Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông

1
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
,

LÊ HOÀNG PHƯƠNG

PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU
ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình
Dân dụng và Công nghiệp
Mã số:
60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: GS.TS. PHẠM VĂN HỘI

Phản biện 2: TS. PHẠM MỸ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và

công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày
30 tháng 03 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa,
Đại học Đà Nẵng
- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp,
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và siêu cao tầng đang bùng nổ
mạnh mẽ ở Việt Nam, đặc biệt ở các khu đô thị lớn như Hà Nội và
TP. Hồ Chí Minh, cộng với xu hướng phát triển của xây dựng hiện
đại nên khi sử dụng các giải pháp kết cấu cột bê tông cốt thép thông
thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết
cấu cột có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và
giảm tính thẩm mỹ. Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp
kết cấu cột liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến ở
nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng. Mục đích
của giải pháp này là tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý
giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu cột liên hợp có khả
năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng
chống cháy. Bên cạnh đó, công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột
liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế
và đảm bảo tính thẩm mỹ, nhưng đồng thời phải có khả năng chịu
được tải trọng ngang (tải trọng động đất) tốt hơn trong kết cấu nhà
cao tầng. Trên cơ sở đó, cột ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT)

sẽ là giải pháp thay thế hữu hiệu cho kết cấu cột bê tông cốt thép
truyền thống vốn có tiết diện, kích thước lớn hơn. Ở nước ta, từ năm
2006 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép bê tông đang được tiến
hành nghiên cứu và biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu. Để nghiên
cứu được ứng xử của cột CFRT chịu tải trọng động đất cần phải có
phương pháp phân tích, đánh giá cường độ và biến dạng của kết cấu
này khi chịu tải trọng động đất. Do đó, đề tài: “ Phân tích phi tuyến
tĩnh (hay còn gọi là phân tích đẩy dần) kết cấu ống thép chữ nhật
nhồi bê tông” sẽ là một nghiên cứu hữu ích phù hợp với tình hình


2
xây dựng hiện đại đang gia tăng mạnh mẽ ở nước ta hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Đánh giá ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông dưới
tác dụng của tải trọng động đất.
3. Đối tượng nghiên cứu:
- Kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông.
4. Phạm vi nghiên cứu:
- Ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông khi chịu tải
trọng động đất bằng phân tích tĩnh phi tuyến.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương
pháp phân tích tĩnh phi tuyến.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 để mô hình
và phân tích ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông
CFRT.
6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn:
Nghiên cứu trong luận văn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn ASCE41-13 của Hoa Kỳ biên soạn và xuất bản năm 2006 và một số tài
liệu tham khảo liên quan. Ngoài ra luận văn còn áp dụng những kiến

thức về sức bền vật liệu, cơ học kết cấu và phần mềm SAP2000 V20
để phân tích theo ASCE-41-13
7. Bố cục đề tài:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ
NHẬT NHỒI BÊ TÔNG (CFRT)
1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê
tông
1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông
1.3 Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông
1.4 Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông:


3
1.5 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông.
1.6 Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông.
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN
CHO KẾT CẤU
2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến.
2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến:
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CFRT QUA
PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000
3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000:
3.2 Xây dựng mô hình phân tích:
3.3 Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT:
3.4 Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT
3.5 Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC)
3.6 Kết luận chương 3


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI
BÊ TÔNG (CFRT)
1.1. Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép bê tông
Lịch sử phát triển của kết cấu hỗn hợp thép – bê tông
gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT).
Thực chất kết cấu này là một cá biệt của kết cấu BTCT. Do tính chất
cấu tạo của thép trong kết cấu liên hợp khác với trong kết cấu BTCT
thông thường, tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép
không giống như BTCT thường và do đó việc thiết kế kết cấu loại
này cũng mang tính chất hoàn toàn khác.
Kết cấu liên hợp thép bê tông là loại kết cấu sử dụng thép kết
cấu (structural steel) kết hợp với bê tông hoặc bê tông cốt thép
để chúng cùng tham gia chịu lực.
Việc hình thành kết cấu này bắt nguồn từ hai nguyên nhân.
Nguyên nhân thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn
bằng các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng, khi hàm lượng quá lớn
hình thành nên kết cấu liên hợp. Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý
tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bê tông để chống
xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực, từ đó hình thành nên kết cấu
liên hợp thép – bê tông. Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền
thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết
cấu này cũng đã được sử dụng tới hơn thế kỷ, và càng ngày càng
thấy có nhiều điểm ưu việt cần phải khai thác.
1.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp
thép – bê tông trên thế giới


