Xây dựng đường đặc tính pushover trong hệ kết cấu khung có dầm chuyển

///

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THẠC VŨ

XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH PUSHOVER
TRONG HỆ KẾT CẤU KHUNG CĨ
DẦM CHUYỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THẠC VŨ

XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH PUSHOVER
TRONG HỆ KẾT CẤU KHUNG CĨ
DẦM CHUYỂN

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. PHAN QUANG MINH

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Đà Nẵng, tháng 07 năm 2017

NGUYỄN THẠC VŨ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
5. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN
NAY................................................................................................................................. 4
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN ......................................... 4
1.1.1. Đặc điểm dầm chuyển .................................................................................. 4
1.1.2. Các dạng dầm chuyển trong hệ kết cấu ........................................................ 4
1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU TRONG
THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN ................................................................................... 6
1.2.1. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương ................................................... 8

1.2.2. Phương pháp phổ phản ứng .......................................................................... 9
1.3. CÁC TIÊU CHÍ PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ .............................................................. 9
1.3.1. Xem xét độ cứng và chuyển vị ..................................................................... 9
1.3.2. Kiểm tra hạn chế hư hỏng ........................................................................... 10
1.3.3. Kiểm tra ảnh hưởng bậc hai ........................................................................ 10
1.4. THIẾT KẾ THEO KHẢ NĂNG ............................................................................ 11
1.4.1. Quy trình thiết kế ........................................................................................ 11
1.4.2. Cơ chế chảy dẻo mong muốn của khung khi chịu động đất ....................... 11
1.5. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THEO TCVN 9386:2012................... 12
CHƯƠNG 2. ĐẶC TÍNH KHỚP DẺO CỦA TIẾT DIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP
ĐẨY DẦN TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU .......................................................... 14
2.1. XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH KHỚP DẺO CỦA TIẾT DIỆN .................... 14
2.1.1. Cấp độ làm việc IO ..................................................................................... 14
2.1.2. Cấp độ làm việc LS..................................................................................... 14
2.1.3. Cấp độ làm việc CP .................................................................................... 14
2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐẨY DẦN PUSHOVER .......................................................... 18
2.2.1. Nội dung và mục đích của phương pháp .................................................... 18
2.2.2. Mơ hình hóa và kết quả ............................................................................. 18


2.2.3. Xác định chuyển vị mục tiêu ...................................................................... 19
2.3. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................... 21
2.3.1. Tổng quan ................................................................................................... 21
2.3.2. Thiết kế cốt thép dọc tại khớp dẻo dầm theo tiêu chí hạn chế hư hỏng ..... 21
2.3.3. Lựa chọn mơ hình tải để phân tích ............................................................. 22
2.3.4. Mơ hình phi đàn hồi một phần PIM............................................................ 23
2.3.5. Kiểm tra các tiêu chí hạn chế hư hỏng ....................................................... 23
2.3.6. Thiết kế cột theo tiêu chí hư hỏng đáng kể ................................................. 24
2.3.7. Thiết kế cốt đai cho các cấu kiện ................................................................ 24
2.3.8. Chi tiết cốt đai, neo và nối chồng ............................................................... 24

CHƯƠNG 3. THÍ DỤ TÍNH TỐN: PHÂN TÍCH HỆ KHUNG PHẲNG 7
TẦNG, 3 NHỊP, XÂY DỰNG TẠI TP. ĐÀ NẴNG .................................................. 26
3.1. MƠ HÌNH KHUNG VÀ SỐ LIỆU THIẾT KẾ ..................................................... 26
3.2. THIẾT KẾ KHUNG THEO TCVN 5574:2012 ..................................................... 31
3.2.1. Xác định tải trọng ngang tại các tầng ......................................................... 31
3.2.2. Kiểm tra các điều kiện theo TCVN 9386:2012 .......................................... 32
3.2.3. Thiết kế dầm và cột..................................................................................... 33
3.3. XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH PUSHOVER (ĐƯỜNG BIỂU DIỄN MỐI
QUAN HỆ GIỮA LỰC CẮT ĐÁY VÀ CHUYỂN VỊ NGANG) ....................... 38
3.3.1. Quy trình phân tích hệ kết cấu theo phương pháp đẩy dần ........................ 38
3.3.2. Kết quả tính tốn bằng phần mềm SAP2000 .............................................. 38
3.3.3. Trình tự tiến hành xác định chuyển vị mục tiêu theo TCVN 9386:2012 ... 42
3.3.4. Thiết kế theo chuyển vị mục tiêu ................................................................ 44
3.3.5. So sánh phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần (pushover) và
phương pháp tĩnh lực ngang tương đương .................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 49
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ATC

Applied Technology Council

BTCT
CP

Hội đồng ứng dụng công nghệ
Bê tông cốt thép

Collapse Prevention

DDBD

Trạng thái ngăn ngừa sụp đổ
Direct Displacement-Based Design

DL

Thiết kế trực tiếp dựa trên chuyển vị
Damage Limitation
Trạng thái hạn chế hư hỏng

TCVN 9386: 2012 Eurocode 8
Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn eurocode 8
FBD
Force – Based Design
Thiết kế dựa trên lực
FEMA
Federal Emergency Management Agency
FF
IO
LS
MDOF
NC
O
PBSD
PIM

