độ cứng của công trình bị suy giảm, chuyển vị công trình sẽ tằng lên nhiều Chuyển

vị càng tăng thì ảnh hưởng do tải trọng gió động và động đất càng tăng theo Ảnh hưởng do hiệu ứng P-Delta cũng tăng lên và như vậy càng giảm độ an toàn kết cấu

1.3 Kết luận chương

Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển khoa học kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều công trình cao tầng được thiết kế và xây dựng Việc tính toán thiết kế công trình cao tầng phụ thuộc nhiều vào các đặc trưng dao động cũng như tải trọng tác dụng lên công trình Hai yếu tố này phụ thuộc rất lớn vào độ cứng kết cấu Từ trước đến nay, khi thiết kế công trình người ta thường bỏ qua sự suy giảm độ cứng của kết cấu khi phân tích ứng xử công trình Trong các phần tiếp theo của luận văn, tác giả sẽ đề cập đến hiện tượng suy giảm kết cấu và ảnh hưởng của nó đến ứng xử của công trình

CHƯƠNG 2

SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG KẾT CẤU

Các công trình cao tầng thường phải chịu các tác động của tải trọng ngang lớn,

hệ quả là nó phải thường xuyên làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi của bê tông Các vết nứt trong bê tông xuất hiện dẫn đến sự suy giảm độ cứng kết cấu và do đó ảnh hưởng đến ứng xử của toàn công trình

Chương này trình bày các nguyên nhân gây suy giảm độ cứng kết cấu và trích dẫn các hệ số suy giảm độ cứng kết cấu được nêu trong các tiêu chuẩn, các nghiên cứu và các chỉ dẫn thiết kế của các nước trên thế giới Các hệ số suy giảm này sẽ được áp dụng vào bài toán mô phỏng trong chương 3

2.1 Các nguyên nhân gây suy giảm độ cứng

2.1.1 Suy giảm độ cứng do tải trọng lặp

Các nghiên cứu về sự làm việc ngoài giới hạn đàn hồi của vật liệu bê tông cốt thép đã cho thấy vật liệu có khả năng làm việc ở ngoài giới hạn đàn hồi và bên cạnh

đó độ cứng của hệ cũng suy giảm sau mỗi vòng chất tải - dỡ tải - chất tải theo chiều ngược lại Hình là kết quả thí nghiệm với cấu kiện dầm và cột chịu tải trọng lặp của Shunsuke Otani cho thấy phản ứng không đàn hồi của dầm và cốt bê tông cốt thép trước tải trọng đổi chiều

Hình 2.1: Phản ứng phi tuyến của cấu kiện bê tông cốt thép

Hình 2.1 cho thấy sau mỗi vòng chất tải - dỡ tải - và gia tải theo chiều ngược lại, thì độ cứng của các cấu kiện bị suy giảm, thể hiện ở sự gia tăng biến dạng sau mỗi vòng gia tải trong khi tải trọng tăng lên không đáng kể Trên thực tế, sự suy giảm độ cứng của cấu kiện bê tông cốt thép xảy ra ở trước cả giai đoạn làm việc dẻo của vật liệu Trong Hình 2.2 là mô hình của Vecchio và Balopoulou về các giai đoạn làm việc của dầm trong khung bê tông cốt thép Biến dạng của dầm được ghi

nhận qua độ võng lại điểm giữa nhịp Trong quá trình gia tăng của tải trọng, khi tải trọng còn bé, hệ làm việc hoàn toàn đàn hồi với độ cứng ban đầu (thể hiện ở đường thẳng xuất phát từ gốc toạ độ) Khi tải tọng đủ lớn để gây ra ứng suất kéo lớn hơn cường độ bê tông, trên dầm sẽ xuất hiện các vết nứt, sự xuất hiện của các vết nứt cũng là để huy động khả năng làm việc của cốt thép trong dầm Vết nứt trên cấu kiện trong giai đoạn này chưa nhìn thấy được nhưng sự suy giảm độ cứng của nó có thể quan sát trên biểu đồ thể hiện mối quan hệ tải trọng - độ võng của dầm