5
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép bê tông dùng trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được rất nhiều

quốc gia quan tâm.
1.1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông ở
Việt Nam
Ở Việt Nam, lý thuyết tính toán cấu kiện liên hợp thép – bê
tông (bê tông cốt cứng) đã được đưa vào giáo trình “ Kết cấu
bê tông cốt thép – phần cấu kiện cơ bản” xuất bản 1995, dựa
vào lý thuyết tính toán của Nga. Năm 2006, “ Giáo trình Kết cấu
liên hợp thép – bê tông” của PGS.TS Phạm Văn Hội đã viết theo tiêu
chuẩn Eurocode 4 (Design of Composite Steel and Concrete
Structures) và các tài liệu ứng dụng tiêu chuẩn trên để thiết kế
các cấu kiện liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam .Với yêu
cầu phát triển xây dựng hiện nay, loại kết cấu này chắc chắn
sẽ được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam.
1.2. Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông
1.2.1. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê
tông trên thế giới
Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở
Mỹ cần kể đến tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas
(USA). Tòa nhà cấu tạo từ các mảng tường bê tông cốt thép toàn
khối ở bốn góc nhà, giữa các cột thép bọc bê tông, các sàn
dùng dầm thép đỡ bản sàn bê tông đổ tại chỗ liền với ván khuôn thép
cố dịnh. Nhà cao 778 feet (237 m), diện tích khoảng 2.000.000
feet vuông (185.806m2), chu kỳ dao động riêng của nhà là 6,7
giây, chi phí thép cho nhà trung bình khoảng 16 found cho
1feet vuông (khoảng 78kG/m2)


6
Tháp Thiên niên kỷ (Viên – Áo), tòa nhà này có 55 tầng với
diện tích khoảng 1000m2 và có chiều cao hơn 202m (bao gồm cả

awngten).
Trụ sở của Citibank ở Duisburg (Germany), cao 15 tầng
(72m), diện tích 14.500m2. Theo chiều cao, tòa nhà được xây dựng
cứ 3m trong một tuần.
1.2.2. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp
thép bê tông ở Việt Nam
Diamond Plaza ở TP HCM (21 tầng), sử dụng kết cấu
khung thép bọc vật liệu chống cháy là sỉ lò cao, công trình của
công ty xuất nhập khẩu Hồng Hà ở Hà Nội sử dụng kết cấu sàn liên
hợp.
Bitexco Finaancial Tower được xây dựng trên diện tích
5.267m2 quy mô 68 tầng với chiều cao 262m. Tòa nhà được thiết kế
bằng thép và kính.
Vietinbank Tower Hà Nội bao gồm 2 tòa tháp, được liên kết
với nhau bằng khối đế 7 tầng. Tháp thứ nhất cao 68 tầng, tháp thứ
hai cao 48 tầng.
JW Marriott Hà Nội đạt tiêu chuẩn 5 sao, tọa lạc trên diện tích
63.000m2 và 16.000m2 mặt nước, bao gồm 9 tầng.
Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội gồm 2
tầng hầm và 21 tầng chức năng.
1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông
Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo khả năng chịu
lực, độ cứng dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu
cầu về kiến trúc, kinh tế, thi công, cũng như khả năng chịu nhiệt,
chống ăn mòn.


7
1.3.1.

Kiến trúc
Kết cấu liên hợp cho phép sự đa dạng trong kiến trúc bằng
cách kết hợp các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu. Ngoài ra, với tiết
diện nhỏ của dầm cho phép tạo ra:
- Nhịp lớn hơn
- Sàn mỏng hơn
- Cột mảnh hơn
Những yếu tố trên tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế không
gian kiến trúc.
1.3.2.

Kinh tế
Tiết kiệm được nhiều chi phí do sử dụng cấu kiện có
tiết diện nhỏ hơn (độ cứng lớn có khả năng vượt nhịp lớn, giảm độ
võng, giảm chiều cao tiết diện) và lắp đặt nhanh trong thi công.
- Tiết kiệm chi phí thi công, thời gian hoàn thành công trình
sớm;
- Đưa công tình vào sử dụng dần đến thu hồi vốn nhanh hơn.
Chịu nhiệt và chống ăn mòn
Các công trình kết cấu thép cổ điển tốn rất nhiều chi phí để
bảo vệ thép kết cấu dưới tác dụng nhiệt của lửa. Các kết cấu hiện đại
và kết cấu liên hợp có thể chịu lửa bằng cách kết hợp với bê tông
cốt thép, bê tông sẽ bảo vệ thép do bê tông có khối lượng lớn
và dẫn nhiệt kém;
Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc
một phần. Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong thép
mà còn tăng khả năng chịu lực, tăng độ ổn định của cấu kiện.
1.3.3.

