Phân tích ảnh hưởng của sàn tầng hầm trong kết cấu nhà cao tầng khi chịu tải trọng ngang

Tuy nhiên, còn nhiều vấn đề trong công tác thiết kế nhà cao tầng có tầng hầm chưa được giải quyết 1 cách hợp lý : lập sơ đồ tính, việc thiết kế các sàn tầng hầm khi chịu tải trọng ngang…

-[ \ -

NGUYỄN QUANG HUY

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SÀN TẦNG HẦM TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG KHI CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

MÃ SỐ NGÀNH : 605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, 09 – 2010

-

Tp.HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Quang Huy Phái: Nam

Ngày – tháng - năm sinh: 16 - 12 - 1983 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: XÂY DỰNG DÂN DỤNG &CÔNG NGHIỆP

MSHV: 02108487

I- TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SÀN TẦNG HẦM TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO

TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

1- NHIỆM VỤ :

Luận văn phân tích sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm trong kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng ngang

2- NỘI DUNG :

• Ðýa ra 4 sõ ðồ kết cấu thýờng gặp trong nhà cao tầng ở Việt Nam

• Phân tích sự ảnh hýởng của sàn tầng hầm khi tãng số lýợng sàn tầng hầm theo phýõng ðứng

• Phân tích sự ảnh hýởng của sàn tầng hầm khi diện tích sàn tầng hầm ðýợc mở rộng theo phýõng ngang

• Phân tích sự ảnh hýởng của sàn tầng hầm khi chiều dày của sàn tầng thay ðổi (ðộ cứng của tấm sàn thay ðổi)

• Rút ra nhận xét và kết luận Nêu lên định hướng cho việc thiết kế sàn tầng hầm

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/07/2010

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Ts Nguyễn Sỹ Lâm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Ts Nguyễn Sỹ Lâm

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN SỸ LÂM

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 : PGS-TS ĐỖ KIẾN QUỐC

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2 : TS LƯƠNG VĂN HẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐƯỢC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 25 tháng 9 năm 2010

Sau 5 tháng thực hiện, luận văn thạc sĩ đã hoàn thành Đây là không chỉ quá trình làm việc nghiêm túc của bản thân mà còn là sự hướng dẫn động viên

và giúp đỡ của nhiều người

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Sỹ Lâm, thầy hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này Với sự hướng dẫn khoa học, tận tình và những lời phê bình thẳng thắn đã giúp tôi có được những kiến thức quý báu và phương pháp luận làm nền tảng cho việc học tập, làm việc sau này

Xin cảm ơn quý thầy cô ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp đã tận tâm truyền đạt những kiến thức bổ ích trong suốt 2 năm học tập

Lời cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã hỗ trợ tôi hết mình về tinh thần cũng như vật chất, đã luôn động viên trong thời gian qua

để giúp tôi hoàn thành luận văn này

TP HCM, ngày 15 tháng 7 năm 2010

Hiện nay nhiều nhà cao tầng ở Việt Nam được xây dựng với 1 hoặc 2 tầng hầm bên dưới Tuy nhiên, còn nhiều vấn đề trong công tác thiết kế nhà cao tầng

có tầng hầm chưa được giải quyết 1 cách hợp lý : lập sơ đồ tính, việc thiết kế các sàn tầng hầm khi chịu tải trọng ngang…Với việc mô phỏng các kết cấu trong đó

có kể đến sự tương tác giữa cọc- đất nền- đài cọc và tương tác giữa tường vây và đất nền, luận văn đã khảo sát 4 sơ đồ kết cấu thường gặp khi chịu tải trọng động đất để xem xét ứng xử của kết cấu khi độ cứng của tầng hầm thay đổi Sự ảnh hưởng của độ cứng tầng hầm lên kết cấu được khảo sát trong 3 trường hợp: tăng

số lượng sàn tầng hầm theo phương đứng, tăng số nhịp tầng hầm theo phương ngang và thay đổi chiều dày sàn tầng hầm Kết quả khảo sát cho thấy rằng sự ảnh hưởng của tầng hầm lên kết cấu giảm đi khi số lượng tầng hầm tăng lên theo phương đứng, điều này cũng xảy ra tương tự khi số nhịp tăng theo phương ngang và sự tăng chiều dày của sàn tầng trệt có ảnh hưởng đáng kể hơn nhiều so với việc tăng chiều các sàn tầng hầm bên dưới Đồng thời kết quả khảo sát cũng chỉ ra cần có sự lưu ý đặt biệt khi thiết tính toán sàn tầng trệt của kết cấu nhà cao tầng có tầng hầm khi công trình chịu tải trọng ngang

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VÀ SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHIÊN CỨU

1.1 – Sơ lược về tình hình xây dựng nhà cao tầng có tầng hầm ở trong nước…… 3

1.2 – Các quan điểm thiết kế công trình nhà cao tầng khi có tầng hầm………… 5

1.3 – Sự làm việc của sàn tầng hầm khi chịu tải trọng động đất……… 7

1.3.1 - Ứng xử của các sàn trên nền đất tự nhiên trong kết cấu nhà cao tầng … 7 1.3.2 - Sự làm việc của sàn tầng hầm khi chịu tải trọng ngang ………9

1.4 – Các nghiên cứu đã được các nhà khoa học đã thực hiện……… 12

1.5 – Nhiệm vụ của luận văn……… 18

CHƯƠNG 2 : TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ ĐẤT NỀN 2.1 – Tương tác giữa cọc, đài cọc và đất nền……….21

2.2.1 - Phân tích các quan điểm thiết kế kết cấu hiện nay……… …21

2.2.3 - Sự tương tác giữa cọc, đài cọc và đất nền……… 22

2.2 – Tương tác giữa tầng hầm và đất nền xung quanh……… 26

2.2.1 - Mô hình Winkler……… 27

2.2.2 - Các mô hình hệ số nền theo phương ngang……… 29

2.2.3 - Phương pháp tính hệ số nền theo phương ngang……….…….30

2.3 – Kết luận ……….…33

3.1 – Phần mềm dùng để phân tích kết cấu………34

3.2 – Các sơ đồ kết cấu dùng để khảo sát ……… ……… 39

3.3 – Các thông số đầu vào của kết cấu……….……….… 42

3.3.1 - Cấu tạo địa chất công trình……….…… 42

3.3.2 - Các loại tải trọng đưa vào kết cấu để phân tích……… 43

3.4 – Tính toán các điều kiện biên của mô hình khảo sát ……… …44

3.4.1 – Tính toán hệ số nền theo phương ngang tác dụng lên tường vây…… 44

3.4.2 - Xác định độ cứng lò xo đàn hồi theo 2 phương của cọc……….……….45

CHƯƠNG 4 : KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG HẦM KHI CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 4.1 – Khi số lượng tầng hầm được tăng theo phương đứng……….… 47

4.1.1 – Chuyển vị ngang ……… ……47

4.1.2 – Chu kỳ dao động tự nhiên ……… …… 50

4.1.3 – Moment uốn trong cột ……… 53

4.1.4 – Lực cắt trong cột ……… ……56

4.1.5 – Lực kéo trong sàn tầng trệt ……… 59

4.2 – Khi mặt bằng tầng hầm được thay đổi theo phương ngang……… 62

4.2.1 – Chuyển vị ngang ……… 62

4.2.2 – Chu kỳ dao động tự nhiên ……….65

4.2.3 – Moment uốn trong cột ……… …68

4.2.4 – Lực cắt trong cột ……… ….70

4.2.5 – Lực kéo trong sàn tầng trệt ………72

4.3.2 – Chu kỳ dao động tự nhiên ……… … …80

4.3.3 – Moment uốn trong cột ……….…… 82

4.3.4 – Lực cắt trong cột ……….…… 84

4.3.5 – Lực kéo trong sàn tầng trệt ………86

CHƯƠNG 5 : NHẬN XÉT CHUNG VÀ KẾT LUẬN 5.1 – Nhận xét chung………89

5.2 – Kết luận………90 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN PHỤ LỤC

