Sự làm việc và thiết kế khung chịu tải trọng ngang có xét đến sự hình thành khớp dẻo

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
330
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ THIẾT KẾ KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG
NGANG CÓ XÉT ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH KHỚP DẺO
FORMATION OF PLASTIC HINGE WHEN ANALYSIS AND DESIGN THE
REINFORCED CONCRETE FRAME UNDER LATERAL LOAD

SVTH: Lê Xuân Quang
Lớp 05X1D, Khoa Xây Dựng Dân Dụng & CN, Trường Đại học Bách khoa
GVHD: ThS. Trịnh Quang Thịnh
Khoa Xây Dựng Dân Dụng và CN, Trường Đại học Bách khoa

TÓM TẮT
Mục đích của đề tài là nghiên cứu sự làm việc và thiết kế khung chịu tải trọng ngang bằng
phương pháp đẩy dần với sự hỗ trợ của phần mềm Sap2000. Kết quả tính toán được đem so sánh
với các phương pháp tính toán công trình chịu tải trọng ngang khác từ đó đánh giá hiệu quả của
việc thiết kế công trình.
ABSTRACT
This thesis uses the Push-over method in order to show the behaviour of reinforced
concrete frame under lateral load. And the Push-over method is carried out by using SAP2000
software. The result of calculation from this method is compared with exist methods. Thenceforth
we can assess the efficacy of design the structure.
1. Mở đầu
Trong các tiêu chuẩn tính toán động đất thì hầu hết đều cho kết cấu làm việc trong
giới hạn đàn hồi và quan niệm vật liệu bê tông là hoàn toàn đàn hồi, tuy nhiên bê tông lại
là vật liệu đàn hồi dẻo, việc xem xét kết cấu làm việc ngoài miền đàn hồi hứa hẹn là một
phương pháp tính toán đơn giản và đánh giá trực quan sự làm việc của công trình hơn so
với các phương pháp khác.
Trong các phương pháp phân tích công trình chịu tải trọng động đất như phương
pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ phản ứng, phương
pháp phân tích theo lược sử thời gian và phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức

thì phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho ta tính toán sơ bộ sự làm việc của
hệ kết cấu sau miền giới hạn đàn hồi.
Chính vì lý do đó tác giả đề xuất việc áp dụng phương pháp tính toán đẩy dần vào
việc tính toán công trình chịu tải trọng ngang để kiểm tra sự làm việc của hệ kết cấu khi
chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế.
2. Tổng quan
Hiện nay, việc tính toán công trình chịu tải trọng động đất có các phương pháp như
phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, phương pháp phân tích phổ dao động hay
phương pháp phân tích theo lược sử thời gian [1]. Các thành phần tải trọng được nhập vào
mô hình sau đó lấy kết quả nội lực để thiết kế.
Với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương thì lực cắt đáy được xác định như sau:
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
331

.).(
1
mTSF
db

[1]
Với phương pháp phân tích phổ phản ứng thì lực cắt đáy được xác định như sau:
iXidiX
WTSF
,,
).(


[1]
Với việc tính toán như trên thì không thể hiện rõ được sự làm việc của khung khi
chịu tải trọng ngang, các vị trí kết cấu trên công trình không được chỉ rõ là đã làm việc như

thế nào và đặc biệt là kiểm tra lại kết quả thiết kế đối với công trình chịu tải trong ngang,
các vị trí hư hỏng xuất hiện trên công trình đã hợp lý hay chưa.
Còn với phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức này thì tải trọng ngang
được tăng một cách liên tục và đều đặn, cho phép xác định những điểm yếu và những kiểu
hư hỏng sẽ được tìm thấy trên công trình một cách trực quan. Để trình bày nội dung nghiên
cứu, tác giả sử dụng phần mềm Sap2000 với tính năng phân tích Push-over để thực hiện đề
tài.
3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
3.1. Nội dung phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến
Đặc điểm của phương pháp tính toán này là quá trình biến dạng phi tuyến của kết
cấu xảy ra dưới tác động gia
tăng đều đặn của tải trọng
ngang trong khi tải trọng đứng
vẫn giữ nguyên không thay đổi.
Quá trình gia tăng đều đặn tải
trọng ngang này được thực hiện
cho đến khi nút kiểm tra
(thường là cao trình đỉnh mái)
có chuyển vị ngang bằng
chuyển vị mục tiêu định trước,
hoặc cho tới khi lực cắt đáy đạt
lực cắt mục tiêu. Chuyển vị
mục tiêu là chuyển vị ngang
cực đại của cao trình mái có thể
đạt tới trong quá trình chịu tác động địa chấn thiết kế. Biến dạng và nội lực của kết cấu
được giám sát một cách liên tục trong quá trình kết cấu chuyển vị ngang. Phương pháp này
cho phép theo dõi quá trình chảy dẻo và phá hoại của các cấu kiện thành phần cũng như
toàn bộ hệ kết cấu, cũng cho phép xác định chuyển vị ngang không đàn hồi trên toàn bộ
chiều cao của công trình và cách thức sụp đổ của hệ kết cấu. Khả năng chịu lực và độ dẻo
cần thiết ở chuyển vị mục tiêu hoặc lực cắt đáy mục tiêu thường được dùng để kiểm tra