Hình 2.2: Các giai đoạn làm việc của kết cấu bê tông cốt thép

Vecchio và Balopoulou đã tiến hành thí nghiệm đối với dầm trong khung bê tông cốt thép Hình 2.3 cho thấy mặc dù độ cứng của dầm bị suy giảm, nhưng dầm vẫn phản ứng một cách gần tuyến tính Điều này thể hiện bởi độ dốc tương đối ổn dịnh của biểu đồ ở giai đoạn này Biểu đồ trong Hình 3.3c cho thấy quan hệ tải trọng và độ võng của dầm, qua đó cho thấy độ cứng bắt dầu suy giảm và suy giảm nhanh kể từ lúc xuất hiện vết nứt, nhưng sau đó có xu hướng giữ ổn định (độ dốc gần như không đổi) cho đến khi dầm phát sinh các khớp dẻo

Hình 2.3: Quan hệ độ võng của dầm thí nghiệm

Nguyên nhân chính dẫn tới sự suy giảm độ cứng của kết cấu bê tông cốt thép

là sự xuất hiện các vết nứt ở các cấu kiện chịu uốn Sự suất hiện của các vết nứt sẽ làm giảm phần diện tích hiệu dụng của bê tông, kết quả là làm giảm nhanh mô men quán tính của tiết diện và do đó làm suy giảm độ cứng của các cấu kiện cũng như độ cứng tổng thể của kết cấu

2.1.2 Suy giảm độ cứng do ứng xử phi tuyến của kết cấu

Xét dầm bê tông cốt thép hai đầu ngàm chịu tải trọng phân bố như trong sơ đồ

a Hình 2.4 Trong quá trình gia tăng của tải trọng, dầm lần lượt trải qua các giai đoạn ứng với các đoạn trên biểu đồ b Hình 2.4 Trong biểu đồ ở Hình 2.4, đoạn OA

là giai đoạn tải trọng còn bé, khi trên dầm chưa xuất hiện các vết nứt, đoạn AB ứng với giai đoạn xuất hiện và phát triển của các vết nứt hai đầu dầm, đoạn BD ứng với giai đoạn xuất hiện và phát triển của các vết nứt giữa dầm, đoạn DE và phần tiếp theo là giai đoạn xuất hiện sự chảy dẻo ở các đầu dầm và ở giữa nhịp dầm Điểm C

ở giữa đoạn BD là điểm cho thấy độ võng ở giữa nhịp dầm ứng với tải trọng làm việc (tải trọng thiết kế)

Hình 2.4: Sự suy giảm độ cứng của dầm thí nghiệm

Sự thay đổi độ dốc của đường biểu diễn quan hệ Tải trọng - Độ võng cho thấy sau khi xuất hiện các vết nứt lần lượt ở đầu dầm và giữa nhịp dầm thì sự gia tăng của độ võng nhanh hơn sự gia tăng của tải trọng, đây chính là biểu hiện của sự suy giảm độ cứng của dầm

Xét mặt cắt ở giữa nhịp dầm Trước khi bị nứt, toàn bộ mặt cắt ngang được thể hiện như trong Hình 2.5a, mô men quán tính của mặt cắt này gọi là mô men quán tính của mặt cắt không nứt, và độ cứng EI tương ứng là độ dốc của tia OA như trong Hình 2.5c Sau khi bị nứt, mặt cắt ngang được thể hiện như trong Hình 2.5b, mặt cắt này có mô men quán tính nhỏ hơn nhiều so với mặt cắt không nứt

Hình 2.5: Biểu đồ mô men – độ cong của tiết diện bị nứt

Tại tải trọng khai thác, độ cứng tương ứng là độ dốc của các tia OC1 và OC2

và độ cứng tại điểm chảy dẻo tương ứng là độ dốc của tia OB Trên thực tế, độ cứng của dầm ở các mức tải trọng khác nhau chênh lệch không đáng kể và gần bằng độ cứng ở thời điểm chảy dẻo, thể hiện ở sự chênh lệch độ dốc không đáng kể của các tia OC1, OC2 và OB Độ cứng của dầm phụ thuộc vào độ lớn tương đối của mô men nứt (Mcr), mô men tải trọng khai thác (Ma) và mô men chảy dẻo (My), sự thay đổi độ cứng EI theo mô men được thể hiện trong Hình 2.6a Tuỳ thuộc vào giá trị

mô men dọc theo chiều dài dầm mà có sự thay đổi độ cứng EI trên các mặt cắt của dầm Sự phân bố độ cứng EI dọc theo dầm được thể hiện trong Hình 2.6b