1.3.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so

với kết cấu khác
Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn
nhiều so với kết cấu không liên hợp. Điều này thể hiện rõ qua


8
các kết quả so sánh. Kết cấu liên hợp thép – bê tông có thể
đạt hiệu quả kinh tế cao.
1.4. Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông:
Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (ConcreteFilled Steel Tube – viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống gồm
các cấu kiện chịu lực chính gồm các ống thép được nhồi đặc bằng bê
tông cường độ cao hoặc trung bình. Hệ thống kết cấu CFST có nhiều
ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả
năng chống cháy. Nói chung, loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp
dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà, xưởng, và các công
trình cầu đường.
1.5. Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông
+ Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ
kết cấu truyền thống của công trình mà có những cấu kiện chịu nén
chủ yếu, đó là các cột, trụ, thanh biên cột điện, các thanh chịu nén
của giàn và vòm.
+ Thứ hai: lập các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải
trọng tính toán chủ yếu do ống thép nhồi bê tông chịu. Theo cách thứ
hai này thì cần lưu ý áp dụng mấy nguyên lí sau:
Nguyên lí tập trung vật liệu, các cấu kiện nên được làm to lên
thì tổng khối lượng toàn kết cấu sẽ được giảm nhẹ nhờ khả năng chịu
lực của kết cấu tăng nhanh hơn so với sự tăng khối lượng của nó.
Nguyên lí đơn giản hóa hình dạng kết cấu.
Nguyên lí về sự kết hợp chức năng.
1.6. Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông.

1.6.1. Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao
Giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông cũng đã được ứng
dụng khá hiệu quả trong trường hợp kết cấu công trình nằm trong
vùng có động đất, do chúng có mức độ ổn định và độ tin cậy cao khi


9
chịu tải trọng động. Điều này đã được kiểm nghiệm qua thực tế tại
nhiều trận động đất lớn, như trận động đất Kobe ở Nhật Bản năm
1995 hay trận động đất Northridge ở Hoa Kì năm 1994.
1.6.2. Công năng sử dụng hiệu quả
Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà
càng cao và nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và
moment trong dầm càng lớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000
tấn đối với công trình nhà cao hơn 30 tầng, Như vậy, nếu chỉ sử dụng
giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì kích thước tiết
diện yêu cầu của cột là rất lớn. Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết
cấu bê tông cốt thép (không liên hợp) thì kích thước tiết diện cột yêu
cầu cho nhà cao 40 tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5x1,5m; tuy
nhiên kích thước này sẽ được giảm xuống còn khoảng 1x1m khi sử
dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông. Như vậy, việc ứng
dụng giải pháp kết cấu cột liên hợp sẽ tạo cho công trình gọn nhẹ và
tăng không gian sử dụng.


10
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN
CHO KẾT CẤU
2.1. Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến.

Phân tích đẩy dần được dịch thuật từ thuật ngữ tiếng Anh
(Pushover analysis), phương pháp này đã được giới hạn trong ATC60, Eurocode 8; FEMA–356 và ASCE-41-13 của nước ngoài. Tại
Việt Nam được đưa vào TCVN 9386:2012 và được giới thiệu trong
sách của PGS.TS Nguyễn Lê Ninh.
Đây là phương pháp phân tích gần đúng kết cấu chịu động đất,
đặc điểm của phương pháp này là quá trình biến dạng phi tuyến của
kết cấu xảy ra dưới sự gia tăng đều đặn của một hàm lực ngang trong
khi tải trọng đứng giữ nguyên không đổi. Quá trình tăng đều đặn của
tải trọng ngang này được thực hiện tới khi nút kiểm tra có chuyển vị
ngang bằng chuyển vị mục tiêu định trước ứng với một cấp công
năng định trước của tòa nhà. Chuyển vị mục tiêu được định nghĩa là
chuyển vị ngang lớn nhất tại cao trình đỉnh mái nhà có thể đạt tới
trong quá trình chịu tải trọng động đất.
2.1.1. 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. 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


11
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.
2.1.2. Đặc trưng của khớp dẻo được mặc định theo ASCE-41