Cơ quan liên bang quản lý tình trạng khẩn cấp

Fully Functional
Đầy đủ chức năng
Immediate Occupancy
Trạng thái hạn chế hư hỏng
Life Safety
Trạng thái hư hỏng nhưng vẫn an toàn
Multi-Degree-of-Freedom
Hệ nhiều bậc tự do
Near collapse
Trạng thái gần sụp đổ
Operational
Duy trì hoạt động
Performance Based Seismic Design
Thiết kế kháng chấn dựa trên sự làm việc
Partial Inelastic Model

Mô hình phi đàn hồi một phần
PUSHOVER Static Pushover Analysis
Phân tích tĩnh phi tuyến hay phương pháp đẩy dần PUSHOVER


SD

Significant Damage
Trạng thái hư hỏng đáng kể

SDOF

Single-Degree-of-Freedom
Hệ một bậc tự do

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
KÝ TỰ LA TINH

x max

Chuyển vị lớn nhất

xy

Chuyển vị tại điểm chảy dẻo đầu tiên

q
Fel

Hệ số ứng xử
Lực quán tính lớn nhất của hệ SDOF

Fy
Se(T)

Lực quán tính tại điểm chảy dẻo đầu tiên của hệ
Phổ phản ứng gia tốc nền đàn hồi theo phương nằm ngang còn gọi là
phổ phản ứng đàn hồi.

T
ag
Sd(T)

Chu kỳ dao động của hệ đàn hồi một bậc tự do
Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A
Tung độ phổ thiết kế tại chu kỳ T

T1
Fb

Chu kỳ cơ bản của hệ
Lực cắt đáy thiết kế

mi

Khối lượng tầng thứ i

Sd

Phổ thiết kế trong phân tích đàn hồi

Fi
zi

Lực ngang tác dụng tại tầng i
Chiều cao của khối lượng mi

ds
qd
der
dr

Chuyển vị gây ra bởi các tác động động đất thiết kế

Hệ số ứng xử chuyển vị
Chuyển vị từ phân tích đàn hồi tuyến tính
Chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng

Ved

Lực cắt thiết kế tính tốn

l cl

Chiều dài thơng thủy của dầm hoặc cột

MR,i
MRb,i

Momen chảy dẻo của dầm ở đầu mút i
Giá trị thiết kế của độ bền uốn của dầm ở đầu mút i

M

Rb

Tổng độ bền khả năng dầm tại bề mặt nút theo hướng động đất đang
xét

M
Vg
Md,i
MRc,i

Rc

Tổng độ bền khả năng cột tại bề mặt nút theo hướng động đất đang xét
Lực cắt của tải trọng đứng thiết kế
Momen chảy dẻo của cột ở đầu mút i
Giá trị thiết kế của độ bền uốn của cột ở đầu mút i


d

Chiều cao làm việc của tiết diện

z

Cánh tay đòn của ngoại lực

As

Diện tích cốt thép chịu kéo

A’s
fyk
fyd

Diện tích cốt thép chịu nén
Giới hạn chảy danh nghĩa của thép
Giá trị thiết kế của giới hạn chảy của thép

fck
fcd

Giới hạn cường độ chịu nén danh nghĩa của bê tông
Giá trị thiết kế của cường độ chịu nén của bê tông

fctm
b

Giá trị trung bình của cường độ chịu kéo của bê tơng
Chiều rộng cánh dưới của dầm

hw
Mcap
dbL
dbw
hw
bc

Chiều cao tiết diện ngang của dầm
Momen khả năng
Đường kính thanh cốt thép dọc
Đường kính thanh cốt thép đai
Chiều cao tiết diện ngang dầm
Kích thước ngang của cột

hc
beff
bi
bo
m*
dn

Fb*

Chiều cao tiết diện ngang của cột
Chiều rộng ảnh hưởng của cánh dầm chịu kéo tại bề mặt cột đỡ
Khoảng cách giữa các thanh liền kề nhau được giới hạn bởi góc uốn
của cốt thép đai hoặc bởi đai móc trong cột
Bề rộng của phần lõi có cốt đai hạn chế biến dạng trong cột
Khối lượng của hệ SDOF
Chuyển vị tại nút kiểm soát của hệ MDOF
Lực cắt đáy của hệ SDOF

dn*
Fy*
dy*

Chuyển vị tại nút kiểm soát của hệ SDOF
Lực cắt đáy khi hình thành cơ cấu dẻo
Chuyển vị dẻo của hệ SDOF

E *m

Năng lượng biến dạng thực tế cho đến khi hình thành cơ cấu dẻo

d*m

Chuyển vị chảy dẻo của hệ MDOF

T*

Chu kỳ của hệ SDOF tương đương lý tưởng

Chuyển vị mục tiêu của hệ MDOF

dt


KÝ TỰ HY LẠP
Độ dẻo kết cấu


1

Hệ số nhân của tác động động đất thiết kế theo phương nằm ngang tại
thời điểm hình thành khớp dẻo đầu tiên trong hệ kết cấu

u

Hệ số nhân của tác động động đất thiết kế theo phương nằm ngang tại



thời điểm hình thành cơ chế dẻo toàn bộ
Hệ số điều chỉnh độ cản




 Rd

Hệ số hiệu chỉnh



Hệ số dẻo kết cấu khi uốn

 ed

Ứng suất cắt thiết kế

syd

Giá trị thiết kế của biến dạng thép tại điểm chảy dẻo



Hàm lượng cốt thép chịu kéo

'