tính đúng đắn của việc thiết kế kết cấu. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt đáy và
chuyển vị ngang gọi là đường cong khả năng. Đây là kết quả chủ yếu của phương pháp
tính toán đẩy dần.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
332
Vì kết quả chủ yếu của phương pháp này là
đường cong quan hệ lực và biến dạng nên cần phải
làm rõ các thành phần trên đường cong này. Trên
đường cong quan hệ lực biến dạng, năm điểm A, B,
C, D và E được sử dụng để vạch rõ sự làm việc biến
dạng do lực của khớp và ba điểm IO, LS, CP được
sử dụng để vạch rõ chuẩn mực chấp nhận cho khớp
dẻo.
Điểm A: tương ứng điều kiện dỡ tải, việc
phân tích chấp nhận rằng tải trọng trọng lực có thể gây ra những tác động ban đầu, vì thế
tải trọng ngang có thể bắt đầu ở một điểm khác A.
Điểm B: cường độ tại tiết diện cân bằng với cường độ chảy dẻo danh nghĩa.
Độ dốc từ B đến C thường được lấy từ 0 đến 10% đường dốc ban đầu và bỏ qua
ảnh hưởng của tải trọng trọng lực đến dịch chuyển ngang.
Điểm C là cường độ danh nghĩa được xác định theo các tiêu chuẩn khác nhau.
Trong phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu trong đoạn từ A đến B và đến C.
Các điểm IO, LS và CP thể hiện mức hư hỏng cho kết cấu. Mức hư hỏng nhẹ là OI
(Immidiate Occupancy), hư hỏng mà vẫn an toàn (Life Safety) và trạng thái sụp đổ CP
(Collapse Prevention).
Những giá trị ấn định cho các điểm này phụ thuộc vào loại cấu kiện và phụ thuộc
nhiều vào các tham số khác tùy theo các tiêu chuẩn được sử dụng để phân tích.
3.2. Phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Thiết kế công trình chịu tải trọng ngang bằng phương pháp đẩy dần
Công trình được em dùng để thực hiện là mô hình trong đồ án tốt nghiệp của em,
công trình có 25 tầng nổi và một tầng hầm, được xây dựng trên vùng đất nền loại B, gia tốc

nền được lấy là a
gr
= 0.1041g. Quá trình tính toán nội lực được em thực hiện bằng phần
mềm Sap2000 và sử dụng chức năng phương pháp phân tích đẩy dần lên mô hình công
trình. Các thuộc tính về khớp dẻo của kết cấu được sử dụng mặc định trong phần mềm.
Sau khi tính toán được lực cắt đáy của công trình chịu theo phương pháp phân tích
phổ và lực cắt đáy của công trình theo phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến với chuyển vị
đỉnh mái lớn nhất cho phép của công trình là 1/750 [2], tác giả có so sánh lực cắt đáy của 2
phương pháp phân tích.
Theo kết quả tính toán theo phương pháp phân tích phổ thì lực cắt đáy tương ứng
với dạng dao động thứ nhất do động đất gây ra là: F
X,1
= 5406 kN.
Từ kết quả của phương pháp đẩy dần và lực cắt đáy do tải động đất gây ra ta có
nhận xét sau: lực cắt đáy do tải động đất gây ra theo phương pháp phân tích phổ với dạng
dao động 1 so với phương pháp đẩy dần thì lực cắt đáy này thuộc bước số 8 đến số 9 của
phương pháp đẩy dần.
Điều này cho thấy với phương pháp phổ thì kết cấu đang làm việc ở mức an toàn,
chưa có vị trí nào của công trình hình thành khớp dẻo. Nếu sử dụng Load pattern cho việc
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
333
phân tích đẩy dần cho các dạng dao động sau, tương ứng với các Load pattern có dạng dao
động cao thì độ cứng của công trình ở các dạng dao động đó rất lớn nên rất khó đẩy dần
đến chuyển vị mục tiêu đồng thời khó để đánh giá so sánh với phương pháp khác.
Bảng 1. Bảng kết quả đẩy dần theo phương X
TABLE: Pushover Curve - DDX1-PUSH
Step Displacement BaseForce AtoB BtoIO Total
m kN
0 0 0 3502 0 3502
1 0.0114 643.475 3502 0 3502