(Hinges properties)
Khớp dẻo mặc định cho tiết diện thép được đề xuất bởi tiêu
chuẩn ASCE-41-13 được quy định lấy theo phương trình dưới để
tính momen chảy dẻo và góc xoay chả dẻo cho cột và dầm thép:
My = Fy.Z

Fy ZL
y

Trong đó:

6EI

Fy : giới hạn chảy của thép
Z : Mô đun dẻo của tiết diện
L: chiều dài của thanh
E : mô đun đàn hồi

I : mô men quán tính của cấu kiện chịu uốn
Khớp dẻo mặc định được gán cho dầm theo khả năng quay của
khớp, khớp dẻo mặc định gán cho cột PMM (lực dọc và mô men
theo 2 phương) cũng được gán là khả năng quay của khớp mà không
quan tâm tới kích thước tiết diện. Trong phạm vi luận văn này khớp
dẻo được lấy là PM ( lực dọc cột và mô men theo phương khung
đang xét).
Khớp dẻo mặc định theo ASCE-41-13 được sử dụng để phân
tích đẩy dần, bảng 9-6 cho dầm (steel beams – flexure) và cột (steel
columns – flexure) của kết cấu thép, bảng 10-7 cho dầm bê tông

12
(concrete beams – flexure) và bảng 10-8 cho cột bê tông (Concrete
columns).
2.1.3. Sử dụng kết quả của phương pháp đẩy dần:
Phân tích đẩy dần có thể đạt được những kết quả sau:
- Ước tính độ trôi từng tầng và sự phân phối độ trôi tầng dọc
theo chiều cao.
- Xác định lực dọc cho các phần tử dễ phá hoại giòn.
- Xác định biến dạng cho các cấu kiện chịu uốn.
- Chỉ ra vị trí xuất hiện khớp dẻo trên kết cấu.
- Xác định được ảnh hưởng của sự chảy dẻo các cấu kiện
thành phần đến sự phân bố lại nội lực của kết cấu.
- Xác định sự phân phối lực cắt đáy phù hợp và đầy đủ lên
công trình.
2.1.4.
dần:

Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp đẩy

Mặc dù phương pháp đẩy dần có ưu thế hơn các phương pháp
phân tích đàn hồi, nhưng các giả thuyết, tính chính xác của các kết
quả và các hạn chế của phương pháp cần phải được kiểm tra với kết
quả “chính xác” (phương pháp RHA). Chuyển vị mục tiêu, lựa chọn
cách phân phối lực cắt đáy, phá hoại công trình ở các dạng dao động
bậc cao, đặc trưng khớp dẻo của cấu kiện là những vấn đề quan trọng
ảnh hưởng tới tính chính xác của kết quả phân tích.
Phương pháp nghiên cứu:
Trong luận văn này công trình dùng để thực hiện là công trình
có 6 tầng nối, không có tầng hầm, sử dụng cột liên hợp CFRT và
dầm thép hình chữ I, được xây dựng giả định tại California, Hoa Kì.

Qua quá trình tính toán nội lực, kiểm tra tự động được thực hiện
bằng phần mềm ETABS để xác định được tiết diện, kích thước của
2.1.5.


13
từng loại cấu kiện. Từ đó sử dụng chức năng phân tích đẩy dần lên
mô hình công trình bằng phần mềm SAP2000. Các thuộc tính về
khớp dẻo của kết cấu được sử dụng mặc định trong phần mềm.
Sau khi phân tích đẩy dần thu được đường cong quan hệ lực –
chuyển vị của công trình sử dụng hệ cột liên hợp CFRT. Các loại
công trình như: khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT và dầm thép
chữ I tương đương về khả năng chịu lực và độ cứng, khung 6 tầng
dùng cột và dầm bê tông cốt thép (tương đương khả năng chịu lực),
khung 6 tầng dùng cột và dầm bê tông cốt thép (tương đương độ
cứng), khung 6 tầng dùng cột và dầm bê tông cốt thép (tương đương
kích thước tiết diện) cũng được thiết kế và phân tích đầy dần bằng
phần mềm SAP2000 để thu về các giá trị trên đường cong lực chuyển vị tương tự như quá trình thực hiện đối với khung CFRT.
Từ các kết quả đường cong đẩy dần đó đem so sánh với nhau
để biết được mức độ về khả năng chịu lực của từng loại khung cũng
như ưu điểm vượt trội của cấu kiện liên hợp CFRT so với các loại
cấu kiện khác dưới tác dụng của tải trọng ngang.
2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến:
Vấn đề phân tích động lực học phi tuyến (gọi tắt là động phi
tuyến) kết cấu công trình chịu tải trọng động đất theo phương pháp
lịch sử thời gian (nonlinear time-history analyses) được quan tâm
gần đây vì những ưu điểm của nó như: Khắc phục được những nhược
điểm của phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính khi thiết kế
những công trình có kết cấu đặc biệt, phức tạp (phương pháp này yêu
cầu kết cấu phải thỏa mãn nhiều yêu cầu mang tính định lượng theo

