Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích sự làm việc không gian của kết cấu lõi cứng nhà nhiều tầng chịu tải trọng ngang tĩnh

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một sơ đồ tính thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn cho hệ kết cấu lõi cứng nhà nhiều tầng, có sơ đồ giằng. Nghiên cứu về sơ đồ tính là một trong các nhiệm vụ của Cơ học Kết cấu. Đồng thời, qua các nghiên cứu bằng số, xây dựng biểu thức thực nghiệm, các bảng tra xác định độ cứng của liên kết đàn hồi nhằm lựa chọn nhanh kích thước tiết diện lõi cứng gần đúng với một số dạng nhà trong giai đoạn thiết kế sơ bộ công trình

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích sự làm việc không gian của kết cấu lõi cứng nhà nhiều tầng chịu tải trọng ngang tĩnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NCS. Ninh Đức Thuận PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC KHÔNG GIAN CỦA KẾT CẤU LÕI CỨNG NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG TĨNH Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật Mã số: 62. 52. 01. 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGUYỄN VĂN HÙNG Hà nội - năm 2016
1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn. Trong lĩnh vực kết cấu công trình nói chung và chuyên ngành Cơ học kết cấu nói riêng thì việc tìm một sơ đồ tính không quá phức tạp cho hệ kết cấu không gian phức tạp là một trong các nhiệm vụ quan trọng, cơ bản của Cơ học kết cấu. Đến thời điểm hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới, các nghiên cứu về mô hình tính toán lõi cứng và hệ kết cấu bằng thanh công xôn theo các hướng tiếp cận khác nhau [11], [25], [41], độ cứng của thanh thường tính bằng tổng độ cứng của các kết cấu đứng gồm vách, lõi và cột, chưa kể đến độ cứng của sàn, trong khi sàn là một bộ phận quan trọng trong hệ kết cấu có độ cứng xác định. Việc nghiên cứu một sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn, gồm lõi cứng, cột và sàn trong hệ kết cấu nhiều tầng giúp cho người thiết kế hiểu được bản chất cơ học của các cấu kiện kết cấu, hiểu được ảnh hưởng của các đại lượng đặc trưng của các cấu kiện đến sự làm việc chung của cả hệ, từ đó có được những nhận định nhanh phù hợp với quy luật cơ học khi hệ kết cấu làm việc là vấn đề rất cần thiết. Do lõi cứng đóng vai trò quan trọng trong kết cấu chịu lực nhiều tầng và quyết định chủ yếu đến các phản ứng tính toán của toàn hệ kết cấu nên nếu có một cách tính toán nhanh trong việc lựa chọn sơ bộ các kích thước đặc trưng của lõi cứng thì sẽ mang lại hiệu quả to lớn cho việc thiết kế ngay từ giai đoạn thiết kế sơ bộ. 2. Mục đích, phương pháp, phạm vi và đối tượng nghiên cứu. - Mục đích. Nghiên cứu một sơ đồ tính thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn cho hệ kết cấu lõi cứng nhà nhiều tầng, có sơ đồ giằng. Nghiên cứu về sơ đồ tính là một trong các nhiệm vụ của Cơ học Kết cấu. Đồng thời, qua các nghiên cứu bằng số, xây dựng biểu thức thực nghiệm, các bảng tra xác định độ cứng của liên kết đàn hồi nhằm lựa chọn nhanh kích thước tiết diện lõi cứng gần đúng với một số dạng nhà trong giai đoạn thiết kế sơ bộ công trình - Phương pháp nghiên cứu. + Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các thử nghiệm bằng số trên máy tính, bằng
2 phần mềm ETABS, theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng ETABS với vai trò như một công cụ thí nghiệm số, đồng thời làm chuẩn để so sánh, kiểm chứng kết quả nghiên cứu ; + Sử dụng các phương pháp của cơ học kết cấu, theo nguyên lý cân bằng lực và thỏa mãn điều kiện biên của kết cấu, dựa trên các kết quả đã có, viết các công thức dưới dạng tổng quát, chuyển đổi chúng về dạng ma trận độ cứng và véc tơ tải trọng nút để phục vụ cho việc thiết lập chương trình tính toán trên phần mềm Visual Basic 6.0. Thực nghiệm số dựa trên chương trình đã lập và các kết quả nhận được của cùng một bài toán nhưng được giải bằng phần mềm thương mại ETABS. + Sử dụng chương trình tự lập và phần mềm ETABS xây dựng các đường thực nghiệm độ cứng các liên kết đàn hồi, từ đó thiết lập các biểu thức thực nghiệm gần đúng kết hợp các bảng tra xác định độ cứng của liên kết đàn hồi. - Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: Do hiện nay ở Việt Nam có nhiều nhà cao từ 10 đến 20 tầng nên phạm vi nghiên cứu của luận án với kết cấu từ 10 đến 20 tầng, có hệ kết cấu với mặt bằng đối xứng gồm lõi cứng (loại lõi cứng một khoang), sàn phẳng và cột, chịu tải trọng ngang tĩnh hoặc tương đương tĩnh, nhằm lựa chọn nhanh kích thước tiết diện lõi cứng gần đúng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. 3. Nội dung, bố cục của luận án. Nội dung luận án trình bày trong 113 trang gồm phần mở đầu, 3 chương, kết luận và kiến nghị, 55 hình vẽ, 51 bảng biểu, phụ lục 1 gồm 25 trang, phụ lục 2 về mã nguồn chương trình AC-1 gồm 29 trang và phụ lục 3 về chương trình AC-2 gồm 27 trang. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN: - Từ sơ đồ tính không gian phức tạp (gồm lõi cứng, cột và sàn) đã mô hình hóa thành một sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn, trong đó lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh liên kết ngàm vào móng, có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, cột và sàn liên kết với lõi cứng bằng các liên
