Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo Kết cấu Bê tông cốt thép
Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Chương 14: 14.1 Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT MƠ HÌNH CÁC PHẦN TỬ KHUNG BTCT 14.1.1 Giới thiệu Xem xét công trình mẫu theo trang 9-6 tài liệu ATC-40 ( ) Một thử thách phân tích thiết kế cơng trình hay kiểm định cơng trình cũ xây dựng mơ hình tốn cơng trình Những cần thiết phải kể đến mơ hình tốn cơng trình mơ tả trên? Bất phần tử nào, chịu lực (structural element) hay không chịu lực (nonstructural element), mà ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử cơng trình Những đại lượng ứng xử phải xem xét? Chuyển vị, Gia tốc, Nội lực, Những phần tử móng (foundation element) phải xem xét? Ngoại trừ hệ khung nhà đơn giản, thông thường việc phân tích dựa chương trình máy tính chun dụng SAP2000 Một số chương trình bao gồm SAP2000 trình diển trực tiếp ứng xử tải trọng-chuyển vị phi tuyến (nonlinear loaddeformation behavior) thành phần kết cấu riêng lẻ Phương pháp phân tích phi tuyến ngồi phạm vi trình bày giáo trình - CIE 525 khơng trình bày ACI 318 (tiêu chuẩn xây dựng dựa phương pháp phân tích thiết kế đàn hồi truyền thống) (1): ATC, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, Report ATC-40, Applied Technology Council, Redwood City, California, USA Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Các hệ khung BTCT bao gồm khung dầm-cột (beam-column frame), khung sàn-cột (slab-column frames), hay tổ hợp hai Khung sàn-cột gồm dầm chữ T (wide band beam), panel sàn nấm (drop panel), hệ sàn ô lưới (waffle-slab system) với panel đặc cột, mũ cột (column capital) Hệ khung hình vẽ trang trước bao gồm dầm lững bao quanh chu vi (perimeter spandrel beam) sàn phẳng bên Tùy thuộc vào cấu trúc hình học cơng trình, hệ khung sàn-cột cứng hệ khung dầm-cột 14.1.2 Hệ khung dầm-cột (Beam-Column Frame) Trong hệ khung dầm-cột, chiều dày sàn mỏng (< 10 cm), nên thường bỏ qua tham gia sàn Mục đích mơ hình hóa hệ khung nhằm xác định độ bền chịu lực, độ cứng khả biến dạng dầm, cột, mối nối, thành phần kết cấu quan trọng khác Các khung thường xem phần tử 2-D mơ hình 3-D Trong ATC-40 tài liệu khác, khung dầm-cột định nghĩa phần tử cơng trình Các thành phần khung dầm, cột, mối nối làm thành phần tử Sự kết hợp phần tử làm thành cơng trình hình vẽ minh hoạ đây: Dầm cột khung nên mơ hình xét đến hai độ cứng chống uốn (flexural rigidity = E c A g ; = 0,5-1) độ cứng chống cắt (shear rigidity = G c A w ) độ cứng chống cắt bỏ qua nhiều trường hợp tính tốn Mối nối dầm-cột kiểu ngàm cứng (rigid beam-column connection) thường giả thiết tính tốn, ngoại trừ trường hợp mối nối khơng đủ cứng phép tăng cường khả chịu lực thành phần kết cấu mối nối Điều có nghĩa gì? Thường dùng phần tử dạng đường thẳng (line element) tương ứng với độ cứng (stiffness) tập trung đường trục chúng Phải mơ hình đường trục dầm cột không trùng ? Làm giảm khả chịu tải độ cứng hiệu kết cấu Mơ hình trực tiếp lệch tâm Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Các