Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu này tập trung làm rõ giá trị hệ số ứng xử q của một công trình 20 tầng bằng bê tông cốt thép với giải pháp kết cấu cụ thể theo yêu cầu của kiến trúc. Giá trị được xác định bằng việc áp dụng theo TCVN 9386-2012 và do tác giả đề xuất dựa trên công thức phổ phản ứng đàn hồi thiết kế trong TCVN 9386-2012 với công cụ MS Excel 2016 kết hợp với phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Etabs 2016.
TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk PHÂN TÍCH HỆ SỐ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ANALYSIS BEHAVIOR FACTOR APPLIED IN REINFORCED CONCRETE DESIGN OF TALL BUILDING NGUYỄN TRẦN TRUNG VŨ NGỌC QUANG TÓM TẮT: Nghiên cứu tập trung làm rõ giá trị hệ số ứng xử q cơng trình 20 tầng bê tông cốt thép với giải pháp kết cấu cụ thể theo yêu cầu kiến trúc Giá trị q xác định việc áp dụng theo TCVN 9386-2012 tác giả đề xuất dựa công thức phổ phản ứng đàn hồi thiết kế TCVN 9386-2012 với công cụ MS Excel 2016 kết hợp với phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Etabs 2016 Từ khóa: Hệ số ứng xử, thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, tải trọng động đất, kết cấu nhà cao tầng ABSTRACT: This study focuses on clarifying the value of behavior factor q of a 20-storey building with reinforced concrete (RC) with specific structural solutions at the request of Architecture Values of q are determined by applying TCVN 9386-2012 and by the author based on a formula proposed universal design elastic response of TCVN 9386-2012 with MS Excel 2016 tools combined with analysis finite element software ETABS 2016 Key words: Behavior factor in seismic design, reinforced concrete design, structural tall buildings tiêu tán lượng hợp lý để làm hạn chế ảnh hưởng tác động Vấn đề liên quan đến giải pháp kết cấu cho cơng trình cao tầng [4] khả tiêu tán lượng hệ kết cấu hệ số ứng xử Mặt khác nói đến hệ số này, TCVN 9386-2012 lấy chung cho kết cấu bê tông cốt thép giá trị định, theo ý kiến tác giả giá trị không hợp lý ứng với loại mặt giải pháp kết cấu khác Giải pháp kết cấu xuất phát từ phương án kiến trúc thực tế việc thay đổi kiến trúc khó ĐẶT VẤN ĐỀ Nhà cao tầng xuất nước ta việc tăng dân số nhanh thành phố, thiếu đất xây dựng giá thành cao Nhà cao tầng loại cơng trình xây dựng lớn phức tạp, khơng giống cơng trình thấp tầng chịu tác dụng chủ yếu tải trọng đứng, cơng trình cao tầng với chiều cao lớn ngồi tải trọng đứng, tác dụng tải trọng ngang gió, động đất nguy hiểm cho cơng trình Để giải tốn tải trọng ngang, đòi hỏi kết cấu phải có độ dẻo hay khả ThS Trường Đại học Văn Lang, Email: nguyentrantrung@vanlanguni.edu.vn PGS.TS Học viện Kỹ thuật Quân sự, Email: vungocquangcse@gmail.com 46 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 01 / 2017 thực