3 kết đàn hồi. - Đã xây dựng chương trình AC-1, AC-2 làm công cụ để nghiên cứu, phân tích kết cấu lõi cứng nhiều tầng. -Đã khảo sát sự ảnh hưởng của một số yếu tố đến chuyển vị đỉnh trong kết cấu nhiều tầng có sơ đồ giằng, có mặt bằng đối xứng, khi chịu tải trọng ngang, gồm: số tầng, bề dày lõi cứng, chiều cao lanh tô cửa lõi cứng, chiều rộng khoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng, số lượng cột, mô men quán tính các cột, bề dày sàn, mô đun đàn hồi của vật liệu. Trong các thông số này thì chiều rộng khoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng a1 là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến độ cứng lõi cứng. - Đã xây dựng biểu thức thực nghiệm kết hợp các bảng tra xác định độ cứng của liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theo trục X, Y và độ cứng của liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị xoay quanh trục Z với một số dạng kết cấu nhiều tầng, có sơ đồ giằng, chịu tải trọng ngang để lựa chọn kích thước tiết diện lõi cứng gần đúng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ công trình. B. NỘI DUNG LUẬN ÁN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. 1.1. Các hệ kết cấu nhiều tầng sử dụng lõi cứng chịu lực. 1.1.1. Hệ kết cấu lõi chịu lực. 1.1.2. Hệ kết cấu hộp chịu lực. 1.1.3. Hệ kết cấu khung – lõi. 1.1.4. Hệ kết cấu khung – hộp. 1.1.5. Hệ kết cấu hộp - tường vách. 1.1.6. Hệ kết cấu hộp – lõi. 1.1.7. Hệ kết cấu tường – lõi. 1.2. Phương pháp và sơ đồ tính toán kết cấu nhiều tầng 1.2.1. Phương pháp tính toán kết cấu nhiều tầng.
4 1.2.2. Sơ đồ tính toán kết cấu nhiều tầng. 1.3. Mô hình liên kết nửa cứng ở hai đầu phần tử thanh. 1.4. Khái niệm về độ cứng. 1.5. Kết quả nghiên cứu của một số tác giả trên thế giới và Việt Nam liên quan đến đề tài nghiên cứu. 1.5.1. Kết quả nghiên cứu của một số tác giả liên quan đến mô hình tính toán kết cấu lõi cứng. 1.5.2. Kết quả nghiên cứu của một số tác giả liên quan đến kết cấu có liên kết nửa cứng và liên kết đàn hồi. 1.6. Nhận xét chung. Đến thời điểm hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới, các nghiên cứu về mô hình tính toán lõi cứng và hệ kết cấu bằng thanh công xôn theo các hướng tiếp cận khác nhau, độ cứng của thanh thường tính bằng tổng độ cứng của các kết cấu đứng gồm vách, lõi và cột, chưa kể đến độ cứng của sàn, trong khi sàn là một bộ phận quan trọng trong hệ kết cấu có độ cứng xác định. Việc nghiên cứu về sơ đồ tính là một nhiệm vụ quan trọng của Cơ học kết cấu, việc tách hệ kết cấu thực thành hai hệ: hệ lõi cứng và các hệ còn lại, liên kết giữa hai hệ này là các liên kết đàn hồi. Thông qua các đặc trưng cơ lý của các liên kết đàn hồi này có kể đến ảnh hưởng của các sàn đến sự làm việc của lõi cứng, còn ít được công bố kết quả nghiên cứu. 1.7. Một số giả thiết được sử dụng trong luận án 1.8. Mục đích, phương pháp, phạm vi và đối tượng nghiên cứu. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU LÕI CỨNG NHIỀU TẦNG CÓ SƠ ĐỒ GIẰNG, CHỊU TẢI TRỌNG NGANG. Chương này mô hình hóa từ công trình thực về sơ đồ tính công trình (sơ đồ tính không gian phức tạp gồm lõi cứng, cột và sàn), từ sơ đồ tính không gian phức tạp chuyển về sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn, trong đó lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh liên kết ngàm vào móng, có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, cột và sàn liên kết với lõi cứng mô
5 hình bằng các liên kết đàn hồi, thiết lập thuật toán và chương trình để phân tích mô hình tính theo phương pháp phần tử hữu hạn, xác định độ cứng các liên kết đàn hồi. Tiến hành các thử nghiệm số đối với một số bài toán, so sánh kết quả tính toán theo chương trình trong luận án và phần mềm ETABS [9], [30] để kiểm tra độ tin cậy. 2.1. Mô hình hóa từ công trình thực về sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ. Từ sơ đồ tính công trình, tác giả mô hình hóa thành sơ đồ tính xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn, thể hiện ở hình 2.2, được gọi là sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ. Trong đó, lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh không gian có mặt cắt tiết diện kín, hở, liên kết ngàm vào móng, làm việc đồng thời với các bộ phận kết cấu khác tại mức sàn các tầng thông qua liên kết đàn hồi tại các tầng (thay thế sự làm việc đồng thời giữa lõi cứng và các bộ phận kết cấu khác gồm cột và sàn), liên kết giữa các phần tử thanh tại các tầng có dạng nửa cứng (liên kết có độ cứng hữu hạn) để phù hợp với công nghệ thi công xây dựng. mÆt c¾t lâi cøng tiÕt diÖn kÝn mÆt c¾t lâi cøng tiÕt diÖn hë Hình 2.2: Sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ 2.1.1. Ma trận độ cứng của phần tử thanh có liên kết nửa cứng. 2.1.2. Các phần tử của ma trận độ cứng và véc tơ tải trọng nút của phần tử thanh hai đầu liên kết nửa cứng.