sàn (slab) nên mơ khung dầm-cột? Ảnh hưởng sàn ứng xử khung dầm-cột? Sàn làm việc màng (diaphragm) nối khung kề tầng sàn Sàn làm việc phức hợp cánh dầm (beam flange) chịu kéo/nén Các thơng tin trình bày dùng để mơ hình khung dầm-cột phân tích tuyến tính (linear analysis) Ngày nay, phương pháp phân tích phi tuyến (nonlinear analysis) phát triển xác định ứng xử sau chảy dẻo (post-yielding response) thành phần kết cấu khung BTCT Các mơ hình dầm, cột, mối nối phân tích phi tuyến phải mơ tả ứng xử chúng từ không biến dạng đến biến dạng lớn Thông số giới hạn cường độ, độ cứng biến dạng mơ hình trình bày sau (xem Phần 14.2) Trong phân tích đàn hồi tuyến tính khung dầm-cột, thành phần kết cấu mơ phần tử đường thẳng nối hai nút (node) mối nối khung-dầm Trong phân tích phi tuyến, có nhiều việc phải làm Phần 9.4.2.1.2 ATC-40 ( ) cung cấp thông tin bổ sung việc cần làm phân tích phi tuyến Các mơ hình phi tuyến theo lý thuyết phải mô tả tất kiểu đáp ứng khơng đàn hồi (do uốn, cắt, nối ghép, tải dọc trục) Phải xác định trước tất vị trí khơng đàn hồi dầm cột chuẩn bị trước mơ hình thích hợp Ví dụ xem dầm chịu tải trọng đứng ngang hình vẽ sau Trong phân tích đàn hồi tuyến tính , hai nút điển hình tiêu biểu cho dầm là: nút đầu dầm Trong phân tích phi tuyến, khớp dẻo (vùng ứng xử khơng đàn hồi) hình thành đầu dầm hay nơi nhịp dầm Vị trí nơi phải xác định bao hàm mơ hình toán (2): ATC, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, Report ATC-40, Applied Technology Council, Redwood City, California, USA Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace khớp dẻo đầu dầm phân tích đàn hồi khớp dẻo nơi phân tích phi tuyến 14.1.3 Hệ khung sàn-cột (Slab-Column Frame) Trong hệ khung sàn-cột, chiều dày sàn lớn (> 15 cm), nên phải xét đến tham gia sàn Ở giáo trình (CIE 525), khung sàn-cột nhấn mạnh so với khung dầmcột, nguyên có nhà thiết kế chun nghiệp hiểu biết thấu đáo ứng xử nội lực-biến dạng hệ khung sàn-cột Thiết kế thực hành nhiều năm qua, khu vực có nguy động đất lớn, bỏ qua đóng góp khung sàn-cột vào cường độ chịu tải ngang (lateral strength) độ cứng ngang (lateral stiffness) toàn hệ thống khung chịu lực Lý để an toàn thiết kế dựa nội lực (force-based design)? Phương pháp thực hành khơng thích hợp cho thiết kế dựa chuyển vị (performance-based design) cho kiểm định động đất (seismic evaluation) lý do: Các khung sàn-cột có đóng góp đáng kể vào cường độ chịu lực độ cứng Sự hư hỏng khung sàn-cột phải xem xét kiểm định ứng xử cơng trình (performance evaluation) Xét khung sàn-cột hai tầng hình vẽ trang sau Chia cắt hệ khung để phân tích? Độ cứng sàn đóng vai trị khơng phân phối lực khung? Sàn mềm (flexible diaphragm): phần tử đứng (vertical element) có độ cứng ngang lớn phần tử nẳm ngang (horizontal element) tương đối mềm (sàn gỗ, kim loại, sàn BTCT đúc sẳn mỏng, hay nhịp lớn), không bắt buộc tương thích chuyển vị (displacement compatibility), chuyển vị khung khơng phụ thuộc Tải trọng ngang phân phối theo bề rộng hứng tải khung Sàn cứng (rigid