Hàm lượng cốt thép chịu nén trong dầm

max

Hàm lượng cốt thép chịu kéo cho phép tối đa trong vùng tới hạn của

Hệ số chiết giảm liên quan đến chu kỳ lặp thấp hơn tác động động
Hệ số độ nhạy với chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng
Hệ số xét sự vượt độ bền do sự tái bền của cốt thép

dầm kháng chấn chính

d

Lực dọc quy đổi trong tình huống thiết kế chịu động đất

i


Chuyển vị chuẩn hóa tại tầng i
Hệ số chuyển đổi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

3.1.

Các số liệu thiết kế

27

3.2.

Xác định tải trọng gió tác dụng vào khung

27

3.3.

Tải trọng ngang tại các tầng

31

3.4.

Chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng

32

3.5.

Hệ số độ nhạy của chuyển vị ngang tương đối giữa các tần
g

32

3.6.

Tính thép dọc dầm khung

33

3.7.

Tính thép dọc cột khung

36

3.8.

Khối lượng và chuyển vị chuẩn hóa tại các tầng

44

3.9.

Lực cắt đáy và chuyển vị hệ nhiều bậc tự do và một bậc tự
do tương đương

45

3.10.

Tải trọng thiết kế

47


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1.

Dầm đỡ 1 hoặc nhiều cột

5

1.2.

Dầm đỡ vách liên tục

5

1.3.

Dầm đỡ vách không liên tục

5

1.4.

Sơ đồ khung theo yêu cầu kết cấu và kiến trúc

6

1.5.

Sự tương đương của độ dẻo và hệ số ứng xử với chuyển vị đàn
hồi và phi đàn hồi

7

6a.

Cột khỏe – dầm yếu

7

6b.

Cột yếu – dầm khỏe

12

2.1.

Đường đặc tính khớp dẻo trong dầm

15

2.2.

Đường đặc tính khớp dẻo tiết diện khơng chịu lực dọc

17

2.3.

Đường đặc tính khớp dẻo tiết diện có sự tham gia của lực dọc

17

2.4.

Phương pháp đẩy dần Pushover

19

2.5.

Quan hệ lực – đàn dẻo lý tưởng

20

2.6.

Mơ hình phi đàn hồi một phần PIM

23

2.7.

Quy trình thiết kế theo phương pháp nghiên cứu

25

3.1.

Đặc trưng hình học của khung (đơn vị: mm)

26

3.2.

Sơ đồ Tĩnh tải

28

3.3.

Sơ đồ Hoạt tải

29

3.4.

Sơ đồ Tải trọng gió

30

3.5.

Biểu đồ momen bước 1

39

3.6.

Vị trí xuất hiện khớp dẻo

39

3.7.

Biểu đồ momen bước 2

40

3.8.

Vị trí xuất hiện khớp dẻo

40

3.9.

Sơ đồ hệ và vị trí các khớp dẻo ở giai đoạn cuối cùng

41

3.11.

Xác định quan hệ giữa lực - chuyển vị đàn dẻo lý tưởng

43

3.12.

Đường cong pushover của hệ nhiều bậc tự do và hệ 1 bậc tự
do tương đương

45


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, hệ kết cấu có dầm chuyển bắt đầu được sử dụng phổ
biến, nhằm đáp ứng yêu cầu thay đổi công năng sử dụng theo chiều cao của công trình,
ví dụ như các cơng trình bên dưới sử dụng để làm khu thương mại còn bên trên sử
dụng để xây dựng căn hộ. Hệ kết cấu có dầm chuyển được sử dụng trong các kết cấu
cao tầng cũng như thấp tầng với nhiều hình thức khác nhau. Việc thiết kế hệ kết cấu có
dầm chuyển chủ yếu dựa vào phân tích sự làm việc tuyến tính của kết cấu, điều này là
thiếu chính xác.
Hiện nay có nhiều phương pháp phân tích phi tuyến kết cấu, trong đó phương
pháp đẩy dần (pushover analysis) được xem như là công cụ khá hiệu quả để ứng dụng
vào thiết kế thực tế. 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, đồng thời cho phép xác
định chuyển vị ngang khơng đàn hồi trên tồn bộ chiều cao của cơng trình và cách
thức sụp đổ của hệ kết cấu.
Phương pháp đẩy dần PUSHOVER (pushover) được nghiên cứu để xác định
phản ứng động đất lên hệ kết cấu trong vài thập kỷ qua. Tác giả Lê Xuân Quang và
Trịnh Quang Thịnh (2010) đã sử dụng phương pháp này để kiểm tra sự làm việc của
hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang và đánh giá sự hợp lý của thiết kế. Tiêu chuẩn
TCVN 9386:2012 Phần 1 cũng gợi ý rằng: phương pháp này có thể sử dụng như là
một phương pháp thiết kế trực tiếp thay cho phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính
có sử dụng hệ số ứng xử q, nhưng hướng dẫn để áp dụng trong thực hành rất hạn chế,
chỉ gồm cách điều chỉnh các trận động đất phù hợp với trận động đất thiết kế và cách
xác định chuyển vị mục tiêu. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 cho phép, nếu thực hiện

