Nghiên cứu phương pháp cân bằng lực cắt đáy trong thiết kế công trình chịu tải trọng động đất

- NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG LỰC CẮT ĐÁY TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT.
- Cân bằng lực cắt đáy, công trình có tính đều đặn, động đất, phương pháp phổ phản ứng dạng dao động, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương.
- Việc đánh giá mức độ an toàn của các phương pháp tính lực động đất trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng chưa được đề cập trong tiêu chuẩn hiện hành TCVN 9386:2012 của Việt Nam (Viện KHCN Xây dựng, 2012) cũng như các nghiên cứu đã có trước đây.
- TCVN Viện KHCN Xây dựng, 2012) cũng chỉ đưa ra các trường hợp áp dụng cho các công trình có tính đều đặn và không đều đặn.
- Thông thường lực cắt đáy tính theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương sẽ có giá trị lớn hơn so với lực cắt đáy tính theo phương pháp phổ phản ứng dạng dao động.
- Do đó, việc đánh giá phương pháp nào mang lại hiệu quả và an toàn cho kết cấu cần được xem xét và làm rõ.
- Bài báo này nhằm đưa ra kiến nghị cho việc cân bằng lực cắt đáy công trình giữa hai phương pháp thực hành tính toán động đất là phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và phương pháp phổ phản ứng dạng dao động theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn ASCE 7- 10 (American Society of Civil Engineers, 2010) để mô phỏng chính xác hơn sự làm việc của kết cấu mà vẫn đảm bảo kết cấu làm việc an toàn và tiết kiệm vật liệu..
- Nghiên cứu phương pháp cân bằng lực cắt đáy trong thiết kế công trình chịu tải trọng động đất.
- Trong thực hành tính toán thiết kế kết cấu nhà cao tầng chịu động đất ở nước ta, các kỹ sư kết cấu dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam TCVN Viện KHCN Xây dựng, 2012) và một số kết quả nghiên cứu trước đây (David Key, 1997.
- Nguyễn Hoàng Anh và Nguyên Đại Minh, 2008) để phân tích tính toán lực động đất lên công trình.
- Theo đó, hai phương pháp thực hành được đề nghị sử dụng là phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và phương pháp phổ phản ứng dạng dao động.
- Tuy nhiên, việc đánh giá phương pháp nào mang lại sự an toàn cho kết cấu cũng như là tiết kiệm vật liệu cho công trình chưa được đề cập trong tiêu chuẩn và các nghiên cứu, do đó gây khó khăn cho các kỹ sư thiết kế kết cấu trong việc lựa chọn phương pháp tính và đánh giá mức độ an toàn mà phương pháp mình sử dụng khi thiết kế các công trình có xét tới tải trọng động đất..
- Một số nghiên cứu trước đây (David Key, 1997;.
- Nguyễn Hoàng Anh và Nguyên Đại Minh, 2008) chỉ dừng lại ở việc đề cập đến ứng xử của kết cấu với từng phương pháp trên..
- Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế công trình động đất BS EN 1998-1 (British Standard Institution, 2004) cũng chưa đưa ra đánh giá về việc áp dụng phương pháp nào là mang lại tính an toàn và hiệu quả..
- Vì vậy, nghiên cứu này sẽ tiến hành cân bằng lực cắt đáy công trình cao tầng dựa trên tham khảo chỉ dẫn của tiêu chuẩn ASCE 7-10 (American Society of Civil Engineers, 2010).Từ đó, nghiên cứu đưa ra kiến nghị cần cân bằng lực cắt đáy công trình dựa trên phần mềm phân tích tính toán kết cấu Etabs khi thiết kế các công trình có xét tới tải trọng động đất..
- 2.1 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương.
- Phương pháp phân tích này có thể áp dụng cho các công trình mà phản ứng của nó không chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng dao động bậc cao hơn dạng dao động cơ bản trong mỗi phương chính..
- Yêu cầu trên được xem là thỏa mãn nếu kết cấu nhà đáp ứng được cả hai điều kiện sau:.
- Có các chu kỳ dao động cơ bản T 1 theo hai hướng chính nhỏ hơn các giá trị sau:.
- Tất cả các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang như lõi, tường hoặc khung, phải liên tục từ móng tới mái của nhà hoặc tới đỉnh của vùng có giật cấp của nhà nếu có giật cấp tại các độ cao khác nhau..
- Theo mỗi phương nằm ngang được phân tích, lực cắt đáy động đất F b phải được xác định theo biểu thức sau:.
- S d (T 1 ) là tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T 1.
- Đối với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ thiết kế Sd(T) được xác định bằng các biểu thức sau:.
- F i là lực ngang tác dụng tại tầng thứ i;.
- F b là lực cắt đáy do động đất tính theo;.
- a g là gia tốc nền thiết kế trên nền loại A (a g = l..
- T B là giới hạn dưới của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc;.
- T C là giới hạn trên của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc;.
- T D là giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng;.
- S d (T) là phổ thiết kế;.
- là hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương nằm ngang.