Hình 1.2 – Các quan niện phân tích kết cấu với công trình có tầng hầm

Hình 1.3 – Tường vây quanh tầng hầm được xem là gối tựa

Hình 1.4 – Sơ đồ truyền lực của các sàn tầng hầm khi chịu tải trong ngang

Hình 1.5 – Các mô hình sàn tầng hầm trong nghiên cứu của Ali A Almasmoun

Hình 1.6 – Biểu đồ so sánh moment và lực cắt trong nghiên cứu của Ali A.Almasmoun Hình 1.7 – Thu gọn mô hình 3 chiều thành 2 chiều trong nghiên cứu của H.S Kim Hình 1.8 – So sánh sự phân bố lực cắt trong 3 mô hình giả thuyết của H.S Kim

Hình 1.9 – Mô hình nghiên cứu của Babak Rajaee Rad and Perry Adebar

Hình 1.10 – Sơ đồ tầng hầm được mở rộng theo phương đứng

Hình 1.11 – Sơ đồ tầng hầm được mở rộng theo phương ngang

Hình 2.1 – Biểu đồ tương quan giữa áp lực và độ lún trong nền đất

Hình 2.2 – Mô hình tổng quát tương tác giữa cọc và đất nền bằng các lò xo

Hình 2.3 – Mô hình cọc và đài cọc được sử dụng trong luận văn

Hình 2.4 – Mô hình tương tác giữa tường tầng hầm và đất nền xung quanh

Hình 2.5 – Mô hình nền trên dầm đàn hồi của Winkler

Hình 2.6 – Biến dạng thực tế của nền đất

Hình 2.7 – Các mô hình tính toán hệ số nền theo phương ngang

Hình 3.1 – Các dạng phần tử sàn trong Sap 2000

Hình 3.2 – Các thành phần nội lực trong phần tử tấm vỏ

Hình 3 3 – Sơ đồ 1 : Kết cấu khung chịu lực

Hình 3 4 – Sơ đồ 2 Kết cấu khung - lõi cứng chịu lực

Hình 3.5 – Sơ đồ 3 Kết cấu vách cứng chịu lực

Hình 3.6 – Sơ đồ 4 Kết cấu khung bên dưới có dầm đỡ vách cứng bên trên chịu lực Hình 3.7 – Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường

Hình 3.8 – Biểu đồ phổ phản ứng thiết kế

Hình 4.1 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang trong kết cấu khung chịu lực

Hình 4.2 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang trong kết cấu khung – lõi cứng chịu lực

chịu lực

Hình 4.5 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung chịu lực

Hình 4.6 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung – lõi cứng chịu lực

Hình 4.7 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu vách cứng chịu lực

Hình 4.8 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung tầng dưới có dầm đỡ vách cứng bên trên chịu lực

Hình 4.9 – Biểu đồ moment uốn trong cột của mode 1 (kết cấu khung chịu lực)

Hình 4.10– Biểu đồ moment uốn trong cột của mode 1 (kết cấu khung – lõi cứng chịu lực) Hình 4.11 – Biểu đồ lực cắt trong cột của mode 1 (kết cấu khung chịu lực)

Hình 4.12 – Biểu đồ lực cắt trong cột của mode 1 (kết cấu khung – lõi cứng chịu lực)

Hình 4.13 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD1B-1

Hình 4.14 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD2B-1

Hình 4.15 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD3B-1

Hình 4.16 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD4B-1

Hình 4.17 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang trong kết cấu khung chịu lực

Hình 4.18 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang trong kết cấu khung – lõi cứng chịu lực

Hình 4.19 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang kết cấu vách cứng chịu lực

Hình 4.20– Biểu đồ chuyển vị ngang kết cấu khung bên dưới có dầm đỡ vách cứng bên trên chịu lực

Hình 4.21– Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung chịu lực

Hình 4.22 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung – lõi cứng chịu lực

Hình 4.23 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu vách cứng chịu lực

Hình 4.24– Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung tầng dưới có dầm đỡ vách cứng bên trên chịu lực

Hình 4.25 – Biểu đồ moment uốn trong cột của mode 1 (kết cấu khung chịu lực)

Hình 4.26 – Biểu đồ moment uốn trong cột của mode 1 (kết cấu khung – lõi cứng chịu lực)

Hình 4.30 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD1C

Hình 4.31 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD2A

Hình 4.32 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD2C

Hình 4.33 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD3A

Hình 4.34 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD3C

Hình 4.35 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD3A

Hình 4.36 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD3C

Hình 4.37 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang trong kết cấu khung chịu lực

Hình 4.38 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang trong kết cấu khung – lõi cứng chịu lực Hình 4.39 – Biểu đồ chuyển vị ngang kết cấu vách cứng chịu lực

Hình 4.40 – Biểu đồ chuyển vị ngang kết cấu khung bên dưới có dầm đỡ vách cứng bên trên chịu lực

Hình 4.41 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung chịu lực

Hình 4.42 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung – lõi cứng chịu lực

Hình 4.43 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu vách cứng chịu lực

Hình 4.44 – Biểu đồ so sánh chu kỳ dao động kết cấu khung tầng dưới có dầm đỡ vách cứng bên trên chịu lực

Hình 4.45 – Biểu đồ moment uốn trong cột của mode 1 (kết cấu khung chịu lực)

Hình 4.46 – Biểu đồ moment uốn trong cột của mode 1 (kết cấu khung – lõi cứng chịu lực) Hình 4.47 – Biểu đồ lực cắt trong cột của mode 1 (kết cấu khung chịu lực)

Hình 4.48 – Biểu đồ lực cắt trong cột của mode 1 (kết cấu khung – lõi cứng chịu lực)

Hình 4.49 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD1B-T500

Hình 4.50 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD2B- T500

Hình 4.51 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD3B- T500

Hình 4.52 – Biểu đồ lực kéo trong sàn kết cấu SD4B- T500

Bảng 4.1 - Giá trị moment của cột trong các trường hợp khảo sát : kết cấu khung chịu lực

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHIÊN CỨU

1.1 – SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG HẦM Ở TRONG NƯỚC

Hiện nay, Do quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại 2 thành phố lớn là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh dân số từ nhiều tỉnh thành khác di cư về 2 thành phố này rất đông, đi đôi với vấn đề dân số tập trung đông là nhu cầu về nhà ở rất cao Vì vậy quỹ đất xây dựng công trình ngày thu hẹp Và giải pháp để phát triển không gian sống là xây dựng nhà cao tầng để làm các cao ốc văn phòng, chung cư, trung tâm thương mại Hầu hết các nhà cao tầng đều được thiết kế với 1 hoặc 2 tầng hầm dùng để để xe hoặc làm siêu thị, khu vui chơi giải trí Những công trình xây chen trong thành phố thì mặt bằng tầng hầm cùng diện tích với mặt bằng các tầng trên nhưng thường thì mặt bằng của tầng hầm thường rộng hơn so với mặt bằng của các tầng trên Gần đây, các công nghệ thi công mới từ các nước tiên tiến đã đưa vào ứng dụng ở Việt Nam (công nghệ thi công top-down, ) nên đã có những công trình thi công đến 3,4 tầng hầm và có tường chắn bê tông cốt thép vây quanh công trình