hệ số ứng xử đề xuất không thỏa mãn với số điều kiện quy định thiết lập phổ phản ứng với giá trị chu kỳ dạng dao động Vì việc phân tích hệ số ứng xử phù hợp với mặt giải pháp kết cấu mà không làm thay đổi phương án thiết kế kiến trúc ban đầu cần thiết việc thực hành tính tốn [5] Vấn đề hệ số ứng xử vấn đề nhiều tiềm nghiên cứu có nhiều tác giả, nhóm nghiên cứu với báo công bố nhiều năm qua, cụ thể: Borzi [1, tr 47 - 61] cho hệ số hồi quy gia tốc phổ không đàn hồi tính tốn mơ hình đáp ứng đàn dẻo lý tưởng (EPP – Elastic Perfectly Plastic) tăng bền mềm hóa trễ (HHS – Hysteretic Hardening Softening) Độ dẻo kết cấu nghiên cứu dựa hệ số ứng xử (q hay R) cung cấp giá trị phản ánh mức độ dẻo thấp khả phân tán lượng kết cấu Daza khác biệt giá trị hệ số ứng xử mong muốn thực tế tính toán hệ số cường độ (CΩ) [3] Khi giá trị hệ số cường độ lớn đảm bảo hệ số R tính tốn vượt q hệ số R mong muốn Hệ số R đặc biệt đạt cách điều chỉnh tỷ lệ độ dẻo (μ) hệ số cường độ (CΩ) Nói cách khác, có vài cách kết hợp (μ, CΩ) để đạt hệ số hiệu chỉnh đáp ứng Các tiêu chuẩn thiết kế động đất tương lai gần, cần rà sốt lại quy trình tính tốn hệ số hiệu chỉnh đáp ứng, sử dụng cách tiếp cận hợp lý Cần phải có nhiều nghiên cứu hệ số dư (Rρ) Naga Wisva Teja thực nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao tường chịu lực bê tông cốt thép có xét đến độ dẻo cao [6, tr 1345 – 1353] Trong nghiên cứu này, ứng xử phi tuyến kết cấu cơng trình nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn với tường phần tử vỏ nhiều lớp với tiết diện thớ, với hình thành khớp dẻo thuộc tính thớ bê tơng cốt thép Trong phân tích phi tuyến tải trọng động đất có xét đến vài tham số dạng dao động chủ yếu, hệ số dẻo, hệ số cường độ hệ số đáp ứng hiệu chỉnh Các kết đạt chứng tỏ ứng xử tải trọng động đất thỏa mãn, đặc biệt dạng dao động xoắn cơng trình Cunha [2] thực tính tốn độ dẻo hệ số vượt tải thiết kế động đất cho kết cấu bê tông cốt thép để xem lại toàn phương pháp đề nghị tiêu chuẩn thiết kế động đất mà xem xét hai thành phần độ dẻo hệ số vượt tải, hệ số ảnh hưởng tới cường độ Các khung bê tông cốt thép hệ hỗn hợp khung hệ tường chịu cắt phân tích phi tuyến tĩnh phương pháp Static Push – over chịu tải trọng ngang Mục đích cuối nghiên cứu làm rõ tầm quan trọng hệ số vượt tải thiết kế động đất Trong nghiên cứu này, tác giả phân tích giá trị hệ số ứng xử q [5] khơng hợp lý hình dạng mặt với giải pháp kết cấu khác có giá trị q khác Phân tích thực việc xác định chu kỳ dao động cơng trình phần mềm tích hợp thiết kế kết cấu cơng trình ETABS phiên 2016, từ thiết lập phổ phản ứng đàn hồi Se(Ti) phổ thiết kế Sd(Ti) có kể đến hệ số ứng xử q phần mềm MS EXCEL 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk HỆ SỐ ỨNG XỬ VÀ TẢI TRỌNG DO TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386-2012 