6 Xét phần tử thanh trong mô hình tính ở hình 2.2, có chiều dài là L2 và các đặc trưng tiết diện I x , I y , I xo , G, A. Hai đầu 1 và 2 có liên kết nửa cứng được mô hình hóa bằng các lò xo, với độ mềm cho chuyển vị dọc trục là k1u , k 2u ; Độ mềm của biến dạng uốn trong mặt phẳng YZ gồm độ mềm của chuyển vị ngang là k1v , k 2v và độ mềm của chuyển vị xoay là k1 , k 2 . Độ mềm của biến dạng uốn trong mặt phẳng XZ gồm chuyển vị ngang là k1w , k 2w và chuyển vị xoay là k1 , k 2 . Độ mềm của biến dạng xoắn quanh trục Z là k1 , k 2 . Quan hệ giữa biến dạng và nội lực của liên kết được xác định như sau:  = k  .M x ;  = k  .M y ; u = k u .N ; v = k v .V y ; w = k w .Vx ;  = k  .M xo . 2.1.3. Ma trận độ cứng và véc tơ tải trọng nút của phần tử thanh có liên kết nửa cứng, có liên kết đàn hồi. - Ma trận độ cứng của thanh có các gối tựa đàn hồi [4]. Thay các độ cứng liên kết đàn hồi CiX , CiY , CiZ , CiXX , CiYY , CiZZ (i = 1 đến n, n là số tầng) vào đường chéo chính của ma trận độ cứng của thanh, ta có: [[K ]s + [C]s ][. u]s = [R ]s (2.9) trongđó: [C ]s là véc tơ độ cứng liên kết đàn hồi của thanh. 2.2. Sơ đồ khối và lập trình. 2.2.1. Sơ đồ khối. 2.2.2. Lập trình. Hình 2.6: Giao diện chương trình AC-1, khi nhập file dữ liệu chuyển vị.
7 Hình 2.5: Giao diện chương trình, Hình 2.8: Giao diện chương trình AC-1 khi nhập thông tin về vật liệu AC- 2, khi nhập thông tin tải trọng và kích thước hình học lõi cứng. và độ mềm của liên kết, độ cứng của liên kết đàn hồi tại các tầng. 2.3. Kiểm tra độ tin cậy của lời giải và chương trình tính. Để kiểm tra độ tin cậy của lời giải và chương trình tính, tác giả tiến hành so sánh kết quả bằng số với phần mềm ETABS có vai trò như một công cụ thí nghiệm số, đồng thời làm chuẩn để so sánh. 2.4. Nguyên nhân cần xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn tương đương khi phân tích lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh. 2.4.1. Phân tích kết cấu lõi cứng theo phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn. Bảng 2.1: Bảng kết quả chênh lệch S1 (%) về mômen quán tính trung tâm của lõi cứng quanh trục Y. Chuyển vị ngang tại I cxY I ltY S1 Stt a1 (m) đỉnh theo trục X (m) ( m4 ) ( m4 ) (%) 1 a1 =0 0,000592 86,377 102,544 15,766 2 a1 =2 m 0,001970 25,948 102,344 74,646 3 a1 =4 m 0,002729 18,729 100,944 81,446 4 a1 =8 m 0,00450 11,352 91,131 87,543
8 Từ mô hình tính lõi cứng bằng các phần tử tấm, khi chuyển sang mô hình lõi cứng bằng các phần tử thanh cần phải xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn tương đương. Có sự chênh lệch về mô men quán tính chống uốn của của lõi cứng khi mô tả lõi cứng bằng thanh công xôn thay thế và mômen quán tính chống uốn của lõi cứng xác định theo công thức lý thuyết sức bền vật liệu. Độ cứng của lõi cứng khi mô hình bằng phần tử thanh khác với độ cứng của lõi cứng khi mô hình lõi cứng bằng các phần tử tấm. Vì vậy, khi quy đổi lõi cứng về thanh công xôn thay thế thì cần phải sử dụng hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn tương đương. 2.5. Cách xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn khi phân tích lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh. 2.5.1. Cách xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn của lõi cứng thông qua cân bằng năng lượng 2.5.1.1. Phương pháp xác định: Xác định thông qua việc cân bằng thế năng biến dạng tích lũy trong hệ đàn hồi. 2.5.1.2. Ví dụ tính toán. - Hệ số độ cứng chống uốn, chống xoắn trong tất cả các trường hợp đều có giá trị dương, nằm trong khoảng (0, 1), có giá trị khác nhau và phụ thuộc cả vào tải trọng, tức là với các dạng tải trọng khác nhau thì hệ số độ cứng chống uốn, chống xoắn khác nhau. Nguyên nhân do độ cứng là đại lượng đặc trưng cho khả năng chống lại biến dạng của cấu kiện, với các dạng tải trọng khác nhau thì biến dạng khác nhau. Và việc xác định hệ số độ cứng xác định thông qua cân bằng toán học về năng lượng giữa hệ kết cấu mô tả lõi cứng bằng các phần tử thanh và phần tử tấm. - Giá trị hệ số độ cứng luôn nằm trong khoảng (0, 1) là do ứng xử của hệ tấm khác với hệ thanh khi chịu tải trọng ngang. Khi lõi mô tả bằng các phần tử tấm là hệ kết cấu không gian với mô hình tính toán liên tục nên có độ cứng lớn hơn khi mô tả lõi cứng bằng các phần tử thanh với mô hình tính toán rời rạc.