Công tác thiết kế kết cấu nhà cao tầng đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết như: lựa chọn sơ đồ kết cấu phù hợp, thiết kế công trình bền vững ổn định khi chịu các loại tải trọng đặc biệt là tải trọng ngang (tải trọng động đất) Khi chịu tải trọng ngang, các sàn tầng hầm làm việc không giống như những sàn ở tầng trên mặt đất do sự liên kết đối với biên tường chắn BTCT quanh công trình ( thường được xem là tuyệt đối cứng), đồng thời quan niệm xem sàn tầng hầm BTCT là tuyệt đối cứng để truyền tải trọng ngang giống như những sàn BTCT ở trên cũng ảnh hưởng rất lớn đến lực cắt, moment lật, và các ứng xử khác của kết cấu Trong thực tế các sàn tầng hầm trong nhà cao tầng

có 1 vai trò quan trọng trong việc giảm chuyển vị ngang, giảm moment lật, chịu lực cắt tầng tại chân công trình

Hình 1.1 – Mô hình sàn tầng hầm điển hình

Tuy vậy, hiện nay có rất ít hướng dẫn về việc thiết kế sàn tầng hầm và xem xét ảnh hưởng của nó lên kết cấu nhà cao tầng, đặt biệt là vấn đề ảnh hưởng của sàn tầng hầm khi chịu tải trọng ngang (tải trọng gió hoặc tải trọng động đất) Trong nhiều trường hợp, nếu mô hình tính toán không phù hợp sự làm việc thực tế của sàn tầng hầm

sẽ dẫn đến công trình có ứng xử không đúng thực tế: chuyển vị ngang lớn, tần số dao động nhỏ, momen và lực cắt tại chân cột lớn, dẫn đến xảy sự cố công trình hoặc lãng phí về vật liệu và kinh phí công trình

Một vấn đề quan trọng khác trong phân tích kết cấu là chọn mô hình tính toán

Để có được mô hình tính toán hợp lý, vừa đảm bảo tính chính xác, vừa đơn giản nhằm tiết kiệm thời gian tính toán Người thiết kế cần có cái nhìn tổng quát để đưa ra chính xác các số liệu đầu vào như: tương tác giữa đất nền với kết cấu, tương tác giữa cọc với đất nền, tương tác giữa cọc với đài cọc Các dữ liệu này có ảnh hưởng rất lớn đến ứng

xử của công trình có phù hợp với ứng xử thực tế không và với mô phỏng sơ đồ tính toán như thế nào thì có thể chấp nhận sự gần đúng của mô hình tính toán với mô hình công trình thực tế

Luận văn này sẽ đề cập đến việc nghiên cứu ứng xử của sàn tầng hầm và khác biệt so với các tầng trên cũng như sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm lên ứng xử trong kết cấu nhà cao tầng như thế nào là vấn đề cần thiết hiện nay để định hướng cho quá trình thiết kế

1.2 – CÁC QUAN ĐIỂM THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG KHI CÓ TẦNG HẦM

Ở nước ta, do chưa có một hướng dẫn hay một nghiên cứu nào cụ thể trong việc

mô hình sơ đồ tính nhà cao tầng cótầng hầm nên tùy vào kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế, hiện nay có nhiều quan điểm thiết kế khác nhau khi mô phỏng sơ đồ tính của nhà cao tầng có tầng hầm:

1 Khi phân tích tính toán kết cấu có tầng hầm, người ta giả thuyết rằng công trình ngàm tại cao trình nền đất và bỏ qua tường tầng hầm chỉ dùng để giữa vách hố đào khi thi công, không tham gia chịu lực trong kết cấu (Hình 1.2-a) Nếu dùng giả thuyết này thì độ cứng theo phương ngang của kết cấu tầng hầm đã được đánh gía quá thấp trong khi tường vây tầng hầm có tác dụng rất lớn trong việc tham gia chống lại lực ngang tác dụng vào công trình Vì vậy chu kỳ dao động tự nhiên của kết cấu dài hơn và ứng xử động lực học của kết cấu có thể bị dự đoán sai, do sự mô phỏng không chính xác về độ cứng của kết cấu theo phương ngang

2 Một quan điểm khi thiết kế khác cho rằng: khi lập mô hình tính không đưa kết cấu tường vây vào sơ đồ tính và cho rằng như vậy sẽ an toàn hơn, bởi vì nếu đưa vào thì kết cấu tường vây sẽ thu hết tải trọng ngang tác dụng vào đáy móng, làm cho nội lực tác dụng lên móng giảm đi, nhất là lực cắt và momnet lật (Hình 1.2-b) Quan niệm thiết kế đã bỏ qua vai trò quan trọng của các tầng hầm, đặt biệt là sàn tầng hầm, không phản ánh đúng ứng xử thực tế của kết cấu Với giả thuyết như trên độ cứng theo phương ngang bị đánh giá quá thấp, sẽ làm cho chu kỳ dao động và chuyển vị ngang tăng lên, nội lực của các cấu kiện bên trên sẽ tăng lên, gây ra lãng phí, trong khi đó sẽ

không thấy được ứng xử trong mặt phẳng của sàn tầng hầm, và coi nhẹ việc tính toán sàn tầng hầm Và việc này có thể dẫn đến nứt sàn tầng hầm trong quá trình chịu lực

3 Một quan niệm khác về phân tích kết cấu nhà cao tầng có tầng hầm như sau:

mô phỏng toàn bộ công trình kể cả có tầng hầm và tường tầng hầm vào công trình với

và điều kiện biên tại chân công trình là ngàm, còn phần tường chắn chịu áp lực đất bị động là tính riêng (Hình 1.2-c) Người thiết kế quan niệm như vậy sẽ an toàn Nếu giả thuyết như vậy thì đã bỏ qua sự làm việc của đất nền đánh giá quá thấp sự tương tác giữa đất nền với kết cấu, mà chính sự tương tác này sẽ cản trở chuyển vị ngang của công trình, làm giảm chu kỳ dao động tự nhiên và giảm moment lật cũng như lực cắt xuống chân móng

4 Lại có quan niệm khác về phân tích kết cấu nhà cao tầng có tầng hầm như sau : khi mô phỏng sơ đồ tính kết cấu, người ta bỏ qua sự làm việc của sàn tầng trệt bởi vì cho rằng sàn tầng trệt thường bị gồ ghề, có bậc cấp và ô trống, cho nên độ cứng theo phương ngang rất nhỏ Với giả thuyết trên thì người thiết kế đã quan niệm sai sự làm việc của sàn tầng trệt trong nhà cao tầng có tấng hầm, đối với những sàn tầng trệt không bằng phẳng như vậy (có độ cứng không đồng nhất) thì cần phải có sự chú ý đặt biệt hơn nữa trong công tác thiết kế để tránh xảy ra phá hoại tại các vị trí có bậc cấp hoặc gồ ghề để đảm bảo sàn tầng hầm đủ cứng và truyền được tải trọng ngang vào trong kết cấu tường vây

(a) (b) (c) Hình 1.2 - Các quan niệm phân tích kết cấu với công trình có tầng hầm

Vì vậy, trong luận văn này việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm lên ứng xử trong kết cấu nhà cao tầng với việc mô phỏng gần đúng nhất đến mức có thể độ cứng theo phương ngang của công trình, trong đó có kể đến các yếu tố về tương tác giữa đất nền với kết cấu tường vây tầng hầm, tương tác giữa cọc với nền đất, và mô phỏng điều kiện biên bằng các lò xo đàn hồi có độ cứng hữu hạn dựa vào tính toán và thí nghiệm

1.3 – SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN TẦNG HẦM KHI CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

1.3.1 Ứng xử của các sàn bên trên nền đất tự nhiên trong kết cấu nhà cao tầng

Hiện nay, trong công tác thiết kế kết cấu, phần lớn các việc tính toán kết cấu công trình vẫn còn tách rời các kết cấu với nhau như sàn tính riêng, khung tính riêng, móng và nền đất bên dưới tính riêng…