2.1 Hệ số ứng xử Theo TCVN 9386-2012, hệ số ứng xử lấy theo giải pháp cấu tạo phương án kết cấu Hệ số nhằm xét đến khả tiêu tán lượng xác định cho hướng tác động động đất q q0 kW (1) Với thành phần nằm ngang tác động động đất, phổ phản ứng đàn hồi Se(T) xác định công thức (4) đến (7) Trong đó: q0 giá trị hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu sử dụng tính đặn theo phương mặt đứng cơng trình; kW hệ số phản ánh dạng kết cấu chiếm ưu hệ kết cấu có tường chịu lực Hệ khung hệ khung tương đương (hỗn hợp khung - vách) xác định gần sau (cấp dẻo trung bình): q = 3.3 nhà tầng; q = 3.6 nhà nhiều tầng, khung nhịp; q = 3.9 nhà nhiều tầng, khung nhiều nhịp (hoặc kết cấu hỗn hợp khung vách) Hệ vách cứng vách cứng có lỗ: q = 3.6 hệ kết cấu hỗn hợp tương đương vách cứng, hệ vách cứng có lỗ (hệ tường có dầm liên kết) nhà tầng; q = 3.0kW hệ tường vách cứng có hai tường vách cứng; q = 3.1kW hệ vách cứng khơng phải vách cứng có lỗ Trong đó: 0 (2) Trong đó: Se(T) phổ phản ứng đàn hồi; T : chu kỳ dao động hệ tuyến tính bậc tự do; ag : gia tốc thiết kế loại A (ag = γI.agR); TB : giới hạn chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang phổ phản ứng gia tốc; TC : giới hạn chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang phổ phản ứng gia tốc; TD : giá trị xác định điểm bắt đầu phần phản ứng dịch chuyển không đổi phổ phản ứng; S : hệ số nền; η : hệ số điều chỉnh độ cản với giá trị tham chiếu η = độ cản nhớt 5% Giá trị chu kỳ TB, TC, TD hệ số S (Error! Reference source not found.) mô tả dạng phổ phản ứng đàn hồi phụ thuộc vào loại đất, không xét đến địa chất tầng sâu (xem 3.1.2(1) [5] Bảng Giá trị tham số mô tả phổ phản ứng đàn hồi Loại S TB (s) TC (s) TD (s) đất A 1,00 0,15 0,40 2,30 B 1,20 0,15 0,50 2,00 C 1,15 0,20 0,60 2,00 D 1,35 0,20 0,80 2,00 E 1,40 0,15 0,50 2,00 0.5 kW 0 T T TB : Se (T ) ag S 1 2,5 1 (4) T B TB T TC : Se (T ) ag S 2,5 (5) T TC T TD : Se T a g S 2,5 C T (6) T T TD T 4s : Se T ag S 2,5 C D (7) T 1 h (3) l Wi Wi Với: hWi chiều cao tường thứ i; lWi chiều dài đoạn tường thứ i 2.2 Tải trọng tác động động đất 2.2.1 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương ngang 48 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 01 / 2017 Hệ số điều chỉnh độ cản η xác định biểu thức 10 0.55 (8) Trong đó: ξ tỷ số cản nhớt kết cấu, tính phần trăm 2.2.2 Phổ thiết kế dùng cho phân tích đàn hồi Đối với thành phần nằm ngang tác động động đất, phổ thiết kế Sd(T) xác định cách biểu thức (9) đến (12) T 2,5 (9) T TB : Sd T ag S TB q TB T TC : Sd T ag S 2,5 q 2,5 TC ag S q T TC T TD : Sd T ag Hình Kích thước hình học dầm lõi (10) (11) 2,5 TC TD ag S q T TD T : Sd T ag (12) Trong đó: ag, S, TC TD định nghĩa mục 2.2.1 (TCVN 9386-2012, 2012); Sd(T) phổ thiết kế; q hệ số ứng xử; β hệ số ứng với cận