2 0.0228 1286.95 3502 0 3502
3 0.0342 1930.425 3502 0 3502
4 0.0456 2573.9 3502 0 3502
5 0.057 3217.374 3502 0 3502
6 0.0684 3860.849 3502 0 3502
7 0.0798 4504.324 3502 0 3502
8 0.0912 5147.799 3502 0 3502
9 0.1026 5791.274 3502 0 3502
10 0.114 6434.749 3502 0 3502
Thực hiện tương tự cho phương Y ta cũng có kết quả và những nhận định tương tự
như khi phân tích theo phương X.
3.2.2. Nghiên cứu sự làm việc của khung khi chịu tải trọng ngang
Thông thường, người thiết kế phải làm sao cho các khớp dẻo xuất hiện trước hết là
ở các dầm sau đó mới đến các cột. Lý do như sau: Cột bị phá hoại có nghĩa là toàn bộ nhà
bị đổ, trong khi chưa kịp huy động hết khả năng chịu lực của các thành phần khác của công
trình.
Ví dụ đối với hình 3a, nếu
khớp dẻo xuất hiện ở dầm trước thì
phải cần tới 27 khớp dẻo thì công
trình mới đổ, còn đối với hình 3b,
nếu khớp dẻo xuất hiện ở cột trước
thì chỉ cần 6 khớp dẻo là công trình
bị đổ. Trong các kết cấu có cột yếu,
biến dạng dẻo sẽ tập trung tại một
tầng nào đó (hình 3b) nên công trình
cần phải có hệ số dẻo tương đối lớn.
Từ những nhận định trên, tiến
hành phân tích đẩy dần cho công
trình để xác định được vị trí hình
thành khớp dẻo trên công trình có hợp lý hay không, từ đó có những điều chỉnh cho hợp lý.

Tiến hành khai báo cấp độ bền bê tông và hàm lượng cốt thép trong công trình như bảng
sau:
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
334
Bảng 2. Sơ bộ chọn hàm lượng cốt thép trong dầm và cột
Nhóm
I
(tầng hầm-4)
II
(tầng 5-10)
III
(tầng 11-15)
IV
(tầng 16-20)
V
( tầng 21-26)
Dầm 40.46 cm
2
46.76 cm
2
51.67 cm
2
47.09 cm
2
46.8 cm
2

Cột 24Ф32 24Ф28 24Ф22 24Ф18 16Ф18
Thực hiện đẩy dần đến giá trị lớn nhất theo một phương xác định để xác định sự
làm việc của khung ngang theo phương đó. Chọn phương Y dùng để đánh giá sự làm việc

của khung ngang trục E. Kết quả như sau:
Bảng 3. Kết quả tính toán theo phương pháp đẩy dần.
TABLE: Pushover Curve - PUSH-Y
Step Displacement BaseForce AtoB BtoIO IOtoLS LStoCP CtoD Total
m kN
0 0 0 3502 0 0 0 0 3502
1 0.083317 10035.6 3501 1 0 0 0 3502
2 0.287296 27255.622 2709 793 0 0 0 3502
3 0.489732 40795.26 2485 1017 0 0 0 3502
4 0.694716 54024.095 2360 1103 39 0 0 3502
5 0.916248 68178.879 2317 799 386 0 0 3502
6 1.158468 83625.968 2303 590 578 31 0 3502
7 1.380197 97550.07 2292 506 634 41 29 3502
Từ bảng trên ta nhận thấy rằng, khi thực hiện đẩy dần, từ bước 0 đến bước 7 thì kết
cấu vẫn làm việc trong giới hạn cho phép. Từ đó đánh giá được hàm lượng cốt thép cũng
như kích thước tiết diện là tương đối hợp lý.
Nhận xét: Qua việc giả định hàm lượng cốt thép và thực hiện đẩy dần như trên ta có
thể nhận thấy sự trực quan của phương pháp đẩy dần, phương pháp này đã chỉ ra được sự
hình thành khớp dẻo trên công trình.

Hình 4. Sơ đồ hình thành khớp dẻo khi khung chịu tải trọng ngang