- T 1 là chu kỳ dao động cơ bản của nhà do chuyển động ngang theo phương đang xét;.
- Chú thích: Hệ số  tính đến thực tế là trong các nhà có ít nhất 3 tầng và 3 bậc tự do theo mỗi phương nằm ngang, khối lượng hữu hiệu của dạng dao động cơ bản là trung bình nhỏ hơn 15 % so với tổng khối lượng nhà..
- Để xác định chu kỳ dao động cơ bản T 1 của nhà, có thể sử dụng các biểu thức của các phương pháp động lực học công trình (ví dụ: phương pháp Rayleigh)..
- Tác động động đất phải được xác định bằng cách đặt các lực ngang Fi vào tất cả các tầng ở hai mô hình phẳng m j trong dạng dao động cơ bản.
- m i , m j là khối lượng của các tầng tính..
- Khi dạng dao động cơ bản được lấy gần đúng bằng các chuyển vị nằm ngang tăng tuyến tính dọc theo chiều cao thì lực ngang F i tính bằng:.
- z j là độ cao của các khối lượng mi, mj so với điểm đặt tác động động đất (mặt móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới)..
- Lực nằm ngang Fi xác định theo điều này phải được phân bố cho hệ kết cấu chịu tải ngang với giả thiết sàn cứng trong mặt phẳng của chúng..
- 2.2 Phương pháp phổ phản ứng dạng dao động.
- Phương pháp phân tích này cần được áp dụng cho nhà không thỏa mãn những điều kiện khi ứng dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương..
- Phải xét tới phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của nhà, tức là thỏa mãn nếu đạt được một trong hai điều kiện sau:.
- Tổng các khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét chiếm ít nhất 90% tổng khối lượng của kết cấu;.
- Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5 % của tổng khối lượng đều được xét đến..
- Chú thích: Khối lượng hữu hiệu m k ứng với dạng dao động k, được xác định sao cho lực cắt đáy F bk , tác động theo phương tác động của lực động đất, có thể biểu thị dưới dạng F bk = S d (T k )m k .
- Có thể chứng minh rằng tổng các khối lượng hữu hiệu (đối với tất cả các dạng dao động và đối với một hướng cho trước) là bằng khối lượng kết cấu..
- 3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU.
- Theo khuyến nghị trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN Viện KHCN Xây dựng, 2012), khi thiết kế công trình cao tầng thì cần ưu tiên lựa chọn phương án kết cấu theo nguyên tắc “đều đặn, đối xứng (hoặc gần đối xứng) và siêu tĩnh”.
- Vì thế, trong phạm vi nghiên cứu này sẽ tiến hành lựa chọn 1 mô hình công trình cao tầng tuân theo nguyên tắc trên cho việc mô phỏng, phân tích và đưa ra các kết quả nghiên cứu..
- Mô hình công trình nghiên cứu là tòa nhà cao 18 tầng, mặt bằng tầng bố trí gần đối xứng và không đổi cho tất cả các tầng.
- hệ kết cấu theo phương đứng là khung giằng (khung kết hợp vách cứng chịu lực) có các tiết diện cấu kiện cột, dầm, sàn và vách không đổi suốt chiều cao công trình.
- hệ kết cấu khung giằng được ngàm cứng vào đài móng.
- Hệ kết cấu khung giằng thường được các kỹ sư thiết kế sử dụng cho các công trình cao dưới 40 tầng và cũng đươc khuyến nghị sử dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam.
- Như vậy, mô hình kết cấu nhà đảm bảo đều đặn, gần đối xứng và siêu tĩnh.
- Mô hình công trình đề tài nghiên cứu có các thông số như sau:.
- DL “Dead load”: Trọng lượng bản thân kết cấu ( Phần mềm tự tính toán)..
- EX: Động đất theo phương X “Xác định theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương”.
- EY: Động đất theo phương Y “Xác định theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương”.
- EX-SPEC: Động đất theo phương X “Xác định theo phương pháp phổ phản ứng dạng dao động”.
- EY SPEC: Động đất theo phương Y “Xác định theo phương pháp phổ phản ứng dạng dao động”.
- Hình 1: Mặt bằng kích thước công trình.
- Hình 2: Mô hình không gian kết cấu công trình trên Etabs 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
- 4.1 Kết quả phân tích khi chưa cân bằng lực cắt đáy.
- Độ lớn lực cắt đáy tính theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương từ đáy móng đến độ cao 2/3 chiều cao công trình có trị lớn hơn nhiều so với độ lớn lực cắt đáy theo phương pháp phổ phản ứng dạng dao động.
- Ngược lại độ lớn lực cắt đáy các tầng ở vị trí từ 2/3 chiều cao công trình đến mái theo phương pháp phổ phản ứng dạng dao động lại có xu.
- hướng lớn hơn so với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương..
- Việc lựa chọn phương pháp tính nào cho thiết kế động đất nhằm đảm bảo sự an toàn cho công trình cần được xem xét và cân nhắc.