phổ thiết kế theo phương nằm ngang, β = 0.2 NGHIÊN CỨU BẰNG SỐ 3.1 Số liệu hình học Cơng trình sử dụng nghiên cứu số, khung kết hợp với vách lõi vật liệu bê tơng cốt thép, cơng trình thuộc khối văn phòng Cơng trình gồm 20 tầng với mặt đối xứng Mặt kích thước L x B = 24 x 30 (m) Chiều cao tính chung cho tầng 3.2 (m) Kích thước cấu kiện (Hình 1, Hình 2) Hình Kích thước hình học cột sàn Hình Cơng trình khảo sát dạng mơ hình phần tử hữu hạn ETABS 2016 49 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk 3.2 Vật liệu sử dụng Bê tông sử dụng cấp độ bền B20 (M250), cốt thép sử dụng nhóm CI cho sàn, CII cho cấu kiện dầm, cột, vách lõi; nhóm CIII cho móng Kết cấu thiết kế theo cấp dẻo trung bình 3.3 Tải trọng Từ hệ số tra bảng tùy thuộc vào chức cơng trình quy định TCVN 9386-2012, ta định nghĩa Mass Source sử dụng phân tích động đất cơng trình (Hình 4) Modal Modal Modal Modal Modal Modal 0.478 0.0612 0.311 0.0661 0.285 0 10 0.275 0.0325 11 0.184 0.0328 12 0.180 0.0200 3.4.2 Thiết lập phổ phản ứng Bảng Giá trị phổ Sd(Ti) thiết lập từ giá trị chu kỳ theo hai phương PHỔ THEO PHƯƠNG X TB TC Hình Định nghĩa Mass Soucre cho cơng trình phân tích tốn tác động động đất lên cơng trình TD 3.4 Kết thảo luận 3.4.1 Chu kỳ dao động Dựa vào (Bảng 2) điều kiện tổng khối lượng hữu hiệu dạng dao động xét chiếm 90% tổng khối lượng kết cấu, từ ta xét dạng dao động ảnh hưởng theo phương Bảng Giá trị chu kỳ dao động ứng với dạng dao động Dạng TH dao T (s) UX UY tải động 3.465 0.6746 Modal 2.651 0.6565 Modal 2.300 0 Modal 1.048 0.1571 Modal 0.708 0.1847 Modal 0.638 0 Modal Ti (s) 0.000 0.150 0.478 0.500 1.048 2.000 3.465 4.000 ≥ β.ag OK OK OK OK OK NOT OK NOT OK NOT OK Sd(Ti) 0.80 0.77 0.77 0.77 0.37 0.19 0.06 0.05 1.0 0.8 0.5 0.3 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 PHỔ THEO PHƯƠNG Y TB TC TD Ti (s) 0.000 0.150 0.500 0.708 2.000 2.651 4.000 ≥ β.ag OK OK OK OK NOT OK NOT OK NOT OK Sd(Ti) 0.80 0.77 0.77 0.54 0.19 0.11 0.05 1.0 0.8 0.5 0.3 0.0 0.0 50 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 01 / 2017 Bảng Phổ thiết kế với hệ số ứng xử q = 1.5 PHỔ THEO PHƯƠNG X Ti (s) Sd(Ti) ≥ β.ag 0.000 0.80 OK 2.00 OK TB 0.150 0.478 2.00 OK 2.00 OK TC 0.500 1.048 0.95 OK 0.50 OK TD 2.000 3.465 0.17 NOT OK 0.13 NOT OK 4.000 Từ kết phân tích trên, tác giả đề xuất giá trị q cho phổ thiết kế Sd(Ti) thỏa mãn điều kiện ≥ β.ag giá trị q cho kết Sd(Ti) ≈ Se(Ti) ứng với mặt kiến trúc phương án kết cấu đề xuất; (Error! Reference source not found.), (Hình 6) cho thấy phổ thiết kế với hệ số ứng xử lấy theo hệ kết cấu quy định (TCVN 9386-2012, 2012) giá trị thấp nhất, chênh lệch nhiều với phổ đàn hồi 80% Còn hai phổ thiết kế có hệ số ứng xử tương ứng q = 1.5 q = 0.93 chênh lệch 60% 40% phổ đàn hồi Phổ thiết kế với hệ số ứng xử phù hợp cho hệ kết cấu q = 0.51 giá