phân tích tĩnh phi tuyến (đẩy dần), thì có thể bỏ qua thành phần đứng của tác động
động đất. Việc phân tích tĩnh phi tuyến đối với hệ kết cấu có dầm chuyển cho kết quả
sát với sự làm việc thực tế của hệ kết cấu, trong đó tác động ngang và tác động thẳng
đứng của động đất lên cơng trình đã được xét đến trong q trình phân tích.
Kappos và Manafpour (2001) đã phát triển một phương pháp luận PBSD của các
công trình BTCT, trong đó chủ yếu sử dụng phân tích động phi đàn hồi và phát triển
một định dạng thích hợp để đưa vào tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9386:2012. Manafpour
(2004) đã kết hợp giữa FBD với phương pháp phân tích phi đàn hồi trong q trình
thiết kế để kiểm sốt biến dạng q mức, phân tích và đánh giá được thực hiện chủ yếu
bằng phân tích động phi đàn hồi và gợi ý cho phân tích tĩnh phi đàn hồi. Tất cả các


2
nghiên cứu này đều được thực hiện bằng phần mềm IDARC 4.0. Trong đó, các cấp độ
làm việc và thuộc tính khớp dẻo được xác định theo FEMA273 mặc định trong phần
mềm. Phương pháp phân tích động phi đàn hồi là một phương pháp chính xác, nhưng
khá phức tạp và mất thời gian nên không được xem xét ở đây.
Trong luận văn này, tác giả sử dụng một phương pháp thiết kế kháng chấn trực
tiếp đơn giản hơn dựa vào phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần như đã đề cập đến trong
TCVN 9386:2012. Để minh họa chi tiết cho ưu và nhược điểm của phương pháp
nghiên cứu, một khung BTCT 7 tầng, 3 nhịp, có dầm chuyển tại vị trí tầng 2 được thiết
kế theo TCVN 9386:2012 và phương pháp phân tích đẩy dần (pushover). Các cấp độ
làm việc và chuyển vị mục tiêu của hệ kết cấu được xác định theo TCVN 9386:2012
bằng phần mềm SAP2000 v19. Một quy trình đánh giá được thực hiện bằng phương
pháp này, bao gồm một số tiêu chí để đánh giá và so sánh sự làm việc kháng chấn của
các khung thiết kế.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu các dạng hệ kết cấu có dầm chuyển
- Nghiên cứu quy trình phân tích phi tuyến hệ kết cấu khung có dầm chuyển theo

phương pháp đẩy dần, xây dựng đường đặc tính pushover của hệ kết cấu (đường biểu
diễn quan hệ giữa lực cắt đáy và chuyển vị ngang)
- So sánh kết quả giữa việc phân tích phi tuyến và phân tích tuyến tính kết cấu, từ
đó đưa ra một số lưu ý trong vấn đề thiết kế hệ kết cấu khung có dầm chuyển.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu khung phẳng có dầm chuyển, cao tầng hoặc
thấp tầng
- Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng đường đặc tính pushover và ứng dụng đường
đặc tính đó trong thiết kế kết cấu.

4. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra các phương pháp nghiên cứu
sau:
- Nghiên cứu quy trình thiết kế kháng chấn theo TCVN 9386:2012
- Tìm hiểu phương pháp đẩy dần pushover trong phân tích kết cấu. Xác định
đường đặc tính dẻo của tiết diện bê tơng cốt thép (đường biểu diễn mối quan hệ giữa
Moment uốn và biến dạng). Từ đó áp dụng vào việc phân tích hệ kết cấu khung có
dầm chuyển theo phương pháp đẩy dần với các đặc trưng khớp dẻo đã có. Trên cơ sở
phân tích lý thuyết, áp dụng phân tích một hệ kết cấu khung phẳng có dầm chuyển, từ
đó xây dựng đường đặc tính pushover của hệ kết cấu
- Mơ hình hóa, phân tích kết cấu bằng phần mềm SAP2000 và RESPONSE-2000


3
- Nghiên cứu và xây dựng quy trình thiết kế kháng chấn dựa trên phân tích tĩnh
phi tuyến.

5. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, luận văn bao gồm ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về các dạng hệ kết cấu có dầm chuyển và các phương
pháp phân tích phi tuyến hệ kết cấu được sử dụng hiện nay
Chương 2: Đặc tính khớp dẻo của tiết diện và phương pháp đẩy dần trong phân
tích kết cấu.
Chương 3: Thí dụ tính tốn: phân tích hệ khung phẳng 7 tầng, 3 nhịp, xây dựng
tại TP. Đà Nẵng.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU
ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN NAY