diaphragm): thường xảy trường hợp hệ sàn BTCT đổ chổ, bắt buộc có tương thích chuyển vị khung, chuyển vị khung ảnh hưởng lẫn nhau) Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace + + + + Nếu sàn cứng, khung sàn-cột mơ hình vẽ (khung + Short Stiff + khung + Short Stiff + khung + ) Một mơ áp dụng cho khung dầm-cột: Tồn tải trọng ngang Khung Khung … Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Ba nhóm phương pháp chấp nhận để mơ hình khung sàn-cột mơ tả sơ đồ đây: Mơ hình dầm tương đương (Equivalent beam width model): cột sàn mô tả phần tử khung (frame element) nối cứng với nút khung Mơ hình khung tương đương (Equivalent frame model): cột sàn mô tả phần tử khung (frame element) lò so liên kết (connection spring) nối với nút khung Mơ hình phần tử hữu hạn (Finite element mode): cột mô tả phần tử khung (frame element) sàn phần tử chịu uốn (plate-bending element), phải ý bị lệ thuộc vào bậc tự nút khung Nhiều nghiên cứu trước độ cứng hệ khung-sàn tập trung vào tải trọng ngang mức độ hoạt động bình thường (thường tải trọng gió) mà tạo ứng xử đàn hồi Nhiều nghiên cứu trước bỏ qua ảnh hưởng tải trọng đứng lên độ cứng ngang hệ sàn Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT 14.2 Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace ĐỘ CỨNG CÁC THÀNH PHẦN CỦA KHUNG NHÀ BTCT Để phát triển mơ hình tốn (sơ đồ tính tốn), kỹ sư thiết kế phải xác định độ cứng thành phần hệ khung nhà Khi tính động đất, tiết diện thành phần BTCT khơng giảm yếu (khơng nứt) tính độ cứng EJ thiên lớn chu kỳ dao động T thiên nhỏ giá trị lực đáy móng F b thiên lớn chuyển vị ngang tầng sàn thiên nhỏ ATC-40 cung cấp chọn lựa giá trị độ cứng có xét đến nứt bê tơng có động đất cho thành phần kết cấu phân tích đàn hồi khung nhà bảng sau: Ví dụ: Xét dầm chữ T khơng ứng suất trước có kích thước hình vẽ đây: b1 h1 H1 N.A H2 h2 b2 - Độ cứng chống uốn (flexural rigidity) 0.5E c I g 0.5E c (2 I w ) E c ( - Độ cứng chống cắt (shear rigidity) 0.4E c A w 0.4E c (b h ) b2h3 12 ) - Độ cứng dọc trục (axial rigidity) E c A g E c (b1h1 b h ) Khi độ cứng xác định xong, mơ hình hệ khung BTCT xây dựng nào? Theo kích thước trục thành phần? Các điểm đầu phần tử (zero-end offsets) bắt đầu mối nối dầm(sàn)-cột ? Dùng mơ hình 2D hay mơ hình 3D? Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT 14.3 Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace THỰC HÀNH PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Các tiêu chuẩn thiết kế chống động đất hành Mỹ: - Uniform Building Code (UBC 1997) - International Building Code (IBC 2003) - Tiêu chuẩn ASCE 7-02 - Tiêu chuẩn bê tông ACI 318-05 Tiêu chuẩn thiết kế chống động đất hành châu Âu: Eurocode (Design of structures for earthquake resistance) Tiêu chuẩn thiết kế chống động đất Việt nam: TCXDVN 375-2006 (Thiết kế cơng trình chịu động đất) Các phá hoại chủ yếu tác động lực động đất lên hệ khung BTCT: - Phá hoại nút khung dầm-cột - Phá hoại nén vỡ bê tông cột (do bê tông chống nở ngang - badly confined) - Phá hoại cắt cột - Phá hoại yếu