trị phổ thiết kế gần với phổ đàn hồi 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 6.0 PDH PHỔ THEO PHƯƠNG Y Ti (s) Sd(Ti) ≥ β.ag 0.000 0.80 OK 2.00 OK 0.150 2.00 OK 0.500 0.708 1.41 OK 0.50 OK 2.000 2.651 0.28 OK 0.13 NOT OK 4.000 TB TC TD PTK(q = 3.9) 4.8 PTK(q = 0.93) 3.6 PTK(q = 1.5) PTK(q = 0.51) 2.4 2.4 1.2 2.0 1.6 1.2 0.0 0.8 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.4 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Hình So sánh giá trị phổ đàn hồi Se(Ti) phổ thiết kế Sd(Ti) tương ứng với hệ số ứng xử q theo phương X 4.0 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk Độ chênh lệch giá trị phổ (Error! Reference source not found.) (Hình 6) ảnh hưởng lớn đến tác động động đất lực cắt tầng, nội lực khung Điển hình cấu kiện dầm B25 tầng 10 Các độ chênh lệch thể dạng đồ thị so sánh 6.0 PDH PTK(q = 3.9) 4.8 PTK(q = 0.93) 3.6 PTK(q = 1.5) PTK(q = 0.51) 2.4 1.2 64 61 0.0 PĐH 58 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 54 PTK_q = 3.9 51 48 Hình So sánh giá trị phổ đàn hồi Se(Ti) phổ thiết kế Sd(Ti) tương ứng với hệ số ứng xử q theo phương Y 3.4.3 Nội lực dầm B25 tầng 10 giá trị lực cắt tầng Để tiện theo dõi, nội lực cơng trình thể qua khung trục B với tên dầm cột ( Hình 7) Trong cấu kiện dầm B25 tầng 10 chọn để phân tích nội lực PTK_q = 1.5 45 PTK_q = 0.93 Chiều cao tầng (m) 42 38 PTK_q = 0.51 35 32 29 26 22 19 16 13 10 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 VX (kN) Hình Biểu đồ so sánh lực cắt tầng theo phương X 64 PĐH 61 58 PTK_q = 3.9 54 PTK_q = 1.5 51 48 PTK_q = 0.93 Chiều cao tầng (m) 45 PTK_q = 0.51 42 38 35 32 29 26 22 19 16 13 10 0 30000 60000 90000 120000 150000 180000 210000 240000 270000 300000 VY (kN) Hình Biểu đồ so sánh lực cắt tầng theo phương Y Hình Các tên dầm, cột khung trục B 52 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 01 / 2017 trị phổ thiết kế chu kỳ nằm khoảng TC (s) đến (s), Sd(Ti) ≥ β.ag, để đảm bảo điều kiện này, giá trị phân tích theo phổ thiết kế lớn nằm khoảng 40% đến 70% Đối với hệ kết cấu cơng trình phân tích, hệ số ứng xử q lấy theo TCVN 9386-2012 hiệu chỉnh để đảm bảo điều kiện phổ theo phương ngang giá trị phổ thiết kế khoảng chu kỳ TC (s) đến 4(s) chưa hợp lý phương án kết cấu này, mà hệ số ứng xử hợp lý cho phương án kết cấu giá trị q = 0.51, cho ta giá trị phân tích so sánh gần với phân tích tác động động đất theo phổ đàn hồi 1.2 % KẾT LUẬN Để tránh phải phân tích trực tiếp kết cấu khơng đàn hồi, người ta kể đến khả tiêu tán lượng chủ yếu thông qua ứng xử dẻo cấu kiện cấu khác cách phân tích đàn hồi dựa phổ phản ứng thiết kế chiết giảm từ phổ phản ứng đàn hồi, việc chiết giảm thông qua hệ số ứng xử q Nhưng lấy hệ số theo quy định TCVN 9386-2012 lại chênh lệch nhiều so với việc phân tích phổ phản ứng đàn hồi Mặt khác lại không đảm