1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU CÓ DẦM CHUYỂN
Ngày nay, nhà nhiều tầng đều là những cơng trình phức hợp đáp ứng nhiều cơng
năng: thương mại, dịch vụ ở các tầng dưới, văn phòng làm việc và căn hộ ở các tầng
bên trên. Yêu cầu này đòi hỏi các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ
hơn ở các tầng trên. Giải pháp đòi hỏi một kết cấu chuyển giữa các tầng. Tại thành phố
Hồ Chí Minh, kết cấu dầm (sàn) chuyển đã được sử dụng cho các cơng trình: Hùng
Vương Plaza (37 tầng), Sài Gòn Pearl (39 tầng), Sealing Tower (26 tầng), căn hộ cao
cấp Hạnh Phúc (20 tầng), cao ốc văn phòng Nhơn Trạch – Đồng Nai (17 tầng). Tại Đà
Nẵng, cơng trình khách sạn Grand Mercure (22 tầng) cũng sử dụng hệ kết cấu dầm
(sàn) chuyển. Tuy nhiên, các tài liệu nghiên cứu và phân tích kết cấu dầm (sàn) chuyển
chưa được phổ biến rộng rãi tại Việt Nam.
1.1.1. Đặc điểm dầm chuyển
Ưu điểm
Giải quyết được việc “trốn cột”, tạo khơng gian lớn cho tầng bên dưới, kết cấu
chuyển có khả năng vượt nhịp lớn, nhịp có thể lên đến 16-20m, giảm kích thước cấu

kiện của các tầng trên kết cấu chuyển.
Khuyết điểm
Tải trọng tập trung bên trên kết cấu dầm chuyển khá lớn, khi xảy ra động đất kết
cấu rất dễ phá hoại.
Tính tốn, thi cơng dầm chuyển tương đối phức tạp, khó khăn trong lắp dựng
giàn giáo cũng như đổ bê tơng tồn khối cấu kiện lớn.
Trọng lượng bản thân cơng trình phân bố khơng đồng điều, tập trung khối lượng
lớn ở tầng có dầm chuyển làm cho cơng trình dễ mất ổn định khi có ngoại lực tác dụng
vào cơng trình (động đất, gió bão) và các kết cấu bên dưới của dầm chuyển dễ mất ổn
định.
1.1.2. Các dạng dầm chuyển trong hệ kết cấu
Theo hình học kết cấu chuyển có 4 dạng cơ bản sau


5

Hình 1.1. Dầm đỡ 1 hoặc nhiều cột

Hình 1.2. Dầm đỡ vách liên tục

Hình 1.3. Dầm đỡ vách khơng liên tục

Trong kết cấu chuyển chia ra 3 cấu kiện (bộ phận) cơ bản sau:
- Cấu kiện truyền tải bên trên dầm chuyển
- Cấu kiện nhận tải – dầm chuyển
- Cấu kiện chống đỡ bên dưới dầm chuyển
Việc sử dụng dầm chuyển trong hệ kết cấu phụ thuộc nhiều vào việc bố trí mặt
bằng của cơng trình. Dạng kết cấu hợp lý của cơng trình thường sử dụng nhiều cột đối
với các tầng dưới và bố trí các khơng gian địi hỏi nhịp lớn (như không gian hội họp,
sân khấu …) tại vị trí các tầng trên. Tuy nhiên, theo yêu cầu về công năng sử dụng của

kiến trúc, các không gian rộng lớn như nhà hàng, siêu thị, sân khấu cần bố trí tại vị trí
các tầng dưới cho tiện việc sử dụng, điều này dẫn đến cần phải có hệ kết cấu dầm
chuyển để tạo được các nhịp có kích thước lớn tại các tầng dưới.


6

(a) Hệ khung hợp lý về mặt kết cấu

(b) Hệ khung theo yêu cầu của kiến trúc

Hình 1.4. Sơ đồ khung theo yêu cầu kết cấu và kiến trúc
1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU
TRONG THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN
Mục đích của thiết kế theo TCVN 9386:2012 nhằm đảm bảo hai mục tiêu làm
việc: “hạn chế hư hỏng” với những trận động đất có tần suất thường xuyên và “không
sụp đổ” trong các trận động đất lớn. Để chịu được các trận động đất này, TCVN
9386:2012 cho phép kết cấu xảy ra một trong hai ứng xử: tiêu tán năng lượng (dẻo)
hoặc không tiêu tán năng lượng (đàn hồi).
Nguyên tắc thiết kế và cấu tạo được cung cấp để phản ánh khả năng dẻo dự định
trong những vùng tới hạn đó. Đặc biệt, cho trường hợp kết cấu BTCT, khi sự làm việc
như vậy chỉ có thể đạt được nếu sự suy giảm độ bền trong các vòng lặp “trễ” được
đảm bảo bởi chi tiết của các vùng tới hạn.
Ba cấp tiêu tán năng lượng được giới thiệu trong TCVN 9386:2012:
- Cấp dẻo thấp (DCL): Hầu như khơng có độ dẻo “trễ” được thiết kế và khả năng
chịu tải trọng động đất thông qua độ bền của kết cấu chứ không phải độ dẻo.


7
- Cấp dẻo vừa (DCM): Cho phép một mức độ khá cao của độ dẻo, tương ứng với

các yêu cầu thiết kế và chi tiết cấu tạo được áp dụng.
- Cấp dẻo cao (DCH): Cho phép ứng xử phi đàn hồi lớn, các yêu cầu về thiết kế
và chi tiết cấu tạo phức tạp hơn.
Trong nhiều trường hợp, thiết kế với giả thiết hệ kết cấu vẫn đàn hồi trong trận
động đất lớn sẽ là khơng kinh tế vì lực yêu cầu sẽ rất lớn. Một thiết kế kinh tế hơn có
thể đạt được bằng cách chấp nhận một số mức độ hư hỏng nhẹ và sử dụng độ dẻo của
kết cấu để giảm lực yêu cầu đến mức chấp nhận được.
Sự chảy dẻo của một kết cấu cũng có tác dụng hạn chế lực quán tính. Trong
TCVN 9386:2012, việc giảm lực này được xác định bởi hệ số ứng xử q:

q

Fel
Fy

(1.1)

Trong đó:
Fel: Lực qn tính lớn nhất của hệ SDOF đáp ứng đàn hồi trong trận động đất.
Fy: Lực qn tính tại điểm chảy dẻo đầu tiên của hệ.

