Shortening - Nguyên nhân, mâu thuẫn, và phương pháp hạn chế sai sót

Khi phân tích nội lực trong Etabs cho các nhà cao tầng theo cách thông thường (không sử dụng chức năng phân tích theo giai đoạn thi công - Sequential Construction Case)chúng ta sẽ bắt gặp trường hợp mô men của dầm tại các vị trí có liên kết với vách tăng lên đột biến, trong khi mô men của đầu kia giảm rất nhiều thậm chí đảo chiều (ở mép cột nhưng căng thớ dưới). Trong trường hợp này, diện tích cốt thép tính toán sẽ rất lớn, hàm lượng thép đôi khi vượt quá hàm lượng lớn nhất theo khuyến cáo. Nếu quan sát kết quả nội lực trong các trường hợp tải trọng, chúng ta sẽ thấy tải trọng ngang (gió, động đất) không phải là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này. Nguyên nhân chính gây lên tăng đột biến giá trị mô men của dầm tại điểm liên kết với vách là Tĩnh tải. Hiệu ứng mà như các kỹ sư kết cấu vẫn gọi - Shortening.

Khái niệm

Sự co ngắn không đồng đều dưới các nguyên nhân khác nhau của các cấu kiện thẳng đứng gây ra sự phân phối nội lực trong toàn bộ kết cấu được gọi ngắn gọn là Shortening. Hình ảnh dưới đây mô tả một cách sơ lược hệ quả của hiệu ứng này. 

Nguyên nhân

Về lý thuyết, sự co ngắn của các cấu kiện xảy ra do các nguyên nhân sau

Lực dọc Từ Biến Co ngót

Trong tính toán thông thường chỉ xét đến sự co ngắn do lực dọc, bởi vì ảnh hưởng của Lực dọc tới sự co ngắn là rõ rệt nhất và có thể tính toán được một cách phổ thông.Các cấu kiện thẳng đứng chịu lực dọc đều co ngắn, tuy nhiên mức độ co ngắn phụ thuộc vào tải trọng và độ cứng dọc trục (modul đàn hồi và diện tích tiết diện), và do đó giữa các cấu kiện thẳng đứng có sự co ngắn khác nhau. Sự chênh lệch về mức độ co ngắn diễn ra rõ rệt nhất là ở phần lõi (hệ

vách) và các cột xung quanh lõi, nguyên nhân là do độ cứng dọc trục của lõi thường rất lớn, vì lõi được thiết kế để chịu tải trọng ngang, ứng suất nén trong lõi đối với tĩnh tải là rất nhỏ. Các dầm xung quanh lõi thường chịu mô men uốn lớn do chịu chuyển vị cưỡng bức, và phần lõi thường chịu một lực dọc lớn hơn do sự phân phối lại theo chuyển vị.Đối với nhà thấp tầng, khi tính toán trong mô hình Etabs thì hệ quả của hiệu ứng trên không đáng kể, do sự chênh lệch chuyển vị tại các tầng là khá nhỏ.Hệ quả của Shortening chỉ đáng kể khi tính toán cho nhà cao tầng, và diễn ra rõ rệt ở các tầng phía trên do độ chênh lệch chuyển vị được cộng dồn. Dầm của các tầng trên thường phải chịu độ lún lệch của bản thân tầng đó cộng với độ lún của các tầng phía dưới.

Mâu thuẫn

Phân tích kỹ hơn cho thấy không chỉ làm thay đổi một cách kỳ dị nội lực trong dầm, Shortening còn phân phối lại lực dọc trong cột và từ đó ảnh hưởng đến phần kết cấu móng. Lực dọc không còn được phân phối theo diện tích như cách thông thường, dưới tác dụng của chuyển vị không đều, cấu kiện cứng hơn (chuyển vị ít hơn) sẽ phải chịu một tải trọng phân phối lớn hơn.Tuy nhiên Shortening không diễn ra một cách tự nhiên như thế. Tải trọng bản thân của kết cấu và khối xây (chiếm hơn 80% tổng tải trọng thẳng đứng) được chất từ từ theo thời gian thi công. Việc thi công tuần tự các tầng đã triệt tiêu được một phần chênh lệch chuyển vị công dồn (do công tác thi công đã hiệu chỉnh cao độ sàn phù hợp). Do đó, trên thực tế, hệ quả của Shortening không lớn như trong tính toán hệ kết cấu hoàn chỉnh. Việc tính toán hệ kết cấu không xét đến sự triệt tiêu của hiệu ứng Shortening theo giai đoạn thi công sẽ dẫn đến một sự sai lệch rất lớn về kết quả của toàn bộ kết cấu từ phần móng đến phần thân.Hệ kết cấu trên thực tế sẽ vẫn phải chịu hệ quả của Shortening, nhưng đã giảm đi rất nhiều, và chỉ đáng kể ở các tầng phía dưới (ngược với theo tính toán).