Hình 2.6: Sự thay đổi độ cứng theo mô men của tiết diện bị nứt

Sự xuất hiện vết nứt ở các cấu kiện bê tông cốt thép là tất yếu do tác động của

mô men làm ứng suất kéo vượt qua cường độ chịu kéo của bê tông Và do đó, sự suy giảm độ cứng là một hiện tượng phổ biến ở kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên,

sự suy giảm độ cứng ở các loại cấu kiện khác nhau cũng tuân theo những quy luật khác nhau Nếu như ở cấu kiện loại dầm, sự suy giảm độ cứng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa mô men gây nứt, mô men tải trọng khai thác và mô men chảy dẻo thì ở cấu kiện chịu tải trọng dọc trục (cột, vách) mức độ suy giảm độ cứng còn tuỳ thuộc vào tỉ số nén của các cấu kiện đó Tỉ số nén của cấu kiện được xác định như sau:

Hình 2.7: Ảnh hưởng của lực dọc đến quan hệ mô men – độ cong của cột có tiết

diện chữ nhật

Hình 2.7 cho thấy đường quan hệ mô men - độ cong của cột ở các mức tỉ số nén khác nhau Các đường cong cho thấy sự suy giảm độ cứng tăng lên khi tỉ số nén giảm xuống Khi cột có tỉ số nén lớn, độ dốc của đường cong trên biểu đồ có xu hướng ổn định, tức là mức độ suy giảm độ cứng giảm đi

2.1.3 Kể đến sự suy giảm độ cứng do quan niệm thiết kế

Trong suốt thời gian kể từ khi chúng ta bắt đầu đề cập đến tải trọng do động đất tác dụng lên công trình cho đến nay, lý thuyết kháng chấn đã luôn được thay đổi

về cả phương pháp tính, mục tiêu và quan niệm Nếu như từ những năm 1900, công trình được xem là một vật cứng tuyệt đối trên mặt đất và tải trọng động đất được xác định đơn thuần bằng lực quán tính do gia tốc của nền đất gây nên, thì tới nay, bằng các phương pháp tính toán động lực học công trình, chúng ta có thể xác định được các phản ứng của công trình khi động đất xảy ra, qua đó có thể xác định được tải trọng lớn nhất do động đất tác dụng lên công trình

Mục tiêu của thiết kế kháng chấn cũng đã có nhưng thay đổi quan trọng Mục tiêu thiết kế kháng chấn trước đây là: công trình không bị hư hỏng, bảo vệ sinh mạng con người và tài sản thông qua việc bảo vệ công trình Trong khi động đất vẫn

là một hiện tượng chưa thể dự báo được (về thời gian, địa điểm và quan trọng nhất

là cường độ) thì việc thiết kế công trình chịu tải trọng động đất với mục tiêu như trên là không hợp lý và không kinh tế Mục tiêu của thiết kế kháng chấn hiện đại là

đảm bảo sinh mạng con người, công trình có thể bị hư hỏng nhưng không được phép sụp đổ Đây là sự chuyển biến quan trọng trong mục tiêu bởi nó cho phép công trình có thể có những hư hại nhưng miễm là là không sụp đổ, mục tiêu này đã làm giảm nhiều chi phí xây dựng do đã tận dụng được toàn bộ khả năng làm việc của kết cấu

Gắn liền với những mục tiêu trên là các cách thức thiết kế kháng chấn khác nhau Nếu như trước đây, để đảm bảo công trình không được phép hư hỏng, hệ kết cấu được thiết kế để có thể làm việc hoàn toàn đàn hồi dưới tác dụng của động đất, thì quan điểm mới trong thiết kế tính toán động đất là cho phép hệ làm việc ngoài giới hạn đàn hồi (phi tuyến) Theo quan điểm mới về thiết kế kháng chấn, thay vì hệ kết cấu được thiết kế với độ bền lớn để chịu được trận động đất mạnh nhất, hệ sẽ được thiết kế với độ dẻo phù hợp để hấp thụ và phân tán năng lượng của trận động đất đó Quan điểm này rõ ràng hợp lý hơn, và việc thiết kế kết cấu theo quan điểm này sẽ kinh tế hơn