Hình 1.5. Sự tương đương của độ dẻo và hệ số ứng xử với chuyển vị đàn hồi và
phi đàn hồi
Khi thiết kế kết cấu có xét phản ứng phi đàn hồi khi chịu động đất, phương pháp
đơn giản và sử dụng rộng rãi nhất là sử dụng các phương pháp phân tích đàn hồi tuyến
tính nhưng với các lực thiết kế được giảm bằng hệ số ứng xử q.
Trong nhiều trường hợp phức tạp, cách tiếp cận hệ số q có thể khơng chính xác
và sự làm việc phi đàn hồi của kết cấu cần được mô tả thực tế hơn. Trong những
trường hợp này, một phân tích phi tuyến nên được thực hiện bằng cách sử dụng một
trong hai phương pháp: tĩnh phi tuyến (pushover) hoặc phân tích thời gian lịch sử phi

8
tuyến. Thay vì sử dụng một hệ số duy nhất, các phương pháp này yêu cầu các đặc
trưng lực – biến dạng phi tuyến của mỗi cấu kiện.
1.2.1. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương
Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp trong đó lực qn tính
do lực động đất sinh ra tác động lên cơng trình theo phương ngang được thay bằng các
tĩnh lực ngang tương đương. Trong phương pháp này, độ bền thực tế của công trình
được giả định là cao hơn so với độ bền thiết kế và kết cấu có thể tiêu tán năng lượng
thơng qua chảy dẻo. Vì vậy, một phân tích tĩnh được thực hiện để xác định lực cắt đáy
bằng cách giảm phổ phản ứng đàn hồi bằng một hệ số ứng xử q. Sau đó, lực cắt đáy
được phân phối trở lại trên chiều cao cơng trình tại các vị trí có khối lượng tập trung,
thường là tại cao trình bản sàn.
* Nội dung phương pháp:
- Ước tính chu kỳ cơ bản: T1  Ct .h 0.75
Trong đó:
Ct = 0,085 đối với khung thép không gian chịu momen.
Ct = 0,075 đối với khung bê tông không gian chịu momen và khung thép có
giằng lệch tâm.
Ct = 0,05 đối với các kết cấu khác.

4TC
và tiêu chí đều đặn theo mặt đứng
2s


- Kiểm tra: T1  

- Xác định lực cắt đáy :

Tổng lực cắt đáy tại chân cơng trình Fb theo mỗi phương được xác định theo
công thức sau :

Fb  .m.Sd (T1)

(1.2)

Trong đó :
Sd(T1): Tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1.
m: Tổng khối lượng của cơng trình trên móng.
 : Hệ số hiệu chỉnh.  = 0,85 nếu T1  2TC với nhà có trên hai tầng và  = 1 với
các trường hợp khác.
- Phân phối tải trọng ngang lên các tầng:

Fi  Fb
Trong đó:
Fi : Lực ngang tác dụng tại tầng i.

z i mi
 z jm j

(1.3)


9
Fb : Lực cắt đáy thiết kế.
mi; mj: Khối lượng các tầng.
zi; zj: Độ cao của khối lượng tầng so với điểm đặt tác động động đất khi coi
chuyển vị nằm ngang tăng tuyến tính dọc theo chiều cao ở dạng dao động cơ bản.
Phương pháp này có hạn chế là khơng áp dụng được cho các cơng trình có hình

dạng khơng đồng đều hoặc có sự phân bố khối lượng và độ cứng không đều trong mặt
bằng cũng như chiều cao cơng trình, khơng cung cấp được các thơng tin về sự làm việc
của cơng trình trong thời gian động đất.
1.2.2. Phương pháp phổ phản ứng
Đối với các công trình lớn và phức tạp, việc sử dụng phương pháp tĩnh lực ngang
tương đương trong thiết kế kháng chấn thường khơng đủ độ chính xác cần thiết nên
trong nhiều trường hợp phải dùng phương pháp động để xác định phản ứng của kết
cấu. Trong số các phương pháp động thì phương pháp phổ phản ứng là đơn giản nhất,
có thể áp dụng cho tất cả các loại kết cấu khi thiết kế kháng chấn.
* Nội dung phương pháp:
- Phải xét đến các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của
nhà. Đó là các dạng dao động mà thỏa mãn 1 trong 2 điều kiện sau đây:
+ Tổng khối lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét đến chiếm ít nhất
90% tổng khối lượng của kết cấu:

 n

  zi,j .W j 
n
j=1

Wi  0,9W ; Wi =  n

i=1
 zi,j2 .Wj

2

(1.4)

j=1

+ Tất cả các dạng dao động có khối lượng hữu hiệu lớn hơn 5% tổng khối lượng
của kết cấu.
2
- Tổ hợp các tác động động đất: E E  E EI