bảo vài điều kiện tiêu chuẩn quy định, cụ thể điều kiện q ≥ 1.5 giá trị phổ Sd(Ti) chu kỳ nằm khoảng TC (s) đến (s) phải ≥ β.ag Dựa vào cách phân tích này, ứng với dạng phương án kết cấu cho ta khoảng hệ số ứng xử q phù hợp dùng phân tích tác động động đất phương pháp phổ phản ứng 5000 PDH PTK_q=3.9 PTK_q=1.5 PTK_q=0.93 4500 4000 PTK_q=0.51 Mô men M3 (kN.m) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0.30.60.91.21.51.82.12.42.73.03.33.63.94.24.54.85.15.45.76.06.36.66.97.27.57.88.18.48.7 Vị trí mặt cắt dầm B25 Hình 10 So sánh mơ men M3 dầm B25 tầng 10 theo phương X 975 PDH 900 825 PTK_q=3.9 PTK_q=1.5 PTK_q=0.93 750 PTK_q=0.51 Mô men M3 (kN.m) 675 600 525 450 375 300 225 150 75 0.30.60.91.21.51.82.12.42.73.03.33.63.94.24.54.85.15.45.76.06.36.66.97.27.57.88.18.48.7 Vị trí mặt cắt dầm B25 Hình 11 So sánh mô men M3 dầm B25 tầng 10 theo phương Y Từ bảng so sánh trên, sử dụng phổ thiết kế có hệ số ứng xử q theo hệ kết cấu quy định TCVN 9386-2012, độ chênh lệch giá trị lực cắt đáy, lực cắt tầng nội lực khung chênh lệch với giá trị phân tích phổ đàn hồi lớn (từ 80% - 90%) Mặt khác phân tích phổ thiết kế với hệ số ứng xử q thỏa điều kiện phân tích theo phổ ngang, giá trị q ≥ 1.5 điều kiện giá 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Nguyễn Trần Trung tgk TÀI LIỆU THAM KHẢO Borzi, B., Calvi, G., Elnashai, A., Faccioli, E., & Bommer, J (2001), Inelastic spectra for displacement-based seismic design Soil Dynamics and Earthquake Engineering Cunha, A., Caetano, E., & Ribeiro, P (2014), Accounting for ductility and overstrength in seismic design of reinforced concrete structures Daza, L (2010), Challenges, Opportunities and Solutions in Structural Engineering and Construction Smith, B S., Coull, A., & Stafford-Smith, B S (1991), Tall building structures: analysis and design (Vol 5): Wiley New York TCVN 9386-2012 (2012), Thiết kế cơng trình chịu động đất, Hà Nội TEJA, N W (2013), Effect of Height on the Seismic Behavior of Reinforced Concrete Bearing Wall Structural Systems with High Ductility Middle-East Journal of Scientific Research Ngày nhận bài: 05-11-2016 Ngày biên tập xong: 25-11-2016 Duyệt đăng: 15/12/2016 54 ... Trung tgk HỆ SỐ ỨNG XỬ VÀ TẢI TRỌNG DO TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO TCVN 9386-2012 2.1 Hệ số ứng xử Theo TCVN 9386-2012, hệ số ứng xử lấy theo giải pháp cấu tạo phương án kết cấu Hệ số nhằm xét... thớ bê tơng cốt thép Trong phân tích phi tuyến tải trọng động đất có xét đến vài tham số dạng dao động chủ yếu, hệ số dẻo, hệ số cường độ hệ số đáp ứng hiệu chỉnh Các kết đạt chứng tỏ ứng xử tải... nhiều tầng, khung nhiều nhịp (hoặc kết cấu hỗn hợp khung vách) Hệ vách cứng vách cứng có lỗ: q = 3.6 hệ kết cấu hỗn hợp tương đương vách cứng, hệ vách cứng có lỗ (hệ tường có dầm liên kết) nhà tầng;