9 Bảng 2.3: Bảng kết quả hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn tương đương với các dạng tải trọng khác nhau. Tải trọng M xo tập Số Tải trọng Tải trọng ngang tập M xo trung tại tầng Mặt cắt ngang phân ngang phân trung trên tại đỉnh các mức kết tiết diện bố đều bố tam giác đỉnh sàn cấu x y x y x y  xo  xo 10 a=8,3m, 0,637 0,233 0,524 0,187 0,723 0,250 0,058 0,106 15 a1 =4m,  0,723 0,255 0,580 0,202 0,770 ,265 0,028 0,055 20 = 0,3m 0,760 0,270 0,603 0,213 0,788 0,278 0,017 0,034 10 a=6,3m, 0,700 0,254 0,555 0,203 0,757 0,268 0,036 0,068 15 a1 =3m, 0,757 0,283 0,601 0,224 0,786 0,294 0,018 0,036  = 0,3 m 20 0,779 0,311 0,614 0,247 0,796 0,324 0,012 0,023 10 a=4,3m, 0,751 0,318 0,596 0,253 0,781 0,337 0,022 0,041 15 a1 =2m, 0,780 0,395 0,614 0,316 0,794 0,425 0,014 0,025 20  = 0,3 m 0,791 0,474 0,621 0,382 0,799 0,522 0,011 0,019 2.5.2. Cách xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn của lõi cứng thông qua cân bằng chuyển vị tại đỉnh. 2.5.2.1. Phương pháp xác định: Xác định thông qua việc cân bằng chuyển vị tại đỉnh. 2.5.2.2. Ví dụ tính toán. Thể hiện ở mục 3.2.3 và 3.2.4, kết quả tính toán thể hiện ở bảng 3.10. 2.5.3. Nhận xét về các cách xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn của lõi cứng. - Với các phương pháp xác định hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn khác nhau sẽ tìm được giá trị hệ số điều chỉnh độ cứng khác nhau. - Hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn trong tất cả các trường hợp đều có giá trị dương, nằm trong khoảng (0, 1), có giá trị khác nhau và phụ
10 thuộc cả vào dạng tải trọng cụ thể. Nguyên nhân bởi vì, độ cứng của lõi khi mô hình bằng phần tử thanh và mô hình bằng phần tử tấm có giá trị khác nhau. 2.6. Kiểm tra thuật toán và chương trình AC-1, AC-2. 2.6.1. Chọn công trình để tính toán, thực nghiệm bằng số. Xét các kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng, mỗi tầng cao 3,3 m, có mặt bằng đối xứng như hình 2.12, tải trọng gió theo trục X và Y với Wo = 95 daN / m 2 . Hình 2.12: Mặt bằng kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng gồm lõi cứng, hệ cột và sàn phẳng.. 2.6.2. Mô hình tính toán. LâI cøng Hình 2.13: Mô hình không gian bằng phần mềm ETABS và mô hình thanh công xôn xấp xỉ tính bằng chương trình AC-1, AC2. 2.6.3 Kiểm tra thuật toán và chương trình AC-1. 2.6.3.1. Các trường hợp tính toán thực nghiệm bằng số.