1.3. CÁC TIÊU CHÍ PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ
1.3.1. Xem xét độ cứng và chuyển vị
Độ cứng ảnh hưởng lớn trong việc đáp ứng các quy định về hạn chế hư hỏng và
xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng bậc hai.
Cả hai ảnh hưởng này thông qua giới hạn chuyển vị ngang thiết kế tương đối
giữa các tầng dr/h và hệ số độ nhạy của chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng θ.
Trong cả hai trường hợp, chuyển vị gây ra bởi các tác động động đất thiết kế được xác
định như sau:

d s  q d .d er

(1.5)


10
Trong đó:
der: Chuyển vị từ phân tích đàn hồi tuyến tính.
qd: Hệ số ứng xử chuyển vị.
Khi chu kỳ phản ứng của cơng trình lớn hơn TC thì qd bằng hệ số ứng xử q, tức là
chuyển vị dẻo bằng chuyển vị đàn hồi từ đầu vào phổ không giảm. Tuy nhiên, qd lớn
hơn q khi chu kỳ bé hơn được xác định tại Phụ lục B của TCVN 9386:2012.
Trong tính tốn chuyển vị, TCVN 9386:2012 u cầu độ cứng uốn và cắt của kết
cấu bê tông phản ánh độ cứng hiệu quả phù hợp với mức độ nứt dự định tại thời điểm

bắt đầu chảy dẻo của cốt thép. Nếu người thiết kế khơng tính tốn sự giảm độ cứng
trực tiếp thơng qua phân tích phi tuyến pushover, TCVN 9386:2012 cho phép xác định
độ cứng hiệu quả bằng một nửa độ cứng cấu kiện để tính tốn sự mềm kết cấu tại mức
độ biến dạng phù hợp với sự chảy dẻo cốt thép.
1.3.2. Kiểm tra hạn chế hư hỏng
Mục đích của kiểm tra hạn chế hư hỏng nhằm duy trì giá trị lớn nhất chuyển vị
ngang thiết kế tương đối giữa các tầng bé hơn giá trị giới hạn:

dr / h   / 

(1.6)

Trong đó:
dr: Chuyển vị ngang thiết kế tương đối giữa các tầng; được xác định bằng hiệu
của các chuyển vị ngang trung bình ds tại trần và sàn của tầng đang xét.
 : Hệ số chiết giảm liên quan đến chu kỳ lặp thấp hơn tác động động;  bằng
0,4 hoặc 0,5 tùy vào tầm quan trọng của cơng trình.
 : Phụ thuộc vào độ dẻo và tính cố đinh
̣ các cấu kiện phi kết cấu.

  0,005 : Cho nhà có bộ phận phi kết cấu bằng vật liệu giòn gắn vào kết cấu.
  0,0075 : Cho nhà có bộ phận phi kết cấu bằng vật liệu dẻo.
  0,001: Cho nhà có bộ phận phi kết cấu được cố định sao cho không ảnh
hưởng đến biến dạng kết cấu hoặc các nhà khơng có bộ phận phi kết cấu.
h: Chiều cao tầng.
1.3.3. Kiểm tra ảnh hưởng bậc hai
Hệ số độ nhạy của chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng  được sử dụng để
tính tốn ảnh hưởng bậc hai:

  Ptot .d r / (Vtot .h)

(1.7)

Trong đó:
Ptot: Tổng tải trọng đứng tại tầng đang xét và các tầng trên nó khi thiết kế chịu
động đất.
Vtot: Tổng lực cắt tầng do động đất gây ra.


11
Nếu   0,1 : Không cần xem xét ảnh hưởng bậc hai P-Δ.
Nếu 0,1    0,2 : Ảnh hưởng bậc hai P-Δ phải được xem xét trong tính tốn
bằng cách nhân các hệ quả tác động động đất với hệ số 1/(1-θ).
Giá trị của  không lớn hơn 0,3.

1.4. THIẾT KẾ THEO KHẢ NĂNG
Quy trình thiết kế theo khả năng các kết cấu dẻo chịu các trận động đất mạnh đã
được nghiên cứu và áp dụng lần đầu tiên ở New Zealand (1975). Tiếp sau New
Zealand, từ thập kỷ 80 của thế kỷ XX một số nước châu Âu và Bắc Mỹ cũng áp dụng
nguyên lý này vào thiết kế các cơng trình nhà chịu tác động động đất mạnh. Theo quy
trình này, một số cấu kiện kháng chấn chính được lựa chọn, thiết kế và cấu tạo một
cách phù hợp để tiêu tán năng lượng dưới các biến dạng cưỡng bức lớn. Các vùng có
khả năng tiêu tán năng lượng ở các cấu kiện kết cấu thường gọi là các khớp dẻo được
cấu tạo để chịu tác động uốn phi đàn hồi, còn phá hoại cắt được ngăn chặn bằng chênh
lệch độ bền thích hợp. Tất cả các cấu kiện chịu lực khác được bảo vệ để không bị phá
hoại, bằng cách cung cấp cho chúng các độ bền lớn hơn độ bền lớn nhất có thể đạt tới
tại các vùng khớp dẻo. Bằng cách đó, cơ cấu tiêu tán năng lượng được bảo toàn trong
suốt thời gian kết cấu chịu tác động động đất, mà độ bền tại các vùng khớp dẻo không
bị suy giảm nghiêm trọng.
1.4.1. Quy trình thiết kế