Phương pháp hạn chế sai sót

Etabs cung cấp chức năng tính toán nội lực của hệ kết cấu theo giai đoạn thi công (Sequential Construction Case), bạn có thể tìm hiểu tại đây:http://www.youtube.com/watch?v=wTEuKAIhp-ETuy nhiên, việc phân tích nội lực theo giai đoạn thi công trong Etabs chiếm một lượng thời gian rất lớn. Dưới đây tôi xin đề cập thêm một cách thức có thể hạn chế được sai sót do tính toán nội lực trong Etabs theo cách thông thường (không sử dụng chức năng phân tích theo giai đoạn thi công - Sequential Construction Case), đó là sử dụng nội lực của trường hợp tỉnh tải của các tầng dưới. Do các tầng dưới chịu ảnh hưởng ít của Shortening, chúng ta có thể lấy nội lực trong trường hợp tĩnh tải của các tầng dưới để tính toán diện tích cốt thép cho các tầng phía trên 

Đánh giá

Các phương pháp đều có hạn chế. Dưới đây mô tả kết quả phân tích nội lực của hệ kết cấu khi sử dụng các phương pháp khác nhau:

http://i94.photobucket.com/albums/l99/hoangvantmb/Binhthuong-1.jpg

Tính diện tích cốt thép bằng Etabs - Theo TCVN(Bài viết này dựa trên nghiên cứu của tác giả về những điểm tương đồng trong việc tính toán cốt thép giữa hai tiêu chuẩn BS8110-97 và TCVN356-2005, độc giả có thể tìm hiểu qua tài liệu sau: So sánh BS8110-97 và TCVN)

Cả BS8110-97 và TCVN356-2005 đều tính toán cấu kiện bê tông cốt thép dựa trên lý thuyết về trạng thái giới hạn (về độ bền và trạng thái sử dụng). Đối với cấu kiện loại Dầm, cả BS lẫn TCVN đều thiết lập phương trình cân bằng lực ở trạng thái giới hạn, giải phương trình và tìm ra lượng cốt thép yêu cầu. Đối với cấu kiện loại Cột, cách truyền thống được nêu ra trong BS là quy đổi về trường hợp lệch tâm phẳng với hệ số quy đổi, bên cạnh đó, BS cũng đưa ra các biểu đồ tương tác dùng để kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện.

TCVN vẫn đang chật vật với việc tính toán cột chịu nén lệch tâm xiên, tuy nhiên đã đưa ra điều kiện tổng quát, và công thức cho phép xác định ứng suất của cốt thép phụ thuộc vào vị trí của đường giới hạn vùng nén. Những năm gần đây, các nghiên cứu về việc xây dựng biểu đồ tương tác đã đạt được nhiều kết quả, bên cạnh đó là quy trình tính toán cốt thép theo phương pháp đúng dần dựa vào biểu đồ tương tác. Chúng ta hoàn toàn giải được bài toán khung BTCT theo TCXDVN 356-2005! Nhưng trước hết hãy tận dụng Etabs cái đã.

Mặc dù Etabs không cung cấp lựa chọn tiêu chuẩn TCVN356 trong tính toán cốt thép, nhưng từ những điểm chung của hai tiêu chuẩn như đã nói ở trên, chúng ta hoàn toàn có thể dùng Etabs + BS8110-97 + Tải trọng VN + Vật liệu VN -> Cốt thép theo TCVN356

Nghe có vẻ mâu thuẫn, nhưng nếu bạn đọc BS, bạn biết rằng nguyên tắc tính toán của BS cũng giống VN, và nếu bạn làm thử, bạn sẽ không nghi ngờ điều đó.

1. Đầu tiên là khai báo tiêu chuẩn BS8110-97, nhưng sửa đổi hai thông số giảm hoạt tải và giới hạn sử dụng (tạm dịch)

2. Khai báo tổ hợp thiết kế là tổ hợp theo tiêu chuẩn việt nam

http://www.cadviet.com/upfiles/3/pic1_1.jpg

3. Thay dổi vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam

 Bạn cần biết, mặc dù BS yêu cầu bạn nhập hai thông số về cường độ Vật Liệu là fcu (cường độ đặc trưng của bê tông, tương ứng với cấp độ bền. Ví dụ: B15 là 15MPa, B20 là 20MPa) và fy (giới hạn chảy của cốt thép) Tuy nhiên giá trị tính toán của vật liệu theo BS được lấy như sau:

- Đối với Bê tông: cường độ tính toán = 0.67*fcu/1.5

- Đối với Cốt thép: cường độ tính toán = fy/1.05

Ở đây 1.5 và 1.05 là hệ số an toàn riêng cho Bê tông và Cốt thép

Suy ngược lại, nếu bạn muốn khai báo vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam, bạn cần khai báo cường độ tính toán đã nhân với các hệ số trên. Ví dụ:

- Với B15, R=85 kG/cm2 -> fcu khai báo sẽ bằng: 85*1.5/0.67 = 190.3 kG/cm3

- Với B20, R=115 kG/cm2 -> fcu khai báo sẽ bằng: 115*1.5/0.67 = 257.5 kG/cm2

- Với B25, R=145 kG/cm2 -> fcu khai báo sẽ bằng: 145*1.5/0.67 = 324.6 kG/cm2

- Với AII, R=2800 kG/cm2 -> fy khai báo sẽ bằng: 2800*1.05 = 2940 kG/cm2

- Với AIII, R=3650 kG/cm2 -> fy khai báo sẽ bằng: 3650*1.05 = 3832.5 kG/cm2

Ở đây fcu và fy đã được khai theo tiêu chuẩn Việt Nam quy đổi lên, không phải theo con số đúng với ý nghĩa của nó như trong BS.

http://www.cadviet.com/upfiles/3/pic5.jpg

Etabs - Các phương pháp khai báo tải trọng Động đất

Contents

1. 1   3 Phương pháp khai bảo tải trọng động đất trong Etabs 1. 1.1   Phương pháp 1: Tải trọng động đất được tính toán tự động hoàn toàn trong Etabs 2. 1.2   Phương pháp 2: Tải trọng động đất được tính toán bán tự động trong Etabs 3. 1.3   Phương pháp 3: Người dùng tự tính toán tải trọng động đất và khai báo vào Etabs như các tải trọng thông thường

2. 2   Khai báo khối lượng tham gia dao động

Hiện nay, việc tính toán tải trọng động đất cho kết cấu công trình được tiến hành theo tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006. Tiêu chuẩn 375-2006 là bản dịch của EuroCode 8, qua đó, thay vì khái niệm cấp động đất như trước đây, nguy cơ và sức mạnh của động đất đươc đánh giá thông qua giá trị Đỉnh gia tốc nền. Với một loạt các quy định ngặt nghèo về cách thức áp dụng và quy định về cấu tạo, TCXDVN 375-2006 đang gây ra không ít khó khăn cho người thiết kế khi xác định

tải trọng của động đât tác dụng lên công trình. Bài viết này nêu ra các phương pháp khai báo tải trọng động đất trong Etabs.

3 Phương pháp khai bảo tải trọng động đất trong Etabs

Phương pháp 1: Tải trọng động đất được tính toán tự động hoàn toàn trong Etabs

Do TCXDVN 375-2006 được biên dịch từ EuroCode 8, nên ta có thể sử dụng phương pháp khai báo tải trọng động đất theo tiêu chuẩn EuroCode 8 để Etabs tính toán tải trọng động đất một cách tự động hoàn toàn (các phiên bản cũ như 9.2 không sử dụng được phương pháp này).

Trong phương pháp này, chúng ta phải khai báo giá trị của đỉnh gia tốc nền, loại đất nền, hệ số ứng xử của kết cấu

Các bước tiến hành:

Lựa chọn tiêu chuẩn EuroCode 8 cho việc tính toán tải trọng động đất

Khai báo các thông số

Trong form trên.

- Mục Direction and Eccentricity dùng để khai báo phương của lực và độ lệch tâm ngẫu nhiên. Ví dụ trong trường hợp tải trong động đất theo phương X, ta chọn X Dir + Eccen Y với ý nghĩa rằng tải trọng theo phương X, và kể đến độ lệch tâm ngẫu nhiên. Giá trị của độ lệch tâm được khai trong: Ecc. Ratio, giá trị này

áp dụng chung cho tất cả các tầng. Đối với trường hợp độ lệch tâm giữa các tầng là khác nhau, ta khai báo trong phần Override Diaph. Eccen.

- Mục Time Period dùng để khai báo chu kỳ dao động của hệ kết cấu. Lựa chọn Approxomate áp dụng cho trường hợp tính toán gần đúng chu ký dao động, giá trị khai báo là chiều cao của công trình. Lựa chọn Program Calc có nghĩa là Etabs sẽ tính toán chu kỳ dao động của kết cấu. Lựa chọn User Defined dùng cho trường hợp người dùng nhập trực tiếp giá trị chu kỳ dao động của kết cấu.