- Mặt khác, chúng ta có thể cân bằng giá trị giữa hai phương pháp này để đề xuất một phương pháp khác thay thế, trong đó các giá trị thiên về trung bình mà vẫn đảm bảo an toàn cho kết cấu..
- Vì vậy, nghiên cứu này sẽ cân bằng lực cắt đáy công trình dựa trên kết quả lực tĩnh và động với tham chiếu là tiêu chuẩn ASCE 7-10 (American Society of Civil Engineers, 2010).
- Hình 3: Biểu đồ phân bố lực tầng theo phương X.
- Hình 4: Biểu đồ phân bố lực tầng theo phương Y 4.2 Phương pháp cân bằng lực cắt đáy.
- 4.2.1 Cơ sở lý thuyết để cân bằng lực cắt đáy công trình.
- Trong bài báo này dựa trên khuyến nghị trên, nhằm đảm bảo thiên về an toàn cho kết cấu khi có động đất xảy ra, nghiên cứu sẽ cân bằng lực cắt đáy theo phương pháp động bằng 95% lực cắt đáy theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương..
- 4.2.2 Phương thức cân bằng Sử dụng công thức cân bằng sau: g/RI Trong đó:.
- R: Hệ số cân bằng tham khảo UBC 97- Table16- N;.
- I: Hệ số tầm quan trọng công trình..
- Hình 5: khai báo hệ số Scale factor 4.3 Kết quả phân tích khi cân bằng lực cắt đáy.
- Độ lớn lực cắt đáy sau khi cân bằng (đường màu vàng) cho kết quả bao quát và thiên về an toàn khi sử dụng phương pháp phổ phản ứng dạng dao động từ 2/3 chiều cao công trình trở xuống.
- Đồng thời thiên về an toàn khi sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương cho 1/3 chiều cao công trình phía trên..
- Độ lớn lực cắt đáy sau khi cân bằng cho giá trị trung gian giữa 2 phương pháp ban đầu khi xét từ chân công trình tới độ cao 2/3 chiều cao của nó.
- khác, khi xét từ 1/3 chiều cao công trình trở lên thì độ lớn lực cắt đáy khi cân bằng lại lớn hơn cả 2 phương pháp ban đầu..
- Hình 6: Biểu đồ phân bố lực cắt tầng theo phương X.
- Hình 7: Biểu đồ phân bố lực cắt tầng theo phương Y 4.4 Kết quả phân tích chuyển vị Driff khi.
- cân bằng lực cắt đáy Nhận xét:.
- Chuyển vị lệch tầng driff đối với lực động đất sau khi cân bằng lực cắt đáy sẽ cho giá trị nhỏ hơn.
- so với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, do đó dễ thỏa mãn điều kiện về driff đối với nhà cao tầng (một trong những yếu tố quan trọng khi kiểm tra ổn định tổng thể công trình với nhà cao tầng)..
- Hình 8: Chuyển vị tầng Driff theo phương X.
- Hình 9: Chuyển vị tầng Driff theo phương Y 5 KẾT LUẬN.
- Qua kết quả phân tích cân bằng lực cắt đáy cho 2 phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và phổ phản ứng dạng dao động cho công trình cao tầng có tính đều đặn, gần đối xứng và siêu tĩnh, nghiên cứu có một số nhận xét và đề xuất sau:.
- Phân bố lực cắt đáy lên các tầng từ chân công trình đến 2/3 chiều cao công trình sau khi cân bằng sẽ cho giá trị nhỏ hơn so với khi tính toán theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và lớn hơn phương pháp phổ phản ứng dạng dao động.
- Điều đó làm thiết kế kết cấu theo phương pháp cân bằng mang lại tính an toàn và tiết kiệm hơn so với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương..
- Chuyển vị driff sinh ra sau khi cân bằng nhỏ hơn nhiều so với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và lớn hơn so với phương pháp phổ phản ứng dạng dao động.
- Điều đó giúp công trình dễ thỏa mãn hơn được các yêu cầu khắt khe về chuyển vị và chuyển vị lệch tầng qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng, từ đó, có thể tối ưu được tiết diện mà vẫn đảm bảo yêu cầu kết cấu công trình bền vững..
- Từ hai nhận xét trên, nghiên cứu kiến nghị cần phải cân bằng lực cắt đáy trong thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất đối với trường hợp công trình có dạng đều đặn, gần đối xứng và siêu tĩnh để tối ưu vật liệu và kinh tế.
- Mặt khác, cần có những nghiên cứu cụ thể cho các dạng công trình cao tầng khác (như bất đối xứng, không đều đặn.
- và tiến hành mô phỏng thực nghiệm tất cả các trường hợp để làm cơ sở cho việc tính toán thành phần động đất trong thiết kế nhà cao tầng..
- TCVN Thiết kế kết cấu công trình chịu động đất.
- Xác định tải trọng động đất tác dụng lên công trình theo TCXDVN 375:2006: Quy trình đơn giản..
- Thực hành thiết kế chống động đất cho công trình xây dựng.
- Động đất và thiết kế công trình chịu động đất