Để tính toán sàn, người thiết kế quan niệm sàn chỉ chịu tải trọng đứng theo sơ

đồ đàn hồi hay sơ đồ khớp dẻo, sau đó dựa vào các bảng tra sẵn hoặc các công thức của

cơ học kết cấu với quan niệm liên kết giữa sàn với dầm là các liên kết ngàm, khớp hoặc đầu tự do và bản sàn được cắt ra 1 dải bản có bề rộng bằng 1m để tìm ra nội lực của kết cấu Như vậy sàn chỉ chịu tải trọng thẳng đứng, và ta không xét sự tham gia chịu lực của dầm và sàn khi chịu tải trọng ngang Quan điểm này có thể phù hợp với những nhà thấp tầng nhịp khung tương đối nhỏ và tính toán kết cấu công trình bỏ qua động đất hoặc ảnh hưởng của tải trọng ngang rất ít

Đối với nhà cao tầng kết cấu dầm ngang, bản sàn có vai trò rất quan trọng để truyền tải trọng ngang cho vách cứng hoặc cột và độ cứng của dầm, bản sàn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực và chuyển vị của hệ chịu lực, hơn là các kết cấu ít tầng, đặc

biệt trong kết cấu sàn phẳng (sàn không dầm) thì độ cứng của sàn ảnh hưởng rất lớn đến nội lực của kết cấu

Mặt khác, khi tính toán kết cấu nhà cao tầng, một giả thuyết thường sử dụng là xem sàn là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng và mềm ngoài mặt phẳng của chúng để truyền hết tải trọng ngang vào lõi cứng hoặc cột Có nghĩa là độ cứng chống uốn của sàn thường không được kể vào trong phân tích, đồng thời chuyển vị của tất cả mọi điểm trong sàn đều như nhau Nhưng gần đây có nhiều nghiên cứu về việc quan niệm sàn cứng tuyệt đối trong mặt phẳng của chúng trong trường hợp nào thì đúng và trong trường hợp nào thì không chính xác Trong nghiên cứu của S.H.Ju và M.C.Lin [8] đã phân tích các kết cấu khi có vách cứng và không có vách cứng chịu lực Từ sự phân tích trên, tác giả rút ra được giả thuyết mô hình sàn cứng là hợp lý đối với tất cả các loại công trình có kết cấu khung chịu lực (không có vách cứng chịu lực) Tuy nhiên ứng xử của kết cấu có sự khác nhau tương đối lớn giữa việc giả thuyết sàn cứng và sàn mềm đối với các kết cấu có vách cứng chịu lực

Tại Việt Nam, các giáo trình kết cấu bê tông cốt thép đều giả thuyết tấm sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng sàn (EJ là vô cùng lớn trong mặt phẳng sàn), biến dạng dọc trục của dầm không đáng kể và các sai lệch khi dùng giả thuyết này chưa được xem xét Ngoài ra , TCXD 198 – 1997 về nhà cao tầng thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

và TCVN 356 -2005 về Kết cấu bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế cũng như các tiêu chuẩn, quy chuẩn liên quan cũng chưa đề cập đến vấn đề này

Trong luận văn thạc sĩ của Lâm Công Dự nghiên cứu về “Sự làm việc của vách cứng ngang trong nhà cao tầng” đã đưa ra kết luận rằng: Trong kết cấu nhà cao tầng, đối với trường hợp công trình thấp hơn 20 tầng, không nên sử dụng giả thuyết sàn tuyệt đối cứng, bởi vì trong trường hợp này độ cứng ngang của vách cứng lớn hơn so với độ cứng trong mặt phẳng của sàn, có thể làm sàn biến dạng trong mặt phẳng của chúng nên giả thuyết sàn tuyệt đối cứng không cón hợp lý nữa Khi số tầng tăng (trên 20 tầng)

thì độ cứng theo phương ngang của hệ thống vách cứng giảm (nhỏ hơn nhiều so với độ cứng trong mặt phẳng của sàn), nên sẽ làm giảm khả năng biến dạng sàn trong mặt phẳng của chúng Qua đó có thể kết luận rằng: công trình càng cao thì giả thuyết sàn tuyệt đối cứng càng phù hợp với thực tế

Nhưng kết luận trên chỉ đúng với công trình có mặt bằng ít thay đổi trong suốt chiều cao nhà, còn đối với những kết cấu nhà cao tầng có hình dạng mặt bằng các tầng dưới mở rộng hơn các mặt bằng tầng trên thì tại các tầng chuyển tiếp này không thể giả thuyết sàn tuyệt đối cứng (kể cả khi công trình có số tầng rất lớn)

1.3.2 Sự làm việc của sàn tầng hầm khi chịu tải trọng ngang

Đối với công trình cao tầng có tầng hầm, sàn tầng hầm thường được liên kết với tường tầng hầm BTCT (thường là tường baret) quanh chu vi công trình, các tường tầng hầm có tác dụng được dùng để giữ vách hố đào trong khi thi công phần ngầm của nhà cao tầng vì vậy tường vây được tính toán và thiết kế rất cứng Có nhiều nhà khoa học đã đưa ra nghiên cứu mô hình tường vây BTCT như những gối tựa đơn do độ cứng quá lớn của nó [5]

Hình 1.3 - Tường vây quanh tầng hầm được xem gối tựa (cứng tuyệt đối)

Do độ cứng của tường vây lớn nên nó sẽ giữ sàn tầng hầm lại, làm cho sàn tầng hầm không thể chuyển vị ngang đồng thời với lõi cứng, điều này làm xuất hiện biến dạng trong sàn tầng hầm và giả thuyết sàn tuyệt đối cứng là không còn phù hợp nữa.Sàn tầng hầm vừa có vai trò truyền tải trọng ngang vào kết cấu tường vây đồng thời hấp thu một phần lực ngang do lõi cứng truyền vào làm thay đổi rất lớn đến nội lực của kết cấu sàn Như vậy sàn tầng hầm làm việc không giống các sàn ở nên trên mặt đất tự nhiên

Dưới tác dụng của tải trọng ngang, chuyển vị của phần kết cấu bên trên mặt đất lớn, sinh ra moment và lực cắt lớn tại cao trình sàn tầng trệt, trong khi đó sàn tầng trệt

và các sàn tầng hầm bên dưới lại được tường vây BTCT xung quanh công trình giữ lại, làm xuất hiện ứng suất kéo (nén) lớn trong sàn tầng hầm tại các vùng xung quanh cột, vách , tường vây Khi lực cắt hoặc moment của lõi cứng được truyền vào vách cứng thông qua các sàn tầng hầm thì đồng nghĩa với chính các sàn tầng hầm này chịu lực kéo hoặc nén để truyền lực vào tường vây BTCT và làm cho kết cấu sàn tầng hầm bị nứt do lực kéo tại các vị trí tập trung ứng suất kéo lớn (nếu như chỉ tính toán sàn chịu tải trọng đứng)

Trong các thiết kế hiện nay, ảnh hưởng của nội lực trong mặt phẳng sàn do tải trọng ngang gây ra không được kể đến trong tính toán, đặt biệt là trong sàn tầng hầm Việc đánh giá quá thấp ảnh hưởng của tải trọng ngang lên kết kết cấu sàn tầng hầm sẽ dẫn đến việc hư hỏng kết cấu Trong phân tích động đất của kết cấu nhà cao tầng có tầng hầm, việc xác định chính xác lực cắt lớn tác dụng lên kết cấu tầng hầm là rất quan trọng Ứng suất kéo nén của sàn tầng hầm do quá trình truyền lực cắt của hệ kết cấu vào tường vây sẽ gây ra những ảnh hưởng lớn đến kết cấu sàn và cần phải được quan tâm đúng mức trong công tác thiết kế