11 2.6.3.2. Trình tự các bước tính toán. 2.6.3.3. Kết quả tính toán. Bảng 2.8: Bảng kết quả độ cứng CiX , CiY , CiZZ (i = 1 đến n, n là số tầng) trong hệ kết cấu 10 tầng. Tầng Cao độ sàn (m) CiX(i =1→10 ) CiY(i =1→10 ) CiZZ ( i =1→10 ) (daN/m) (daN/m) (daNm/rad) 10 33 979892 540252 6300012 9 29,7 980167 540242 6299997 8 26,4 980175 539628 6299993 7 23,1 980009 539797 6299983 6 19,8 979478 539573 6300015 5 16,5 980366 541799 6300019 4 13,2 980293 537851 6299966 3 9,9 979997 535376 6300009 2 6,6 980154 546585 6299962 1 3,3 970986 544197 6300214 Tổng hợp kết quả chênh lệch lớn nhất về độ cứng C , C , CiZZ (i = 1 đến n, i X Y i n là số tầng) của lõi cứng 10, 15 và 20 tầng thể hiện ở bảng 2.12. Bảng 2.12: Bảng tổng hợp kết quả chênh lệch lớn nhất giữa độ cứng CiX , CiY , CiZZ (i = 1 đến n, n là số tầng) tại các mức sàn tầng của lõi cứng 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng, tính toán bằng AC-1 và độ cứng cho trước. Chênh lệch Chênh lệch Chênh lệch Stt Số tầng CiX(i =1→n ) (%) CiY(i =1→n ) (%) CiZZ ( i =1→ n ) (%) 1 10 0,920 0,856 0,00060 2 15 0,254 1,150 0,00112 3 20 0,414 2,506 0,00071 - Căn cứ vào bảng 2.12, với lõi cứng 10, 15 và 20 tầng có tiết diện hở, chênh lệch lớn nhất ở các tầng về CiX( i =1→n ) là 0,92 %, về CiY( i =1→n ) là 2,506 % về
12 ZZ C i ( i =1→ n ) là 0,00112 %. Do các giá trị chênh lệch này không lớn nên có thể sử dụng AC-1 để phân tích độ cứng các liên kết đàn hồi trong hệ kết cấu lõi cứng nhiều tầng. - Kết quả phân tích độ cứng của liên kết đàn hồi trong kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng bằng chương trình AC-1 cho thấy độ cứng tại vị trí lõi cứng ngàm vào móng có giá trị lớn vô cùng, độ cứng CiX , CiY , CiZZ (i = 1 đến n, n là số tầng) tại các tầng có giá trị dương, theo quy luật với giá trị độ cứng xấp xỉ nhau. 2.6.4. Kiểm tra thuật toán và chương trình AC-2. 2.6.4.1. Các trường hợp tính toán thực nghiệm bằng số. Để kiểm tra thuật toán, chương trình AC-2, tác giả thực hiện các ví dụ tính toán kết cấu lõi cứng có liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theo trục X, Y và chuyển vị xoay quanh trục Z, có liên kết cứng và nửa cứng giữa các phần tử thanh trong các kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng với mặt bằng đối xứng với các số liệu đầu vào ở mục 2.6.1 và các số liệu ở mục 2.6.4.1 trong luận án. Về độ mềm của liên kết giữa các phần tử thanh: phụ thuộc vào dạng liên kết giữa các phần tử thanh, với công nghệ thi công lõi cứng toàn khối thì liên kết lõi cứng giữa các tầng là cứng, tức là giá trị độ mềm của liên kết giữa các phần tử thanh k ij ( j = u, v,  , w,  ,  , i = 1→n, n là số tầng), khi đó có thể quan niệm lõi cứng là một thanh liên tục. Với công nghệ thi công lõi cứng lắp ghép thì liên kết lõi cứng giữa các tầng là nửa cứng (liên kết có độ cứng hữu hạn) [16], tức là một số độ mềm của liên kết giữa các phần tử thanh k ij ( j = u, v,  , w,  ,  , i = 1→n, n là số tầng) có giá trị khác không. 2.6.4.2. Mô hình tính toán. Thể hiện ở hình 2.14, hình 2.15 trong luận án. 2.6.4.3. So sánh kết quả tính toán giữa AC-2 và ETABS về chuyển vị của lõi cứng có liên kết cứng giữa các phần tử thanh, có liên kết đàn hồi.
13 Bảng 2.17: Bảng tổng hợp kết quả chênh lệch (%) giữa AC-2 và ETABS về chuyển vị lớn nhất ( U iX( i =1→n ) ,  iZZ Y ( i =1→ n ) , U i ( i =1→ n ) ) của lõi cứng tiết diện kín và hở trong kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng, có liên kết cứng giữa các phần tử thanh, có liên kết đàn hồi. Số Mặt cắt tiết Chênh lệch Chênh lệch Chênh lệch Stt tầng diện lõi cứng U X i ( i =1→ n ) (%)  ZZ i ( i =1→ n ) (%) U iY(i =1→n ) (%) 1 10 a=8,3m, 13,38 4,25 8,16 2 15 a1 =4 m, 9,40 3,25 12.79 3 20  =0,3m 6,87 2,90 2,72 4 10 a=8,3m, 10,24 5 15 a1 = 0, 4,92 6 20  =0,3m 2,72 - Với lõi cứng hở, chênh lệch về chuyển vị ngang theo trục X ở các tầng lớn nhất là 13,38 %, chênh lệch về chuyển vị xoay quanh trục Z ở các tầng lớn nhất là 4,25 %, chênh lệch về chuyển vị ngang theo trục Y lớn nhất là 12,79 %. - Với lõi cứng tiết diện kín, chênh lệch về chuyển vị ngang theo trục X ở các tầng lớn nhất là 10,24 %. - Do chênh lệch về kết quả tính toán chuyển vị giữa phần mềm ETABS và chương trình AC-2 như bảng 2.17 là không lớn nên có thể sử dụng chương trình AC-2 để phân tích kết cấu lõi cứng tiết diện kín và hở, có liên kết cứng giữa các phần tử thanh, có các liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theo trục X, Y và chuyển vị xoay quanh trục Z. 2.6.4.4. So sánh kết quả tính toán giữa AC-2 và ETABS về chuyển vị của lõi cứng có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, có liên kết đàn hồi. Do chênh lệch như bảng 2.19 là không lớn nên có thể sử dụng chương trình AC-2 để phân tích kết cấu lõi cứng có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, có các liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theo trục X, Y và chuyển vị xoay quanh trục Z, khi chịu tải trọng ngang.