liên kết neo cốt thép chịu uốn dầm cột Những vấn đề quan trọng thiết kế kết cấu khung BTCT chống động đất: Tất phần tử khung (cột, dầm, nút) phải thiết kế cấu tạo cốt thép cho chúng kháng chấn theo kiểu ứng xử dẻo Phần tử khơng thể ứng xử dẻo phải thiết kế cho ứng xử đàn hồi có động đất xảy Phải tránh kiểu phá hoại không dẻo phá hoại cắt (shear failure) hay phá hoại yếu liên kết neo (bond failure) Do mối nối liên kết neo thép khơng bố trí vùng bê tơng có ứng suất cao, đồng thời cần cung cấp cường độ kháng cắt cao cho phần tử khung BTCT chống động đất nghĩa phải tăng cường thép đai chống cắt Các phần tử cứng (rigid element) phải nối với hệ khung BTCT theo kiểu mối nối dẻo (ductile fixing) hay mối nối linh động (flexible fixing) Nên thiết kế cấu tạo hệ khung BTCT có bậc siêu tĩnh cao để có nhiều khớp dẻo hấp thụ lượng động đất tốt trước cấu phá hủy (failure mechanism) hệ khung xảy Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 14.3.1 Nguyên tắc tính tốn phương pháp tuyến tính tĩnh (LSP) theo UBC-94 Các bước phân tích động đất khung nhà BTCT theo phương pháp tuyến tính tĩnh UBC-94 (Uniform Building Code phát triển Structural Engineers Association of California - SEAOC) liệt kê sau: Dùng phương pháp tính tay, thiết lập kích thước sơ dầm cột; tính tốn tải trọng đứng W i (tĩnh tải + hoạt tải) tác dụng tầng sàn Phát triển mơ hình tính tốn khung nhà sử dụng kích thước bước Phân tích mơ hình bước để tìm tần số riêng mode dao động riêng, tính dao động riêng theo phương pháp PTHH hay công thức kinh nghiệm (14-3) mode mode mode Tính lực cắt đáy móng thiết kế (V base ) cách dùng chu kỳ riêng thứ (T) tính từ bước sau: Vbase ZIC W R (14-1) Trong đó: n W - tồn tải trọng đứng tác dụng lên cơng trình: W Wi i 1 Z - hệ số khu vực động đất Mỹ: Vùng Đ.Đất Tính chất Hệ số ĐĐ Z = khu vực khu vực khu vực khu vực ĐĐ yếu ĐĐ vừa ĐĐ mạnh ĐĐ mạnh 0.075 0.15 0.2 0.3 0.4 I - hệ số cơng trình: I = 1,0 (bình thường) I = 1,25 (quan trọng) C - hệ số vận tốc động đất: C 1.25 S 2.75 T2 / S - hệ số phụ thuộc loại đất cơng trình: S = 1,0 (nền đá) S = 1,2 S = 1,5 S = 2,0 (nền sét mềm) Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT (14-2) Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace T - chu kỳ riêng thứ dao động cơng trình: T C t H / (14-3) C t = 0,03 (hệ khung BTCT thông thường); C t = 0,02 (hệ khung có vách BTCT) n H - chiều cao cơng trình (tính feet): H h i (h i - chiều cao tầng thứ i) i 1 R - hệ số giảm cường độ lực cắt đáy móng: Phân loại hệ khung chịu lực BTCT Vùng động đất R Khung BTCT thông thường (OMRF) vùng (ĐĐ yếu 1) 3,0 Khung BTCT dẻo vừa (IMRF) vùng (ĐĐ vừa 2) 5,0 Khung BTCT dẻo cao (SMRF) vùng 3-4 (ĐĐ mạnh 3) 8,0 Theo FEMA 356, phổ đàn hồi (phần 13.3.3 chương 13) thỏa mản hai điều kiện: (1) S e (T = T B ) < 0,167g S e (T = 1s) < 0,067g động đất yếu (2) 0,167g < S e (T = T B ) < 0,5g 0,067g < S e (T = 1s) < 0,2g động đất vừa (3) S e (T = T B ) > 0,5g S e (T = 1s) > 0,2g động đất mạnh GHI CHÚ Moment frame (MF) - Khung chịu mômen+lực dọc+lực cắt, phân làm loại: Ordinary moment reinforced frame (OMRF) - Khung BTCT thông thường đúc sẳn hay đổ chổ, thoả mản ACI 318 từ Chương đến 18, áp dụng thích hợp cho động đất yếu (vùng 1) Intermediate moment reinforced frame (IMRF) - Khung BTCT dẻo vừa đổ chổ, thoả mản từ Chương đến Chương 18, điều khoản 21.2.2.3 21.12, áp dụng thích hợp cho động đất vừa (vùng 2) Special moment reinforced frame (SMRF) - Khung BTCT dẻo cao thoả mản từ Chương đến Chương 18 ACI 318, thêm điều khoản từ 21.1 đến 21.5 đổ chổ; thêm điều khoản từ 21.1 đến 21.6 đúc sẳn, áp dụng thích hợp cho động đất mạnh (vùng 3-4) Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Phân phối lực cắt đáy móng toàn chiều cao nhà theo sơ đồ sau đây: w4 Ft F4 w3 w2 F3 tầng thứ F2 h4 h3 H h2 w1 Z2 F1 h1 V base n Vbase Ft Fi (14-4) i 1 Trong đó: 0.07TVbase 0.25Vbase T 0.7s F t - lực tập trung đĩnh: Ft (14-5) T 0.7s 0 F i - lực tập trung tầng thứ i: Fi (Vbase Ft )Wi Zi n W Z j1 j Z i , Z j - cao độ tính từ mặt đất đến tầng thứ i, j W i , W j - tải trọng đứng tầng thứ i, j Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT j (14-6) Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Xác lập tổ hợp tải trọng khung nhà gồm tải trọng ngang F i tải trọng đứng W i (có nhân hệ số tải trọng), tính nội lực thiết kế (M, Q, N) tất thành phần kết cấu phương pháp học kết cấu (dùng SAP2000, FEAP, ) Fi Wi Ví dụ theo ACI 318-05, cần xét bảy tổ hợp tải trọng sau đây: U - tải trọng tính tốn (có HS vượt tải) D - tĩnh tải L - hoạt tải F - tải trọng chất lỏng bể chứa T - tải trọng nhiệt độ, co ngót H - áp lực ngang đất, nước ngầm L r - hoạt tải mái S - hoạt tải tuyết rơi R - hoạt tải nước mưa W - hoạt tải gió E - tải trọng động đất Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Kiểm tra độ trôi dạt (drift), M , chuyển vị max không đàn hồi, D M , khung, tính D M cách nhân chuyển vị đàn hồi (elastic displacement), D s , với hệ số khuyếch đại chuyển vị (displacement amplification factor), C d = 0,7R : 0,025h s M 0,7 R (D s , i Ds , i 1 ) 0,020 h s T 0,7s (14-7) T 0,7s Nếu khung “mềm” khơng thoả (14-7), chọn lại kích thước khung lập lại từ bước Fi D s,4 Wi D s,3 D s,2 h s4 h s3 h s2 D s,1 h s1 Dùng nội lực bước 6, thiết kế bố trí thép thành phần dầm, cột theo ACI 318 Ghi chú: Phương pháp tuyến tính tĩnh theo UBC-94 áp dụng cho hệ khung BTCT hệ khung/vách BTCT khu vực động đất yếu vừa (vùng 1-2 theo tiêu chuẩn Mỹ) cho cơng trình có chiều cao trung bình (H < 70m) Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 14.3.2 Ví dụ tính tốn theo phương pháp tuyến tính tĩnh (LSP) theo UBC-94 Phân phối lực cắt đáy móng động đất lên toàn chiều cao H = 14.4 m khung ngang cơng trình (4 tầng, nhịp), giả thuyết động đất yếu (Z = 0.075), hệ số đất S = 2.0 (nền sét mềm) kN/m2 kN/m2 kN/m2 3.6 m kN/m2 7.5 m 3.6 m 3.6 m 30 m 3.6 m 15 m 15 m Tải trọng đứng (tĩnh tải + hoạt tải) tác dụng tầng sàn: W i = 15m 30m kN/m2 = 2250 kN ( i = ) Tổng tải trọng đứng tác dụng lên công trình: W Wi 2250 = 9000 kN i 1 Cơng thức tính lực cắt đáy móng theo tiêu chuẩn UBC-94: Vbase ZIC W R Trong chọn: Z = 0.075 (vùng động đất yếu) I = 1.0 (cơng trình khơng quan trọng) R = 3.0 (khung BTCT thông thường) 3/ 14.4 T Ct H 0.03 = 0.55 s 0.3 1.25 1.25 C S 2.0 3.72 > 2.75 chọn: C = 2.75 2/3 T (0.55) / 3/ Vbase 0.075 1.0 2.75 9000 = 620 kN 3.0 Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace Phân phối lực cắt đáy móng tồn chiều cao khung nhà: Vbase Ft Fi i 1 Trong đó: F t - lực tập trung đĩnh: F t = (do T = 0.55 s < 0,7 s) F i - lực tập trung tầng thứ i: Fi (Vbase Ft )Wi H i WjH j j1 F1 (620 0) 2250 3.6 = 62 kN 2250 (3.6 7.2 10.8 14.4) F2 (620 0) 2250 7.2 = 124 kN 2250 (3.6 7.2 10.8 14.4) F3 (620 0) 2250 10.8 = 186 kN 2250 (3.6 7.2 10.8 14.4) F4 (620 0) 2250 14.4 = 248 kN 2250 (3.6 7.2 10.8 14.4) 248 kN 3.6 m 186 kN 3.6 m 124 kN 3.6 m 62 kN 3.6 m 620 kN Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace 14.3.3 Nguyên tắc tính toán phương pháp lực ngang tương đương (TCXDVN 356-2006) Các bước phân tích động đất khung nhà BTCT theo phương pháp tính lực ngang tương đương (TCXDVN 356-2006) liệt kê sau: Dùng phương pháp tính tay, thiết lập kích thước sơ dầm cột; tính tải trọng đứng m i (tĩnh tải+hoạt tải) tầng sàn (xem phần 13.5.1 chương 13): m i G k ,i E ,i Q k ,i (14-8) Phát triển mơ hình tính tốn khung nhà sử dụng kích thước bước Phân tích mơ hình bước để tìm tần số riêng mode dao động riêng, tính dao động riêng theo phương pháp PTHH hay công thức kinh nghiệm (14-3) s 3,2 s 3,1 s 2,1 s 3,3 s 2,3 s 2,2 s 1,1 s 1,2 mode s 1,3 mode mode Tham khảo phần 13.5.1 chương 13 giáo trình để tính lực cắt đáy móng thiết kế (F b ) cách dùng chu kỳ riêng thứ (T ) tính từ bước sau: Fb Sd (T1 , )M (14-9) đó: S d (T , ) Tung độ phổ thiết kế chu kỳ T ; T Chu kỳ dao động chuyển động ngang theo phương xét; Hệ số hiệu chỉnh; = 0,85 T 2T C với nhà > tầng; = 1,0 với TH khác M Tổng tải trọng đứng tác dụng lên cơng trình: M mi n i 1 Phân phối lực cắt đáy móng tồn chiều cao nhà (theo 13.5.1 chương 13): Fi si mi n s jm j Fb (14-10) hay Fi j 1 Zi m i n Z jm j Fb (14-11) j 1 đó: Fi Lực ngang tác dụng tầng thứ i si , sj Chuyển vị khối lượng m i , m j dạng dao động (mode 1) Z i , Z j Cao độ tính từ mặt đất đến tầng thứ i, j Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace m4 F4 chuyển vị mode s j (Z j ) F3 m3 m2 tầng thứ F2 h4 h3 H m1 h2 F1 Z2 h1 Fb Thiết lập tổ hợp tải trọng đặc biệt khung nhà, bao gồm tải trọng ngang động đất F i tổ hợp tải trọng đứng M j , để tính tóan nội lực thiết kế (M, Q, N) tất thành phần kết cấu khung phương pháp học kết cấu thông thường (SAP2000, FEAP, ) Fi Mj Ví dụ theo TCXDVN 375-2006, cần xét tổ hợp đặc biệt sau đây: n n i 1 j 1 THDB Fi M j (14-12) F i - lực ngang phân theo tầng thứ i tác động động đất M j - tải trọng đứng phân theo tầng thứ j, tính bằng: M j G k , j 2, jQ k , j (14-13) G k,j , Q k,j - tĩnh tải họat tải tính tốn tầng thứ j 2,j - hệ số tổ hợp tải trọng họat tải tầng thứ j (tham khảo 13.5.1, chương 13) Dùng nội lực (M, Q, N) tính bước 6, thiết kế bố trí cốt thép (tùy thuộc vào giá trị q sử dụng) thành phần