- Mục Story Range dùng để khai báo các tầng sẽ chịu tải trọng động đất

- Mục Parameters dùng để khai báo các tham số liên quan đến việc xác định tải trọng động đất. Ground Acceleration, ag là giá trị của gia tốc nền, đã được bao gồm hệ số tầm quan trọng của công trình. Spectrum Type là dạng của phổ phản ứng gia tốc, tùy thuộc vào vận tốc sóng mặt mà sử dụng dạng phổ nào (quy định trong EuroCode 8). Qua so sánh mục 3.2.2.2 trong tiêu chuẩn EuroCode 8 và mục 3.2.2.2 trong tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006, Spectrum Type có giá trị là 1 là phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam.Group Type là dạng của nền đất, phụ thuộc vào chỉ số SPT trung bình ở 30m đầu tiên để xác định loại nền đất. Lower Bound Facor, Beta là chỉ số cận dưới của phổ.

Phương pháp 2: Tải trọng động đất được tính toán bán tự động trong Etabs

Trong phương pháp này, bạn phải tính toán các giá trị của phổ phản ứng gia tốc và lưu vào 1 file *.txt, nội dung của file này như sau

Bạn khai báo phổ phản ứng gia tốc trong Etabs theo các bước sau đây.

Vào menu Define -> Response Spectrum Functions, cửa số Define Response Spectrum Functions sẽ xuất hiện

Trong mục Choose Function Type to Add, chọn Spectrum from File. Click Add New Function, cửa sổ Response Spectrum Function Definition sẽ xuất hiện

http://i94.photobucket.com/albums/l99/hoangvantmb/0202-DefSpectrum2-1.png

Trong mục Values are, chọn Period vs Value, click Browe để chọn file.

Sau khi chọn file. click Display Graph để chọn Etabs đọc và biếu diễn phổ phản ứng gia tốc

Bạn có thể chọn Convert to User Defined để Etabs chép dữ liệu từ file này vào file *.EDB

Chúng ta đã khai báo xong phổ phản ứng gia tốc, nhiệm vụ tiếp theo là khai báo trường hợp tải trong động đất.

Vào menu Define -> Response Spectrum Case, cửa số Define Response Spectra sẽ xuất hiện.

Click Add New Spectrum, cửa sổ Response Spectrum Case Data sẽ xuất hiện

Trong mục Input Response Spectra, chọn phương tương ứng và nhập giá trị ở ô Scale Factor với giá trị phụ thuộc vào đơn vị đang sử dụng. Lưu ý rằng đơn vị mặc định của phổ phản ứng gia tốc là m/s2, nên nếu đang dùng đơn vị mm, bạn phải nhập giá trị 1000 vào ô Scale Factor.

Tiếp tục khai báo cho các phương khác, và từ đây bạn có thể đưa tải trọng vào tổ hợp như các trường hợp tải trọng khai báo thông thường.

Phương pháp 3: Người dùng tự tính toán tải trọng động đất và khai báo vào Etabs như các tải trọng thông thường

Trong phương pháp này, người dùng phải tính toán giá trị của tải trọng động đất và gán cho các tầng (thông qua Diaphragms).Giá trị của tải trọng động đất được xác định theo tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006. Tùy thuộc vào mức độ của công trình, giá trị tải trọng động đất có thể xác định theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương (mục 4.3.3.2) hoặc phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động (mục 4.3.3.3). Với phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động, tải trọng tác động lên tầng thứ k trong dạng dao động thứ i của công trình được xác định theo công thức sau:

Số dạng giao động được xét đến được nêu trong mục 4.3.3.3.1 của tiêu chuẩn.Các bước gán tải trọng động đất như sau:

Khai báo trường hợp tải trọng

Gán giá trị tải trọng động đất

Chức năng Apply at Center of Mass sẽ tự động gán tải trọng động đất vào tâm khối lượng của kết cấu, với độ lệch ngẫu nhiêu là 0.05 (5%)

Khai báo khối lượng tham gia dao động

Chú ý: Khối lượng tham gia dao động của công trình được quy định tại mục 3.2.4 của tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006, dưới đây áp dụng công thức thực hành là Tĩnh tải + 0.5 Hoạt Tải

Việc khai báo khối lượng tham gia dao động của công trình trong Etabs như sau

Vào menu Define -> Mass Source..., 

http://i94.photobucket.com/albums/l99/hoangvantmb/Khaibaokhoiluong1.png

Cửa số Define Mass Source sẽ xuất hiện

Trong mục Mass Definition, chọn Form Loads

Trong mục Define Mass Multiplier for Loads, chọn tải trọng và hệ số tương ứng rồi click Add