14 Bảng 2.19: Bảng tổng hợp kết quả chênh lệch giữa chương trình AC-2 và phần mềm ETABS về chuyển vị lớn nhất ( U iX( i =1→n ) ,  iZZ Y ( i =1→ n ) , U i ( i =1→ n ) ) của lõi cứng 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng, tiết diện hở, có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, có độ cứng liên kết đàn hồi thay đổi. Chênh lệch Chênh lệch Chênh lệch Stt Số tầng U X i ( i =1→ n ) (%)  ZZ i ( i =1→ n ) (%) U iY(i =1→n ) (%) 1 10 10,04 3,07 19,06 2 15 5,86 2,85 20,07 3 20 4,47 2,75 12,70 2.7. Nhận xét chương 2. - Từ sơ đồ tính không gian phức tạp (gồm lõi cứng, cột và sàn) đã mô hình hóa thành một sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ có kể đến ảnh hưởng của sàn, trong đó lõi cứng mô hình bằng các phần tử thanh liên kết ngàm vào móng, có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh ở dạng tổng quát (với công nghệ thi công lõi cứng toàn khối thì liên kết lõi cứng giữa các phần tử thanh là cứng, với công nghệ thi công lõi cứng lắp ghép thì liên kết giữa các phần tử thanh là nửa cứng), liên kết với bộ phận kết cấu khác thông qua các liên kết đàn hồi (thay thế sự làm việc đồng thời giữa lõi cứng và các bộ phận kết cấu khác). - Đã phân tích kết cấu lõi cứng bằng các phần tử tấm và bằng các phần tử thanh thông qua các hệ số điều chỉnh độ cứng chống uốn, chống xoắn tương đương. - Đã xây dựng chương trình AC-1, AC-2 làm công cụ để nghiên cứu, phân tích kết cấu lõi cứng nhiều tầng. Chương trình AC-1 để nghiên cứu về độ cứng của liên kết đàn hồi. Chương trình AC-2 có khả năng phân tích kết cấu lõi cứng có liên kết nửa cứng giữa các phần tử thanh, có liên kết đàn hồi, chịu tải trọng ngang tĩnh hoặc tương đương. Khảo sát các ví dụ bằng số và so sánh kết quả với phần mềm chuyên dụng phân tích kết cấu nhiều tầng ETABS cho thấy chênh lệch về chuyển vị là không lớn nên chương trình AC-2 có thể sử dụng để tính toán hệ kết cấu lõi cứng nhiều tầng.
15 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN VỊ ĐỈNH VÀ XÂY DỰNG BIỂU THỨC THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT ĐÀN HỒI TRONG KẾT CẤU NHIỀU TẦNG CÓ SƠ ĐỒ GIẰNG, CHỊU TẢI TRỌNG NGANG. Chương này trình bày việc khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị đỉnh kết cấu công trình bằng ETABS. Sử dụng sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ, chương trình AC-2 đã nghiên cứu ở Chương 2 kết hợp một số giá trị chuyển vị phân tích bằng ETABS ở trên để xây dựng các biểu thức thực nghiệm, các bảng tra xác định độ cứng của liên kết đàn hồi nhằm lựa chọn kích thước tiết diện lõi cứng gần đúng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ với một số dạng kết cấu nhiều tầng. 3.1. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang và xoay tại đỉnh của kết cấu nhiều tầng. 3.1.1. Giới thiệu mục đích. Mục này sử dụng phần mềm ETABS để khảo sát sự ảnh hưởng của 8 yếu tố đến chuyển vị ngang và chuyển vị xoay tại đỉnh hệ kết cấu khi chịu tải trọng ngang gồm: số tầng, bề dày lõi cứng, chiều cao lanh tô cửa của lõi cứng, chiều rộng khoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng, số lượng cột, mô men quán tính của các cột, bề dày sàn, mô đun đàn hồi của vật liệu. Kết quả tính toán một số công trình chọn để thực nghiệm bằng số có thể xác định được quy luật, tìm ra thông số nào là quan trọng nhất ảnh hưởng đến chuyển vị đỉnh công trình và cung cấp các giá trị về chuyển vị đỉnh để xây dựng biểu thức thực nghiệm xác định độ cứng của liên kết đàn hồi. 3.1.2. Chọn kết cấu để tính toán thực nghiệm bằng số. Xét các kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng có mặt bằng đối xứng gồm lõi cứng, cột và sàn phẳng như hình 3.1 và hình 3.2 trong luận án, chiều cao mỗi tầng h = 3,3 m, kích thước hình học lõi cứng, cột và sàn các tầng giống nhau. Vật liệu có hệ số Poison  = 0,2, tải trọng gió tác động theo trục X với Wo = 95 daN / m 2 .