dầm, cột theo TCXDVN 375-2006 Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT 14.4 Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace THIẾT KẾ & BỐ TRÍ CỐT THÉP DẦM KHUNG BTCT (ACI 318-05) Phần giới hạn cho thiết kế bố trí thép dầm chữ nhật hệ khung BTCT đổ chỗ theo tiêu chuẩn ACI 318-05 thỏa mản điều kiện sau: - Chỉ áp dụng cho dầm khung BTCT thông thường (OMRF) hay dẻo vừa (IMRF) - Không áp dụng cho dầm khung BTCT dẻo cao (SMRF) Tổng quát DẦM THÔNG THƯỜNG (OMRF) DẦM DẺO VỪA (IMRF) Không yêu cầu lực dọc tính tốn u cầu lực dọc tính tốn dầm dầm thông thường dẻo vừa : P u A g f’ c / 10 (21.12.2) Hàm lượng thép dọc chịu kéo tối thiểu: tuân thủ điều khoản 10.5 As, f 'c 200 b w d ; As, bwd fy fy (10.5.1) Biến dạng kéo t tuân thủ điều khoản 10.3.5 - t thép dọc ngồi tính M n : t 0.004 Yêu cầu khả chịu uốn - cu bê tơng ngồi tính M n : cu 0.003 Yêu cầu tổng thể kết cấu: - tuân thủ điều khoản 7.13 - tối thiểu có cốt thép liên tục nối vào gối mặt dầm chịu mômen dương (M+ n ) - dầm thông thường không yêu cầu - dầm dẻo vừa tuân thủ 21.12.4.1 M n,l M , l n M , r n M , l n M n,r M n,r (M or M ) (max M n at either jo int) n n Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT DẦM THÔNG THƯỜNG (OMRF) - dầm thông thường yêu cầu: Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace DẦM DẺO VỪA (IMRF) - dầm dẻo vừa tuân thủ 21.12.4.2 s (d/2 ; 24 in.) s (d/4 ; 8d bmin(long bar) ; 24d b(hoop bar) ; 12 in.) ' (Vu - Vc ) 4 f c b w d Yêu cầu thép chống cắt ' (Vu - Vc ) 4 f c b w d s (d/4 ; 12 in.) loại A, B, C bố trí vùng 2h từ gối tựa - dầm dẻo vừa tuân thủ 21.12.4.3 s (d/2 ; 24 in.) vùng cịn lại Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace - dầm thông thường cần tuân thủ điều khoản 11.5 để chống cắt, điều khoản 11.6 để chống xoắn - dầm dẻo vừa tuân thủ thêm điều 21.12.3 để chống lực cắt (V u ) tải trọng động đất: V u = max (V u1 , V u2 ) V u1 - lực cắt lớn dầm tính từ tổ wu hợp tải trọng ACI 318-05: - tập trung hay phân bố + + - - 2E w u ln M nl M nr M nl M nr 2E Vu Ve Ve max ln ; ln Ví dụ dầm chữ nhật cốt đơn chịu kéo: M nl = A sl f y (d-a l /2) ; M nr = A sr f y (d-a r /2) a l = A sl f y /(0.85f’ c b) ; a r = A sr f y /(0.85f’ c b) A sl - thép gối trái chịu mômen âm (dương) A sr - thép gối phải chịu mômen dương (âm) V u2 - lực cắt lớn dầm tính theo cơng thức: V u = V e + w u l n / với: V e = (M nl + M nr ) / l n max và: w u = 1.2D + 1.0L + 0.2S L 100 psf hay: w u = 1.2D + 0.5L + 0.2S L 100 psf thép đai chịu cắt (A v ) , bước đai (s) : V (Vu / Vc) f 'c bwd s s Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Avfyd V s (=0.75) Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT 14.5 Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace THIẾT KẾ & BỐ TRÍ CỐT THÉP CỘT KHUNG BTCT (ACI 318-05) Phần giới hạn cho thiết kế bố trí thép cột chữ nhật hệ khung BTCT đổ chỗ theo tiêu chuẩn ACI 318-05 thỏa mản điều kiện sau: - Chỉ áp dụng cho cột khung BTCT thông thường (OMRF) hay dẻo vừa (IMRF) - Không áp dụng cho cột khung BTCT dẻo cao (SMRF) Tổng