Hình 1.4 - Sơ đồ truyền lực của các sàn tầng hầm khi chịu tải trọng ngang

Như vậy khi kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất thì các nội lực do lực

ngang tác dụng tại các tầng hầm sẽ được truyền đến các tường vây xung quanh tầng

hầm thông qua các sàn tầng hầm Sơ đồ truyền lực được thể hiện trong hình cho thấy

rằng sự truyền lực ngang chủ yếu ở sàn tầng hầm trên cùng và dưới cùng, các sàn tầng

hầm còn lại sẽ cũng ảnh hưởng nhưng không đáng kể

Vì vậy, khi thiết kế sàn trong hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng phải chú ý

đến chiều dày sàn sao cho ứng suất trong mặt phẳng sàn do tải trọng ngang gây ra

không vượt quá ứng suất cho phép để tránh xuất hiện vết nứt Nghĩa là, việc tính toán

thiết kế và cấu tạo các sàn tầng hầm này cần phải đảm bảo đủ cứng để không bị phá

hoại do ứng suất hoặc kéo và nén trong mặt phẳng gây ra

Trong mô hình phân tích, tầng hầm cuối cùng có truyền lực ngang vào tường

vây hay không còn phụ thuộc việc ta mô hình liên kết tại chân móng như thế nào Nếu

ta đặt liên kết tại chân cột là ngàm thì mọi lực ngang tại tầng hầm cuối cùng bị hấp thu

hết và sẽ không thấy được sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm cuối cùng này lên kết cấu

Vì vậy việc mô hình điều kiện biên tại chân công trình sao cho hợp lý cũng là 1 thách

thức đối với người thiết kế và cũng cần có sự xem xét cẩn thận

Những nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào các ứng xử động học của kết cấu bằng cách dùng các mô hình đơn giản mà không kể đến các ảnh hưởng của tải động đất lên các thành phần kết cấu Ảnh hưởng của tầng hầm nhà cao tầng trong ứng xử động đất và ảnh hưởng của tải động đất lên nội lực của các cấu kiện của tầng hầm và tầng trệt sẽ được nghiên cứu trong đề tài này

Khi mô phỏng được sơ đồ kết cấu, tác giả sẽ thay đổi độ cứng của sàn tầng hầm bằng nhiều cách: tăng số lượng sàn tầng hầm theo chiều sâu, mở rộng sàn tầng hầm theo chiều ngang và thay đổi chiều dày của các sàn tầng hầm để so sánh

1.4 – CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƯỢC CÁC NHÀ KHOA HỌC ĐÃ THỰC HIỆN

Công việc nghiên cứu về ứng xử của sàn tầng hầm đã được nghiên cứu từ những năm 1980, nhưng lúc đó các nhà khoa học chủ yếu đơn giản hóa mô hình nà cao tầng

và độ cứng của sàn tầng hầm cùng với tường chắn được thay thế bằng các gối tựa đơn

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của sàn tầng hầm lên kết cấu nhà cao tầng mới được quan tâm gần đây và có 3 nghiên cứu đã phân tích về sự làm việc của sàn tầng hầm nhà cao tầng tương đối tổng quát

Trong nghiên cứu về “Effect of basement floors on foundation uplift design of

high-rise building under lateral loading” của Ali A Almasmoun [1] đã xem sàn tầng

hầm làm việc như những dầm chịu cắt chống lại các lực ngang từ lõi cứng, khi công trình chịu tải trọng ngang Lực cắt từ lõi cứng gây cho các sàn tầng hầm cũng chịu cắt đặt biệt là sàn tầng hầm đầu tiên trên mặt đất (Hình 1.5a) Trong nghiên cứu này ông ta

đã chỉ ra sự phân bố lực cắt và moment uốn dọc theo chiều cao của công trình khi xem sàn tầng hầm cứng tuyệt đối (hình 1.5b) khác với sự phân bố lực cắt và moment uốn dọc theo chiều cao của công trình khi xem sàn tầng hầm có độ cứng hữu hạn và được

mô hình như những lò xo đàn hồi (hình 1.5c) Kết quả lực cắt và moment uốn của lõi cứng khi giả thuyết sàn có độ cứng hữu hạn (hình 1.6) nhỏ hơn nhiều so với việc giả

thuyết sàn có độ cứng tuyệt đối Kết quả của nghiên cứu này tác giả đưa ra 1 phương pháp tính toán ảnh hưởng của sàn tầng hầm trong nhà cao tầng để giảm những lực nhổ gây ra đối với móng của lõi cứng khi chịu tải trọng ngang

Mô hình công trình thu gọn như hình 1.5b xem các sàn tầng hầm và tường vây

là các gối tựa đơn đồng nghĩa với việc xem lực ngang không làm ảnh hưởng đến nội lực trong mặt phẳng sàn, các sàn tầng hầm truyền toàn bộ lực ngang vào tường vây Với quan niệm như vậy nghĩa là sàn tầng hầm chỉ được phân tích thiết kế với tải trọng đứng và bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng ngang

Hình 1.5 – Các mô hình sàn tầng hầm trong nghiên cứu của Ali A Almasmoun

a So sánh lực cắt trong cả 2 trường hợp

b So sánh moment uốn trong cả 2 trường hợp

Hình 1.6 - Biểu đồ so sánh moment và lực cắt trong nghiên cứu của Ali A.Almasmoun

Kết quả tương tự cũng được Kim H.S đưa ra trong nghiên cứu về “ Efficient

seismic analysis of high-rise buildings considering the basement “ [2] Sự ảnh hưởng

của sàn tầng hầm trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng động đất đã được Kim H.S

nghiên cứu bằng cách đưa ra 2 mô hình kết cấu (Sơ đồ kết cấu A: 1 hệ cột chịu lực và

Sơ đồ kết cấu B: 1 hệ cột cùng với lõi cứng chịu lực) và thay đổi số lượng tầng hầm trong 2 mô hình kết cấu đó từ không có tầng hầm đến 5 tầng hầm và cùng chịu tải trọng động đất Sau đó khảo sát sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm lên các ứng xử của kết cấu như: chuyển vị ngang tại các tầng, chu kỳ dao động tự nhiên, các kết quả phân tích của phổ phản ứng, ảnh hưởng đến moment uốn, lực cắt tại ngay cao trình nền Đồng thời ông cũng khảo sát thêm phần ứng xử của công trình khi chịu tải trọng động đất với việc xem sàn tầng hầm là cứng tuyệt đối hay có độ cứng hữu hạn là hợp lý và gần với ứng xử thực tế bằng cách dùng ma trận độ cứng thu gọn từ mô hình không gian 3 chiều

về mô hình trong mặt phẳng 2 chiều (Hình 1.7) và đưa ra kết quả so sánh như hình (Hình 1.8) Sau khi nghiên cứu tác giả đã đưa ra các kết luận như sau

1 Nếu đưa tầng hầm vào kết cấu để phân tích thì độ cứng theo phương ngang của kết cấu nhà cao tầng sẽ có ảnh hưởng đáng kể vào kết quả của chuyển vị ngang và chu

kỳ dao động tự nhiên của kết cấu

2 Tải trọng ngang không chỉ ảnh hưởng lên ứng xử của siêu kết cấu mà nó còn ảnh hưởng đến kết cấu tầng hầm.Vì vậy tải trọng ngang cũng như tải trọng đứng phải nên được xem xét trong phân tích và thiết kế kết cấu nhà cao tầng của tầng hầm

3 Lực cắt tầng trong tầng hầm có thể bị đánh giá vượt quá giá trị của nó nếu giả thuyết sàn tầng hầm là tuyệt đối cứng Vì vậy phương pháp phân tích ảnh hưởng được

đề xuất trong nghiên cứu này để phân tích kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng ngang như tải trong động đất bao gồm sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm

Nhưng tác giả chỉ khảo sát sự ảnh hưởng của tầng hầm nếu tăng số lượng tầng hầm theo phương đứng, còn khi mở rộng diện tích tầng hầm theo phương ngang sẽ ảnh hưởng đến ứng xử của công trình như thế nào, thêm nữa tác giả cũng chưa khảo sát độ cứng sàn của sàn tầng hầm khi chiều dày sàn tầng hầm thay đổi sẽ ảnh hưởng như thế nào đến ứng xử của công trình Đồng thời, điều kiện biên theo phương đứng của kết cấu tại chân công trình là liên kết ngàm, nghĩa là chưa kể đến tương tác giữa kết cấu và đất nền Sự tương tác này cũng ảnh hưởng rất lớn đến ứng xử của kết cấu bên trên cũng như sàn tầng hầm, đặc biệt là sàn tầng hầm cuối cùng Thêm vào đó sự tương tác giữa đất nền và tường vây cũng không được nhắc đến trong nghiên cứu này

Hình 1.7 - Thu gọn mô hình 3 chiều thành 2 chiều trong nghiên cứu của H.S Kim

Hình 1.8- So sánh sự phân bố lực cắt trong 3 mô hình giả thuyết của H.S Kim

Tường vây BTCT quanh tầng hầm cũng là 1 kết cấu hỗ trợ thêm để chống lại các lực ngang tác động cùng với hệ kết cấu chịu lực của thân công trình Lõi cứng BTCT của nhà cao tầng thường được hỗ trợ bởi các tấm sàn cứng liên kết với tường chắn BTCT quanh công trình Khi chịu tải trọng ngang, phần lớn moment gây lật được truyền đến tường chắn quanh công trình sàn bằng các ngẫu lực thông qua 2 hoặc nhiều

tấm sàn tầng hầm Trong nghiên cứu của Babak Rajaee Rad and Perry Adebar về

“Design of high – rise concrete walls: reverse shear due to diaphragms below flexural hinge” [3] đã đưa ra mô hình tính toán công trình lõi cứng chịu tải trong động

đất cũng xét đến sự ảnh hưởng của tường BTCT quanh công trình và sàn tầng hầm Ông đã xem độ cứng kết hợp của các tấm sàn tầng hầm và tường chắn BTCT quanh công trình như 1 lò xo đàn hồi tại các cao trình sàn tầng hầm (Hình 1.9c) Những lò xo

đàn hồi này sẽ giảm được sự chuyển vị ngang của lõi cứng và giảm được moment uốn lớn nhất truyền xuống móng của lõi cứng

Nếu những lò xo này đủ cứng thì moment lớn nhất sẽ xảy ra trong lõi cứng tại ở ngay trên cao trình sàn tầng hầm trên cao nhất và khớp dẻo sẽ hình thành ở đây (Hình 1.9c) do lực cắt đảo chiều trong tường lõi cứng ngay dưới cao trình sàn tầng hầm trên cao nhất Ngược lại nếu các lò xo này không đủ cứng hay nói cách khác sàn tầng hầm không đủ cứng (giả thuyết sàn bị nứt), khớp dẻo sẽ hình thành trong sàn tầng hầm tại vị trí liên kết giữa sàn và lõi cứng, điều này dẫn đến độ cứng theo phương ngang của công trình sẽ giảm, và moment uốn tại các lõi cứng sẽ lớn lên và moment này càng phát triển

về móng của công trình gây ra các moment lật lớn Nhưng nghiên cứu trên chủ yếu tập trung vào ứng xử phi tuyến của lõi cứng và đưa ra phương pháp thiết kế dựa trên phân tích phi tuyến cắt đối với lõi cứng sau khi lõi cứng hình thành khớp dẻo

Hình 1.9 - Mô hình nghiên cứu của Babak Rajaee Rad and Perry Adebar

1.5 – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Qua sự tìm hiểu 3 nghiên cứu của các nhà khoa học trên và sự làm việc của sàn tầng hầm trong nhà cao tầng, cho thấy sàn tầng hầm có vai trò rất quan trọng trong các ứng xử của công trình cao tầng như: độ trôi dạt tầng, chu kỳ dao động, lực cắt tầng, moment lật Tác giả đã hình thành ý tưởng cho luận văn, nhằm để nghiên cứu sự ảnh hưởng của tấm sàn tầng hầm với hy vọng rút ra được cái nhìn tổng quan từ nhiều phía, đồng thời nhấn mạnh được tầm quan trọng trong việc thiết kế sàn tầng đối với người thiết kế Từ đó định hướng cho công tác thiết kế sàn tầng hầm trong từng trường hợp mặt bằng cụ thể

* Nhiệm vụ luận văn

Luận văn gầm các nội dung cụ thể sau:

1 Trình bày sự làm việc của sàn tầng hầm và sự khác biệt trong ứng xử của nó với các sàn tầng trên ( như đã trình bày ở phần trên)

2 Nghiên cứu tương tác giữa cọc và đài cọc

3 Nghiên cứu tương tác giữa đất nền với kết cấu tường tầng hầm

4 Đưa ra mô hình tính toán cho 4 dạng kết cấu thường gặp ở Việt Nam: kết cấu khung, kết cấu khung lõi cứng, kết cấu vách cứng, và kết cấu khung bên dưới đỡ kết cấu vách bên trên Trong mô hình phân tích có kể đến các tương tác trên để mô phỏng gần đúng nhất có thể so với sự làm việc thực của công trình Mỗi mô hình được nghiên cứu với sự thay đổi độ cứng của sàn tầng hầm theo các 3 cách sau:

(1) Tất cả các kết cấu sẽ được nghiên cứu từ 1 tầng hầm đến 3 tầng hầm với 1 mặt bằng không đổi, để nghiên cứu sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm theo phương thẳng đứng và hiệu quả của việc tăng tầng hầm theo phương đứng

Hình 1.10 – Sơ đồ tầng hầm được mở rộng theo phương đứng

(2) Tất cả các kết cấu với 3 tầng hầm có sẵn sẽ được mở rộng theo phương ngang thêm nhịp về mỗi bên để nghiên cứu sự ảnh hưởng của sàn tầng hầm theo phương ngang và hiệu quả của việc mở rộng diện tích tầng hầm theo phương ngang

Hình 1.11 – Sơ đồ tầng hầm được mở rộng theo phương ngang

(3) Tất cả kết cấu với 3 tầng hầm có sẵn sẽ được thay đổi bề dày của tất cả các sàn tầng hầm, cùng với khảo sát ứng xử khi chỉ tăng chiều dày của sàn tầng hầm trên cùng, để khảo sát ảnh hưởng do độ cứng của sàn tầng hầm gây ra đối với các ứng xử của kết cấu

Từ các mô hình trên, tác giả khảo sát các thông số động học (chu kỳ dao động) cho công trình chịu tải trọng động đất khi thay đổi độ cứng của sàn tầng hầm

Phân tích ảnh hưởng độ cứng sàn tầng hầm lên các nội lực của cấu kiện của dầm, cột trong nhà cao tầng

Phân tích ứng suất của sàn tầng trệt tại các vị trí xung quanh cột và vách cứng, đồng thời so sánh với các sàn bên trên để thấy rõ mức độ quan trọng của sàn tầng hầm khi chịu tải trọng ngang và cần có sự quan tâm thiết kế đặc biệt đối với sàn tầng hầm

Nhận xét và kết luận kết quả nghiên cứu

* Phương pháp nghiên cứu

Đề tài luận căn này, tác giả dựa trên các cơ sở lý thuyết, sau đó tính toán và lựa chọn các thông số đầu vào chính xác để đưa vào mô hình trong phần mềm Sap 2000 v.14 để mô phỏng 1 cách gần đúng nhất kết cấu công trình so với thực tế , sau đó khảo sát và phân tích kết quả bằng các biểu đồ và đưa ra kết luận