Khi cho phép công trình làm việc ngoài giới hạn đàn hồi, cũng có nghĩa là chấp nhận sự làm việc phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép Một tính chất quan trọng của sự làm việc phi tuyến đó chính là sự suy giảm độ cứng của kết cấu Các nghiên cứu cho thấy rằng độ cứng của kết cấu bê tông cốt thép có một sự suy giảm nhất định, và do đó dẫn tới sự thay đổi của các phản ứng động của nó (chu kỳ và dạng của các dao động riêng) Các phương pháp tính toán hiện nay đều chủ yếu xác định tải trọng động đất thông qua phổ phản ứng gia tốc mà trong đó gia tốc cực đại của hệ khi dao động phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng của nó Do đó có thể nói,

sự suy giảm độ cứng của hệ kết cấu sẽ dẫn tới sự thay đổi giá trị của tải trọng động đất tác dụng lên công trình Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu tải trọng động đất của các nước trên thế giới đều đã quy định phải xét tới ảnh hưởng của các vết nứt tới độ cứng của kết cấu bê tông cốt thép khi tính toán và thiết kế kháng chấn ICC 2003 (International Code Council), EC 8 (Eurocode), và TCXDVN 375:2006 đều quy định hệ số giảm độ cứng là 50% cho tất cả các cấu kiện Trong khi đó, nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới như Paulay [7], Priestly [8], Elwood và Eberhard [6] cho thấy hệ số giảm độ cứng phụ thuộc vào loại và mức độ chịu tải trọng của cấu kiện

2.2 Sự suy giảm độ cứng theo các quan niệm thiết kế

2.2.1 Suy giảm độ cứng theo Brandson DE - 1963

Sự xuất hiện vết nứt trên cấu kiện bê tông cốt thép là một hiện tượng phổ biến khi khi tải trọng tác dụng gây ra mô men uốn lớn hơn mô men gây nứt Mô men quán tính hiệu dụng (Ie), hệ quả của sự xuất hiện vết nứt trên bê tông, được đề cập

đến đầu tiên bởi Branson Branson kiến nghị công thức xác định mô men quán tính hiệu dụng trong đó Ie là một hàm của cấp độ vết nứt Về sau, ý tưởng của Branson được sử dụng và phát triển bởi các nhà khoa học khác, và được đề cập đến trong các nghiên cứu cũng như tiêu chuẩn của các nước dưới dạng các công thức tính toán hoặc các hệ số hiệu chỉnh

Công thức tính toán mô men quán tính hiệu dụng của Branson áp dụng cho cấu kiện loại dầm có dạng như sau:

2.2.2 Suy giảm độ cứng theo ACI 318-14

Các công thức này sau đó được ứng dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế ACI 318-14 [2] của Mỹ với số mũ  

  

2.2.3 Suy giảm độ cứng theo CSA A23.3-04

Tương tự như ACI 318-14, tiêu chuẩn thiết kế của Canada CSA A23.3-04 cho phép tính toán các giá trị mô men hiệu dụng như sau:

2.2.4 Suy giảm độ cứng theo Paulay 1992 & Priestley 1997

Từ một số nghiên cứu thực nghiệm và phân tích, các nhóm tác giả Paulay

1992 & Priestley 1997 đã đề xuất các công thức xác định mô men quán tính hiệu dụng của kết cấu sau:

2.2.5 Suy giảm độ cứng theo NZS 3101

Tiêu chuẩn New Zealand 3101 đề xuất các công thức xác định mô men quán tính hiệu dụng của kết cấu như bên dưới:

Đối với dầm chữ T, L:  ;

Đối với dầm chữ nhật:  ;

Đối với cột:

2.2.6 Suy giảm độ cứng theo Elwood & Eberhard 2006

Từ các nghiên cứu thực nghiệm, nhóm nghiên cứu Elwood & Eberhard 2006

đã đề xuất các công thức tính hệ số suy giảm độ cứng đối với cột như bên dưới:

+  khi tỷ số nén  ;

     

  khi tỷ số nén   ; +  khi tỷ số nén 

2.2.7 Suy giảm độ cứng theo TCVN

Theo TCVN 5574-2012, độ cứng chống uốn hiệu dụng của dầm bê tông cốt thép

có khe nứt trong vùng kéo được xác định phức tạp hơn, phụ thuộc vào mô đun đàn hồi và diện tích cốt thép  , mô đun biến dạng và điện tích bê tông

  cũng như các đặc trưng hình học khác của tiết diện



Để đơn giản trong tính toán và áp dụng, TCVN 9386-2012 cho phép sử dụng

hệ số suy giảm độ cứng 0.5 cho tất cả các cấu kiện