16 3.1.3. Các trường hợp tính toán thử nghiệm bằng số. Khảo sát sự ảnh hưởng 8 yếu tố đến chuyển vị ngang và chuyển vị xoay tại đỉnh công trình khi chịu tải trọng ngang bằng phần mềm ETABS gồm số tầng, bề dày lõi cứng, chiều cao lanh tô cửa của lõi cứng, chiều rộng khoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng, số lượng cột, mô men quán tính của các cột, bề dày sàn, mô đun đàn hồi của vật liệu, a1 / t. 3.1.4. Kết quả tính toán. Thể hiện từ hình 3.4 đến 3.21, từ bảng 3.2 đến 3.11 ở mục 3.1.4 của luận án. 3.1.5. Nhận xét về các kết quả tính toán. - Kết quả tính toán từ bảng 3.2 đến bảng 3.10 với sự khảo sát đối với bài toán cụ thể của 8 yếu tố cùng các nhận xét về tỷ lệ % tăng, giảm về chuyển vị ngang và xoay tại đỉnh thể hiện ở bảng 3.11 cho thấy có thể xác định quy luật để điều chỉnh nhanh các thông số này trong giai đoạn thiết kế sơ bộ công trình. Bên cạnh đó, kết quả khảo sát 8 yếu tố cho thấy: khi thay đổi mô đun đàn hồi của vật liệu thì chuyển vị tại đỉnh thay đổi nhỏ nhất, khi thay đổi chiều rộng khoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng a1 thì chuyển vị tại đỉnh lớn nhất. Như vậy, với lõi cứng tiết diện hở thì chiều rộng khoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng a1 là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ cứng lõi cứng, bởi vì nó gây ra độ lệch tâm giữa tâm cứng và tâm hình học, chính độ lệch tâm này gây ra hiện tượng xoắn và làm mất tính đối xứng, dẫn đến lõi cứng tiết diện hở có xu hướng bị biến dạng xung quanh chu vi và mất tính chất phẳng của tiết diện tại vị trí hai bên mép khoảng hở lõi cứng, bắt sàn cùng làm việc với lõi cứng. 3.2. Xây dựng biểu thức thực nghiệm xác định độ cứng của liên kết đàn hồi cho kết cấu nhiều tầng, có sơ đồ giằng, chịu tải trọng ngang. 3.2.1. Giới thiệu mục đích. Mục này sử dụng mô hình đã xây dựng ở chương 2 và kết quả chuyển vị đỉnh của một số kết cấu đã khảo sát ở mục 3.1 để xây dựng công thức thực nghiệm với mô hình tính hệ kết cấu lõi cứng dạng thanh liên tục, độ cứng
17 không đổi, có liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị ngang theo trục X, Y ( CiX , CiY , i = 1→n) và liên kết đàn hồi ngăn cản chuyển vị xoay quanh trục Z ( CiZZ , i = 1→n), với giả thiết độ cứng của liên kết đàn hồi CiX , CiY và CiZZ (i = 1→n), có giá trị giống nhau. Với công thức thực nghiệm và các bảng tra có thể nội suy xác định độ cứng của liên kết đàn hồi CiX , CiY , CiZZ (i = 1→n), sau đó thay giá trị độ cứng kết hợp các số liệu khác của lõi cứng vào chương trình AC-2 sẽ xác định được chuyển vị của hệ kết cấu, so sánh với các quy định về giới hạn chuyển vị đỉnh công trình [42], [43], có thể lựa chọn nhanh kích thước tiết diện lõi cứng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ với một số dạng kết cấu. 3.2.2. Trình tự xây dựng biểu thức thực nghiệm. 3.2.3. Chọn kết cấu để tính toán thực nghiệm bằng số. - Xét các kết cấu 10 tầng, 15 tầng và 20 tầng có mặt bằng đối xứng gồm lõi cứng, cột và sàn phẳng như hình 3.22 và hình 3.23, chiều cao mỗi tầng h = 3,3 m, lõi cứng dày 0,3 m, chiều rộng khoảng hở mặt cắt tiết diện lõi cứng a1 = 4 m, kích thước hình học lõi cứng, cột và sàn các tầng giống nhau. Vật liệu có mô đun đàn hồi E = 2,9 x 10 9 daN / m 2 , hệ số Poison  = 0,2, tải trọng gió tác động theo trục X và Y với Wo = 95 daN / m 2 (chỉ xét thành phần tĩnh, giá trị thể hiện ở bảng 2.4 và 2.5). Các tham số phân tích thay đổi gồm: + Số tầng n = 10 tầng; 15 tầng; 20 tầng. + Số lượng cột trên mặt bằng nc = 8 cột; 12 cột; 16 cột. + Mô men quán tính các cột I xc , I yc , I xoc tính theo biểu thức (3.1), (3.2), (3.3), sử dụng kết quả ở bảng 3.1. + Bề dày sàn t = 0,2 m; 0,22 m; 0,25 m. 3.2.4. Kết quả tính toán. - Sơ đồ tính toán: Sử dụng sơ đồ tính không gian bằng phần mềm ETABS và sơ đồ tính thanh công xôn xấp xỉ bằng chương trình AC-2, thể hiện ở hình 3.24.