Quy trình thiết kế theo khả năng các kết cấu kháng chấn chủ yếu thực hiện theo
các bước sau:
- Lựa chọn một cơ cấu phá hoại dẻo có thể xảy ra với kết cấu. Cơ cấu phá hoại
dẻo được lựa chọn sao cho các chuyển vị xoay phi đàn hồi tại các khớp dẻo; từ đó xác
định chuyển vị tổng thể của kết cấu phải có giá trị bé nhất.
- Xác định độ chính xác tương đối cao các vùng khớp dẻo sau khi lựa chọn cơ
cấu dẻo phù hợp.
- Các vùng khớp dẻo này phải được thiết kế và cấu tạo đặc biệt để có độ bền uốn
thiết kế gần bằng độ bền yêu cầu tính tốn và thỏa mãn các u cầu về độ dẻo dự định.
- Các phần kết cấu được giữ lại làm việc trong giới hạn đàn hồi phải được thiết
kế sao cho khơng có khớp dẻo xuất hiện trong các phần kết cấu đó. Các tác động lớn
nhất làm xuất hiện khớp dẻo là tác động ứng với độ bền vượt quá ở vùng này. Do vậy,
độ bền yêu cầu của tất cả các vùng khác phải lớn hơn độ bền vượt quá của khớp dẻo.
1.4.2. Cơ chế chảy dẻo mong muốn của khung khi chịu động đất
Xét hai sơ đồ khung ở Hình 6a và 6b. Giả sử chuyển vị dẻo trong cả hai khung tại
cao trình đỉnh mái là  .


12
Từ hai sơ đồ này, ta thấy rằng: Đối với cùng một chuyển vị tại đỉnh mái , chuyển
vị góc xoay 1 ở Hình 6a bé hơn nhiều so với chuyển vị góc xoay 2 ở Hình 6b.

1 



 2 
H
h

Do đó, với cùng một độ dẻo của khung xác định theo chuyển vị ngang  , để tạo
cơ cấu phá hoại dẻo ở cột thì chuyển vị xoay ở cột phải lớn hơn nhiều so với độ dẻo
dầm cần thiết để tạo cơ cấu phá hoại dẻo ở dầm. Điều này có nghĩa là với cùng một
yêu cầu độ dẻo tổng thể, thì khớp dẻo dễ dàng xuất hiện ở dầm hơn ở cột.
Mặt khác, sự phá hoại dẻo ở dầm chỉ xuất hiện các vết nứt tại vùng kéo do thép
chảy dẻo, bê tông bị bong ra, cốt đai bị đứt, phần lõi bê tông bị ép vỡ, cốt thép dọc bị
uốn, quá trình này dẫn đến cơ cấu phá hoại do cột khơng có khả năng chịu tải trọng
đứng. Do vậy, việc tránh không để cột bị phá hoại trước dầm là vấn đề quan trọng với
sự an tồn tổng thể của kết cấu.



h

h

1

H

h

1
h

1

Hình 6a: Cột khỏe – dầm yếu

2

h

Hình 6b: Cột yếu – dầm khỏe

Cơ cấu phá hoại dẻo ở cột thường gặp ở các kết cấu có tầng mềm. Ở kết cấu này,
tuy các vùng tới hạn được cấu tạo tốt vẫn không đáp ứng yêu cầu về độ dẻo do chuyển
vị xoay phát sinh quá lớn. Cơ chế phá hoại này là nguyên nhân gây ra nhiều vụ sụp đổ
nhà khi động đất. Do vậy, mục tiêu thiết kế theo khả năng trong trường hợp này là
ngăn không cho tạo tầng mềm (cột khỏe/dầm yếu), nghĩa là đảm bảo cơ chế chảy dẻo
mong muốn ở Hình 6a.

1.5. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THEO TCVN 9386:2012
Trình tự của phương pháp thiết kế kháng chấn theo TCVN 9386:2012 được trình
bày như sau:


13
1. Tải trọng thiết kế gồm tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng động đất được tính tốn
bằng một phân tích đàn hồi.
2. Phân tích đàn hồi tuyến tính của khung cho tất cả các tổ hợp tải trọng quy định
tại TCVN 9386:2012.
3. Kiểm tra điều kiện hạn chế hư hỏng và tác động bậc hai.
4. Thiết kế cốt thép dọc dầm với momen lớn nhất từ tất cả các tổ hợp.
5. Tính tốn khả năng chịu uốn thực tế của dầm tương ứng với cốt thép đã bố trí.
6. Khả năng chịu cắt của dầm được tính tốn trên cơ sở momen khả năng thực tế
và cốt thép đai dầm được tính tốn.
7. So sánh độ bền uốn u cầu của cột với khả năng chịu uốn thực tế của dầm tại
nút.
8. Cốt thép dọc cột được thiết kế từ momen ở Bước 7 và kết hợp với lực dọc từ

phân tích.
9. Khả năng chịu cắt của cột được tính tốn trên cơ sở momen khả năng ở Bước
7. Cốt thép đai cột được tính tốn.