các điều khoản trong tiêu chuẩn áp dụng), phân tích chính xác hơn
ứng xử của kết cấu có thể giúp giảm bớt kích thước tiết diện, làm
giảm chi phí đầu tư mà vẫn đảm bảo an toàn khi sử dụng


14
Phương pháp phân tích động phi tuyến cho phép xét đến khả
năng tiêu tán năng lượng một cách chính xác và đầy đủ hơn là chỉ
thông qua một hệ số ứng xử q, đặc biệt với những hệ kết cấu nhà cao
tầng hoặc các hệ kết cấu phức tạp mà tiêu chuẩn chưa đề cập hết.
Hơn nữa, phân tích động phi tuyến có thể cho biết chính xác vị trí và
thời điểm hình thành khớp dẻo trong kết cấu, trong khi phương pháp
phân tích phổ phản ứng dạng dao động không cho biết được điều này.


15
CHƯƠNG 3
ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CFRT QUA PHÂN
TÍCH TĨNH PHI TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000
3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000:
Ứng xử phi tuyến của phần tử trong mỗi khung được giới thiệu
bằng một khớp dẻo danh nghĩa trong SAP2000, sự giảm khả năng
xảy ra với một khớp dẻo khi khớp dẻo đạt đến độ dốc âm của đường
cong lực – chuyển vị của nó trong quá trình phân tích đẩy dần.
IO (Immediate Occupancy): làm việc bình thường
LS (Life Safety): Kiểm soát hư hỏng
CP (Collapse Prevention): Ngăn ngừa sụp đổ
Phần tử kết cấu trong SAP2000
3.2 Xây dựng mô hình phân tích:
Trong phần này sẽ tiến hành mô hình 3 cấu trúc khung 6 tầng:

Khung sử dụng cột thép hình chữ nhật nhồi bê tông (CFRT) và dầm
thép hình chữ I; khung sử dụng cột thép hình trụ nhồi bê tông (CFT)
và dầm thép hình chữ I; cấu trúc còn lại là khung sử dụng cột và dầm
bê tông cốt thép thông thường (RC). Chương trình SAP2000 được sử
dụng cho việc phân tích tĩnh phi tuyến của các cấu trúc trên. Sàn nhà
dày 100mm. Kết quả của các quá trình phân tích sẽ được so sánh với
nhau để đánh giá sự chênh lệch và xác định chính xác các phản ứng
địa chấn của kết cấu khi chịu động đất.
3.3 Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT:
Khung CFRT 6 tầng, chiều cao mỗi tầng h=3,5m có mặt bằng
bố trí như sau:
Xác định tải trọng:


16
Tĩnh tải sàn
Hoạt tải
Tải trọng gió:
Tải trọng động đất:
Xác định sơ bộ kích thước cột CFRT
Xác định sơ bộ kích thước dầm thép chữ I
Sau khi thiết kế khung CFRT bằng phần mềm ETABS, ta tiến hành
phân tích đẩy dần (pushover) bằng phần mềm SAP2000
3.4. Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT
Khung 6 tầng sử dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông CFT và
dầm thép chữ I. Cấu trúc của khung tương tự về kích thước, hình
dạng, số lượng tầng, chiều cao tầng so với khung CFRT nhưng chỉ có
sự khác nhau về tiết diện cột và loại cột.
Xác định sơ bộ tiết diện cột CFT
 Tương đương về độ cứng uốn

 Tương đương về khả năng chịu lực
Mô hình phân tích đẩy dần khung bằng SAP2000
3.5. Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC)
Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt
thép thông thường có cấu trúc tương tự về số nhịp, khoảng cách nhịp,
hình dạng, số lượng tầng, chiều cao tầng nhưng chỉ có sự khác nhau
về tiết diện và kích thước cấu kiện thành phần. Vì mục đích so sánh
nên cột và dầm RC phải tương đương về độ cứng và khả năng chịu
lực so với cột liên hợp CFRT.
Khung RC tương đương về khả năng chịu lực (tương
đương cường độ)
 Xác định sơ bộ kích thước cột
 Xác định sơ bộ tiết diện dầm BTCT:


17
Sau khi tiên hành chạy mô hình phân tích, sự phân bố khớp
dẻo sẽ thu được từ chương trình SAP2000 của cấu trúc khung RC 6
tầng
Khung RC tương đương độ cứng
Độ cứng của cột RC phải tương đương với độ cứng của cột
CFRT
Sau khi tiên hành chạy mô hình phân tích đẩy dần, sự phân bố
khớp dẻo sẽ thu được từ chương trình SAP2000 của cấu trúc khung
RC 6
Khung RC tương đương kích thước tiết diện
Trường hợp này chọn kích thước cột RC tương đương với kích
thước cột CFRT: A = b x h = 0,4m x 0,4m = 0,16 (m2).
Sau khi tiên hành chạy mô hình phân tích đẩy dần, sự phân bố
khớp dẻo sẽ thu được từ chương trình SAP2000 của cấu trúc khung

RC 6 tầng
Sau khi tiến hành thiết kế, phân tích đẩy dần Pushover bằng
phần mềm SAP2000, biểu đồ dưới đây thể hiện sự so sánh giữa các
đường cong quan hệ Lực – Chuyển vị của các khung CFRT, CFT,
RC (tương đương khả năng chịu lực), RC (tương đương độ cứng) và
RC (tương đương kích thước tiết diện):
Bảng 3.6. Kích thước các loại cột của các hệ kết cấu
Tầng

1 đến 6

Đơn vị

CFRT

400x400x20

mm

CFT

460x20

mm

Cột RC tương đương cường
độ

650x650

mm


18
Cột RC tương đương độ cứng

510x510

mm

Cột RC tương đương kích
thước

400x400

mm


19

3.6. Kết luận chương 3
Trong luận văn này, các ứng xử động đất của năm loại cấu trúc
khung 6 tầng, bao gồm các cột CFRT, Cột CFT, và các cột RC, đã
được nghiên cứu. Các phản ứng địa chấn của CFRT, CFT, và cấu
trúc RC trong các phân tích đẩy dần đã được so sánh và một số kết
luận được nhận xét như sau:
Độ cứng, độ dẻo của các hệ khung đều ảnh hưởng vào loại tiết
diện, kích thước cấu kiện thành phần cũng như hàm lượng cốt thép.
Thông qua biểu đồ đường cong đẩy dần ta thấy được những ưu
điểm vượt trội của kết cấu cột liên hợp thép bê tông dưới tác dụng

của tải trọng động đất so với các loại kết cấu bê tông cốt thép thông
thường.
Các kết quả phân tích đẩy dần cho thấy độ dẻo dai và ứng xử
địa chấn của cấu trúc CFRT là cao hơn các cấu trúc RC. Cấu trúc
CFRT được khuyến cáo nên được dùng trong các vùng địa chấn.


20
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận.
Phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức (static
pushover analysis) xét về bản chất cũng chỉ là phương pháp gần
đúng mà thôi, thay vì việc phân tích động kết cấu thì chỉ tác dụng tải
trọng tĩnh.
Thiết kế khung liên hợp thép bê tông chịu tải trọng động đất
theo phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức phù hợp với
tiêu chuẩn kháng chấn hiện đại là: đảm bảo kết cấu có khả năng chịu
lực lớn trong miền đàn hồi và đảm bảo cho kết cấu có khả năng phân
tán năng lượng khi động đất mạnh xảy ra thông qua biến dạng dẻo
trong giới hạn cho phép.
Phương pháp phân tích tĩnh bằng đẩy cưỡng bức cho phép dự
đoán được vị trí các khớp dẻo sẽ xuất hiện trong khung, qua đó điều
chỉnh thiết kế sao cho vị trí khớp dẻo xuất hiện đúng mong muốn của
người thiết kế.
2. Kiến nghị.
Đối với hệ khung liên hợp thép bê tông nhiều tầng được thiết
kế chịu tải trọng động đất cần tính đến sự làm việc sau đàn hồi của
các bộ phận kết cấu thông qua phương pháp phân tích tĩnh bằng
đẩy dần. Tuy nhiên để ứng dụng phương pháp này cần có nhiều
nghiên cứu tiếp cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Ngoài ra cần có những nghiên cứu sâu hơn để áp dụng cho tiêu
chuẩn Việt Nam, đồng thời mở rộng cho các loại kết cấu khác cũng
như loại vật liệu khác như thép.