quát CỘT DẺO VỪA (IMRF) Khơng u cầu lực dọc tính tốn u cầu lực dọc tính tốn cột cột thông thường dẻo vừa: P u > A g f’ c / 10 (21.12.2) Tỷ số g CỘT THÔNG THƯỜNG (OMRF) Hàm lượng thép ( g ) phải thỏa mản điều kiện (10.9) g = A st / A g - Thép đai kín (d bh ) phải thoả mản (11.1) d bh ( )" V n = (V c + V s ) V u - Khoảng cách thép dọc (d b ) cột thỏa mản x 6” db x 6” điều kiện (7.10.5.3): x in 16 d b , ( long bar ) 48 d b , ( hoop bar ) s 1 min( h , h ) 2 24 " Bước đai (s) cột thông thường Yêu cầu thép đai chống cắt phải thỏa (7.10.5) (11.5.5) Bước đai (s) vùng l o cột dẻo vừa phải thỏa mản điều khoản (7.10.5) (11.5.5) lo Bước đai (s o ) vùng l o bước đai s o (hai đầu cột) cột dẻo vừa tiết diện chữ nhật (h h ) phải s o /2 lo so thỏa mản điều khoản (21.12.5.2) d b , ( long bar ) 24 d b , ( hoop bar ) so min( h , h ) 2 12 " Ln s max( h1 , h ) 1 lo L n 6 18" Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT bước đai s Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT CỘT THÔNG THƯỜNG (OMRF) Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace CỘT DẺO VỪA (IMRF) Cột thông thường tuân thủ điều Cột dẻo vừa tuân thủ điều 21.12.3 để 11.5.4 11.5.6 chống lực cắt (V u ) chống lực cắt (V u ) tải trọng động đất: V (Vu / V ) s c (= 0.75) Thép đai chịu cắt (A v ) , bước đai (s): Yêu cầu thép đai chống cắt (cont) 0 V u1 - lực cắt lớn cột tính tổ hợp tải trọng ACI 318-05: Avf yd Vs d min( ;24") 4 s Vs f 'c bwd 4 V u = max (V u1 , V u2 ) A f d Vs d s v y min( ;12" ) Vs f 'c bwd 2E 2E V u2 - lực cắt lớn cột tính theo công thức: V u = (M nt + M nb ) / l u M nt - cường độ mômen lớn mặt cột dựa theo vùng tác dụng lực dọc trục (P u ) tổ hợp tải trọng gây Pn M nb - cường độ mômen lớn mặt cột dựa theo vùng tác dụng lực dọc trục (P u ) tổ hợp tải trọng gây vùng P u Mn = Mmax thép đai chịu cắt (A v ) , bước đai (s) : Mn Mmax V (Vu / Vc) f 'c bwd s s Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Avfyd V s (=0.75) Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace l in l Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT Cao học: Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Mơn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT 14.6 Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh Tham khảo: A Whittaker + J.W Wallace ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BTCT No seismic seismic shear force 6d b in R Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT R ... kết cấu phương pháp học kết cấu (dùng SAP2000, FEAP, ) Fi Wi Ví dụ theo ACI 31 8-0 5, cần xét bảy tổ hợp tải trọng sau đây: U - tải trọng tính tốn (có HS vượt tải) D - tĩnh tải L - hoạt tải F -. .. bể chứa T - tải trọng nhiệt độ, co ngót H - áp lực ngang đất, nước ngầm L r - hoạt tải mái S - hoạt tải tuyết rơi R - hoạt tải nước mưa W - hoạt tải gió E - tải trọng động đất Chương 14: PHÂN... chịu uốn - cu bê tơng ngồi tính M n : cu 0.003 Yêu cầu tổng thể kết cấu: - tuân thủ điều khoản 7.13 - tối thiểu có cốt thép liên tục nối vào gối mặt dầm chịu mômen dương (M+ n ) - dầm thông