18 Hình 3.24: Sơ đồ tính không gian bằng phần mềm ETABS và sơ đồ thanh công xôn xấp xỉ tính bằng chương trình AC-2. 1500 1400 1300 1200 1100 Iyc (m4) 1000 900 800 700 600 500 0 200 000 400 000 600 000 800 000 1 000 000 1 200 000 1 400 000 1 600 000 §é cøng cña liªn kÕt ®µn håi ng¨n c¶n chuyÓn vÞ ngang theo trôc X (daN/m) 10 tÇng (8 cét) 10 tÇng (12 cét) 10 tÇng (16 cét) 15 tÇng (8 cét) 15 tÇng (12 cét) 15 tÇng (16 cét) 20 tÇng (8 cét) 20 tÇng (12 cét) 20 tÇng (16 cét) Hình 3.25: Biểu đồ độ cứng của liên kết đàn hồi CiX (i = 1→n), trong kết cấu 10, 15 và 20 tầng, t = 0,22 m, khi mô men quán tính trung tâm các cột quanh trục Y thay đổi. 3000 2800 2600 2400 2200 Ixoc (m4) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 0 1 000 000 2 000 000 3 000 000 4 000 000 5 000 000 6 000 000 7 000 000 8 000 000 9 000 000 10 000 000 §é cøng cña liªn kÕt ®µn håi ng¨n c¶n chuyÓn vÞ xoay quanh trôc Z (daNm/rad) 10 tÇng (8 cét) 10 tÇng (12 cét) 10 tÇng (16 cét) 15 tÇng (8 cét) 15 tÇng (12 cét) 15 tÇng (16 cét) 20 tÇng (8 cét) 20 tÇng (12 cét) 20 tÇng (16 cét) Hình 3.26: Biểu đồ độ cứng của liên kết đàn hồi CiZZ (i = 1→n) trong kết cấu 10, 15 và 20 tầng, t = 0,22 m, khi mô men quán tính cực của các cột thay đổi.
19 3.2.5. Đề xuất biểu thức thực ngiệm. - Phương pháp đề xuất biểu thức thực nghiệm: Trên cơ sở biểu đồ độ cứng thể hiện từ hình 3.25 đến hình 3.30, tác giả nhận thấy biểu đồ độ cứng CiX , CiY , CiZZ (i = 1→n) có dạng gần với bậc nhất nên chọn một đường độ cứng quy ước tương ứng với các giá trị độ cứng quy ước và độ dốc của đường đó, các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng CiX , CiY , CiZZ (i = 1→n) xét đến thông qua các hệ số và lập thành bảng. - Dựa trên phương pháp như trên, tác giả đề xuất biểu thức thực nghiệm xác định độ cứng CiX , CiY , CiZZ (i = 1→n) có dạng: t CiX = CiX( 0 ) +  1Xu +  2Xu .auX( 0 ) .( I yc − I yc ( 0 ) ). (daN/m) (3.4) t0 t ( 0 ) +  1 xo +  2 xo .a xo ( 0 ) .( I xoc − I xoc ( 0 ) ). CiZZ = CiZZ (daNm/rad) (3.5) t0 t CiY = CiY( 0 ) +  1Yu +  2Yu .auY( 0 ) .( I xc − I xc ( 0 ) ). (daN/m) (3.6) t0 Cách xác định các tham số trong công thức (3.4), (3.5), (3.6) thể hiện ở mục 3.2.5. Giá trị  1Xu ,  2Xu ,  1 xo ,  2 xo ,  1Yu ,  2Yu lần lượt được thể hiện từ bảng 3.25 đến bảng 3.30. Với biểu thức thực nghiệm và các số liệu nêu trên có thể nội suy xác định độ cứng CiX , CiY , CiZZ (i = 1→n) đối với các kết cấu từ 10 đến 20 tầng, có mặt bằng kết cấu đối xứng gồm lõi cứng, hệ cột và sàn tương tự như hình 3.22 và hình 3.23, thay các giá trị độ cứng này kết hợp với đặc trưng hình học của lõi cứng và tải trọng ngang vào chương trình AC-2 sẽ xác định được chuyển vị của hệ kết cấu một cách nhanh chóng. Mặt khác, theo [42], [43], quy định khi thiết kế kết cấu phải đảm bảo độ cứng hệ kết cấu với chuyển vị đỉnh không vượt quá chuyển vị giới hạn, do vậy có thể xác định được kích thước tiết diện lõi cứng nhanh chóng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ công trình