CHƯƠNG 2 TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU - ĐẤT NỀN

2.2 – TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC, ĐÀI CỌC VÀ ĐẤT NỀN

2.2.1 – Phân tích các quan điểm thiết kế kết cấu hiện nay

Các quan điểm thiết kế hiện nay khi tính kết cấu công trình, phần lớn vẫn còn thực hiện tách rời các cấu kiện để tính riêng rẽ, như sàn tính riêng, khung tính riêng với giả thuyết chân cột ngàm tại mặt móng Sau khi phân tích kết cấu, người ta sẽ thu được nội lực tại chân cột Từ các nội lực này sẽ tính toán phần móng của công trình, như vậy phần móng công trình cũng được tính riêng Nhưng quan điểm tính toán này không phản ánh đúng sự làm việc thực tế của công trình

Nhiều nghiên cứu gần đây của các nhà nghiên cứu đối với việc mô hình công trình ngàm tại chân móng và mô hình có sự tương tác giữa đất nền và móng đã cho kết luận rằng : có sự sai khác về kết quả nội lực trong kết cấu giữa 2 mô hình trên

Ta có thể phân tích ra có các sai sót như sau:

1 Khi tính toán phần thân với điều kiện biên là ngàm tại mặt móng, đồng nghĩa với việc xem phần kết cấu bên dưới nền đất (bao gồm móng và đất nền là tuyệt đối cứng) và như vậy cả công trình không có chuyển vị đứng, nhưng sau đó lấy nội lực tại chân cột tính toán móng thì có công việc tính lún cho móng, có nghĩa là công trình có chuyển vị đứng Điều này trái với mô hình tính toán phần thân lúc đầu là không có chuyển vị đứng tại chân cột (do điều kiện biên là ngàm)

2 Quan điểm công trình ngàm tại mặt móng không phản ánh đúng sự làm việc thực tế của kết cấu, nhất là trong các bài toán động lực học Khi công trình chịu tải trọng động đất, đất nền sẽ dịch chuyển làm cho móng có chuyển vị theo phương ngang

và góc xoay Điều này trái với mô hình tính toán phần thân lúc đầu là không có chuyển

vị ngang và góc xoay tại chân cột (do điều kiện biên là ngàm)

Nhà khoa học Kleipikov đã kết luận cho ý nghĩa của phương pháp tính toán đồng thời giữa đất nền và kết cấu:

“ Việc bỏ qua ảnh hưởng của độ nén lún nền đất ( phương pháp tính riêng coi đất nền không biến dạng và ngàm ở chân cột) trong tính kết cấu công trình, sẽ dẫn đến những dự đoán sai lệch về ứng xử của kết cấu công trình”

Một quan điểm đúng đắn khi tính toán thiết kế công trình là phải xét sự làm việc đồng thời giữa kết cấu và đất nền Sự tương tác giữa móng và đất nền rất phức tạp và khó biểu diễn trong các mô hình tính toán và hiện nay vấn đề này vẫn đang được nghiên cứu (ta cũng có thể dùng các phần mềm lớn như ANSYS, ABAQUS để mô phỏng toàn bộ công trình và không gian nền đất bên dưới) Nhưng bằng nhiều cách ta

có thể thay đổi việc nghiên cứu một hệ gồm nhiều kết cấu và đất nền bằng việc tính toán một kết cấu tương đương, cho phép dùng phương pháp phân tích kết cấu quen thuộc Nói cách khác bằng cách mô phỏng gần đúng ta có thể chuyển việc tính toán hệ kết cấu và đất nền về bài toán đơn thuần tính kết cấu

Nói tóm lại việc biểu diễn sự tương tác của kết cấu công trình là cần thiết để thể hiện được sự làm việc gần với ứng xử thực tế của kết cấu

2.2.2 – Sự tương tác giữa cọc, đài cọc và đất nền

Đối với nhà cao tầng trên đất yếu thường áp dụng giải pháp móng cọc BTCT Vì móng cọc cho độ lún bé hơn nhiều so với các giải pháp móng và nền không có cọc Vì thế móng cọc là 1 giải pháp thường được lực chọn với những công trình cao tầng, có

độ lún không đều

Việc biểu diễn sự tương tác giữa cọc và đất nền là rất khó khăn và phức tạp, và hiện nay phương pháp PTHH là phương pháp chính xác nhất để mô phỏng sự tương tác

này Ngoài ra phương pháp được dùng nhiều nhất là mô phỏng nền đất bằng các lò xo đàn hồi Tuy nhiên phương pháp mô phỏng nền đất bằng các lò xo có nhược điểm là chỉ mô phỏng được đất làm việc đàn hồi chứ khó mô phỏng đất làm việc trong giai đoạn dẻo Bởi vì bản chất của đất nền là vật liệu đàn hồi – dẻo, có giai đoạn đàn hồi tuyến tính và một khoảng làm việc dẻo tương ứng với áp lực tới hạn qult tác dụng lên nền đất (hình 2.1)

Mặc dù vậy, mô hình này vẫn được sử dụng rộng rãi vì đơn giản và cho kết quả chấp nhận được trong giai đoạn đàn hồi

Hình 2.1 Biểu đồ tương quan giữa

áp lực và độ lún trong nền đất

Trong trường hợp tổng quát có thể mô phỏng cọc bằng phần tử thanh, đất nền bằng các phần tử lò xo đàn hồi theo phương đứng và phương ngang (có độ cứng bằng

hệ số nền tại độ sâu tương ứng) và phần tử đài cọc là phần tử solid, như hình(2.2)

Hình 2 2 - Mô hình tổng quát tương tác giữa cọc và đất nền bằng các lò xo

Giá trị độ cứng lò xo theo phương ngang lấy từ kết quả thí nghiệm, nếu không

có kết quả thí nghiệm thì có thể tính toán theo các công thức hệ số nền theo phương ngang hoặc các bảng tra lập sẵn có được từ kết quả thống kê các loại đất

Giá trị độ cứng của các lò xo đàn hồi theo phương đứng có thể lấy từ thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường Tuy nhiên độ lún đo được ở đầu cọc trong thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường bao gồm độ lún của nền đất dưới mũi cọc, xung quanh thân cọc, và

sự biến dạng dọc trục của vật liệu cọc, có nghĩa là chuyển vị này đã bao gồm cả 2 phần, biến dạng của nền đất và biến dạng của cọc Nếu như ta mô phỏng 1 cách tổng quát cả đoạn cọc có như phần trên thì độ cứng lò xo dưới mũi cọc phải trừ phần biến dạng của thân cọc, mà biến dạng này rất khó xác định do có sự cản trở biến dạng do lực

ma sát của đất nền xung quanh thân cọc

Ngay cả trong trường hợp cọc chống trên nền đá thì độ lún của cọc chỉ phụ thuộc vào biến dạng của vật liệu cọc và sức chống ma sát theo mặt hông của đất, do đó

mô phỏng theo trường hợp tổng quát cũng không phù hợp

Trong luận văn này, tác giả lựa chọn phương pháp khảo sát mô hình cọc bằng các lò xo đàn hồi để mô phòng sự tương tác giữa cọc và móng với đất nền để có thể mô hình vào trong chương trình Sap 2000, các đài cọc được mô phỏng bằng phần tử solid Với lý do như sau:

Hình 2.3 -

Mô hình cọc và đài cọc được sử dụng

trong luận văn

Với việc mô phỏng như trên thì vấn đề quan trọng là xác định độ cứng của các

lò xo đàn hồi theo phương đứng và phương ngang sao cho gần đúng nhất để thể hiện sự làm việc của đất nền và cọc

Theo nhiều nghiên cứu gần đây thì có thể xác định độ cứng của lò xo của các cọc đơn như sau:

Độ cứng của lò xo đàn hồi K theo phương đứng của cọc được xác định theo công thức

K = P/S

P : Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên cọc

S : độ lún của cọc dưới tải trọng này

Các giá trị này có thể lấy từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường, từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh ta sẽ có biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún S Trong trường hợp này độ cứng của lò xo của cọc là đàn hồi nên giá trị của lực P và S trên biểu

đồ nén lún chỉ lấy trong giai đoạn đàn hồi, độ dốc đoạn thẳng tuyến tính bậc nhấtchính là hệ số nền k theo phương đứng

Độ cứng lò xo của cọc theo phương ngang được xác định như sau:

Kh = H/∆

Ở đây , H tải trọng tập trung theo phương ngang ở đầu cọc

∆ - chuyển dịch ngang theo phương ngang của đầu cọc từ lực H

Sự phụ thuộc của chuyển dịch ngang vào tải trọng ngang có thể xác định từ kết quả thí nghiệm hiện trường

Khi không có số liệu thí nghiệm tại hiện trường, có thể sửng dụng phương pháp gần đúng sau đây để xác định

Chuyển vị ngang này có thể tính toán từ TCVN 205-1998 hoặc dùng phần mềm PLAXIS

2.2 – Tương tác giữa tường tầng hầm và đất nền xung quanh

Tường vây xung quanh tầng hầm được ban đầu được thiết kế với mục đích giữ vách hố đào sâu chịu áp lực ngang của đất nền xung quanh công trình nên thường rất cứng Việc mô phỏng mô hình tính của kết cấu tường vây trong thiết kế có nhiều phương pháp nhưng có 2 phương pháp được dùng phổ biến hiện nay

1 Phương pháp hệ số nền : xem tường chắn đất là dầm trên nền đàn hồi theo giả thuyết của Winkler – phản lực của đất ở bất cứ điểm nào của thân cọc đều tỉ lệ với chuyển vị của điểm ấy Và nền đất xung quanh được mô hình là những lò xo đàn hồi

2 Phương pháp phần tử hữu hạn : Dựa vào các chương trình tính toán chuyên ngành về nền đất ( như Plaxis hoặc Geo Slope…) để tính toán nội lực, chuyển vị của tường chắn và ứng xử của đất nền xung quanh

Trong nghiên cứu của luận văn này để mô phỏng tương tác giữa tường tầng hầm

và đất nền xung quanh, ta dùng lý thuyết mô hình nền Winkler : coi nền đất xung

quanh tường tầng hầm đàn hồi tuyến tính và mô phỏng bằng từng lò xo độc lập (không

kể đến giai đoạn dẻo của đất nền), và giữa các lò xo không có ảnh hưởng lẫn nhau

p = k(z) y Trong đó: lực chống hướng ngang của mặt bên tường chắn;

K(z) – hệ số nền thay đổi theo độ sâu

y – chuyển vị ngang ở độ sâu z

Một vấn đề nữa cần chú ý để mô phỏng chính xác các lò xo đàn hồi khi kết cấu tường vây chịu lực ngang: khi công trình chịu tải trọng động đất, lực ngang từ tường vây sẽ tác dụng vào đất nền xung quanh và đất nền sẽ phát sinh ứng suất nén còn phần đất nền phía đối diện thì không phát sinh ứng suất kéo Vì vậy tác giả mô hình các lò

xo đàn hồi này chỉ chịu nén để phù hợp với sự làm việc của đất nền xung quanh

Hình 2.4 - Mô hình tương tác giữa tường tầng hầm và đất nền xung quanh

2.2.1 Mô hình Winkler [15]:

Năm 1867, Winkler đã nêu ra giả thuyết là tại mỗi điểm của dầm trên nền đàn hồi, cường độ tải trọng r tỉ lệ bậc nhất với độ lún s của nền ( độ lún bằng độ võng của dầm, s = y) Như vậy ta có

Khi nền đất đồng nhất , tải trọng phân bố đều liên tục trên dầm Winkler sẽ lún đều và không bị uốn (hình 2.5), nhưng thực ra trong trường hợp nền đất đồng nhất, tính nén không thay đổi dọc chiều dài dầm, người ta thường quan sát thấy là ngay khi tải trọng phân bố đều liên tục trên dầm thì dầm vẫn võng ở giữa (hình 2.6) Sở dĩ như vây vì vùng đất ở giữa phải làm việc nhiều hơn do ảnh hưởng xung quanh nhiều hơn và lún nhiều hơn 2 đầu

Khi móng tuyệt đối cứng, tải trọng đặt đối xứng, móng sẽ lún đều,theo mô hình nền Winkler ứng suất tiếp xúc sẽ phân bố đều

Nhưng theo những kết quả thí nghiệm đo đạc cho thấy, dưới những tấm nén cứng, lún đều, ứng suất tiếp vẫn không phân bố đều, nó phân bố theo 1 đường cong lõm hoặc lồi tùy theo khoảng tác dụng của tải trọng

Một trường hợp nữa là khi dầm tách ra khỏi nền, khi đó theo giả thuyết Winkler ứng suất tiếp xúc phải có trị số âm ( nghĩa là ứng suất kéo) Nhưng thực ra giữa dầm và nên không thể có ứng suất kéo được

Một thiếu sót của mô hình nền Winkler là hệ số nền k là một thông số có tính quy ước , không có ý nghĩa vật lý rõ ràng Ngay đối với một loại đất, hệ số nền k cũng không phải là hằng số Nó biến đổi tùy thuộc vào hình dáng và kích thước đáy móng, phụ thuộc vào khoảng tác dụng v.v…

2.2.2 - Các mô hình hệ số nền theo phương ngang [4]

Hệ số nền theo phương ngang của đất (gọi tắt là hệ số nền), là chỉ tiêu phản ánh tính đàn hồi của nền đất, biểu thị cho lực phải tác động vào để sinh một đơn vị biến dạng cho 1 đơn vị diện tích đất trong giới hạn đàn hồi, độ lớn của nó có liên quan với loại đất nền, tính chất cơ lý của đất nền

Giá trị của hệ số nền có được xác định nhờ vào thí nghiệm Nhiều thí nghiệm đã cho thấy, độ lớn của hệ số nền không những phụ thuộc vào các đặt trưng cơ lý của đất nền mà còn biến đổi theo độ sâu Hiện nay có mấy loại sơ đồ khác nhau của quy luật phân bố của hệ số nền đang được áp dụng như trong hình 2.7

1 – Hệ số nền tăng theo tỉ lệ thuận với chiều sâu ( hình 2.7a):

ks = mZ Trong đó m là hệ số tỉ lệ, hệ số này có được từ thực đo theo thí nghiệm, khi không có số liệu thực đo, có thể lấy theo bảng tra quy trình đường bộ Trung Quốc [5]

2 – Giá trị hệ số nền được chia ra thành 2 vùng theo độ sâu (hình 2.7b) và lấy điểm không chuyển vị đầu tiên làm ranh giới phân vùng ( điểm B trên hình 2.7)

Z ≥ t : hệ số nền là hằng số

0 ≤ Z < t : sự biến đổi của hệ số nền là 1 đường cong theo độ sâu

3 - Hệ số nền tăng theo định luật parabol với độ sâu (hình 2.7c):

ks= c z0,5Trong đó: c là hệ số tỉ lệ, hệ số này có được từ thực đo theo thí nghiệm, khi không có

số liệu thực đo, có thể chọn theo bảng tra [5]

Hình 2.7 - Các mô hình tính toán hệ số nền theo phương ngang (kh)

2.2.3 - Phương pháp tính hệ số nền theo phương ngang[11]

Dạng tổng quát tính hệ số nền theo phương đứng và phương ngang theo công thức sau: