Phương pháp phân tích kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo tuần tự thi công

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO TUẦN TỰ THI CÔNG Phân tích kết cấu theo cách truyền thống thực hiện trên hệ kết cấu được mô phỏng hoàn chỉnh (kết cấu trong giai đoạn khai thác sử dụng). Quá trình phân tích được thực hiện khi tải trọng tác dụng lên hệ kết cấu hoàn chỉnh Hình 1: Sơ đồ tính khi phân tích cả hệ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP NHÀ CAO TẦNG THEO TUẦN TỰ THI CÔNG Tóm tắt: Phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công hạn chế được các sai sót của việc phân tích cả hệ kết cấu hoàn chỉnh. Bài báo này xem xét các thông số dùng cho phương pháp phân tích và đánh giá tính hiệu quả của phương pháp phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công cho nhà cao tầng bê tông cốt thép. Từ khóa: Phân tích, thi công, dọc trục, kết cấu, bê tông, cốt thép, nhà cao tầng. Summary: The method of analyzing structure to the construction phases can minimize the shortcomings of the method of analyzing the complete structure system. This article reviews the parameters used for the analysis and evaluate the effectiveness of the structural analysis method to the construction phases for the reinforced concrete buildings. Key words: Analyze, construction, vertical axis, structure, concrete, reinforced, high-rise buildings Khác biệt phương pháp trên, phân tích từng tầng theo tuần tự thi công (Hình 2) thực hiện theo các bước sau: Hình 2: Phân tích tĩnh phi tuyến theo tuần tự thi công ở mỗi tầng Nội lực, biến dạng do co ngót, từ biến, trọng lượng kết cấu và ứng xử phi tuyến đối với tầng 1 được tính toán => Lập sơ đồ tầng 2 phía trên tầng 1 => Tải trọng ấn định trên tầng 2 => Các ứng xử của sơ đồ mới được tính toán => Tiếp tục quá trình cho các tầng trên, kết quả phân tích có xét đến tuần tự thi công. Phương pháp phân tích theo tuần tự thi công đã được tích hợp trong các phần mềm phân tích kết cấu, với tên gọi Stage construction (SAP), Sequential construction analysis (ETABS), được dịch là “phân tích theo giai đoạn thi công”. Thuật ngữ “giai đoạn thi công” có thể gây hiểu sai theo nghĩa đây là TS.Vũ Hoàng Hiệp* Nhận ngày 02/8/2017, chỉnh sửa ngày 27/8/2017, chấp nhận đăng ngày 30/8/2017. 79Số 55.2017 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG * Trưởng khoa Xây dựng, Trường ĐH Kiến trúc Hà Nội công tác thiết kế kết cấu ở giai đoạn thi công. Về bản chất, từ lúc xây dựng, các cấu kiện đã bị tác động và có những ứng xử, đã được điều chỉnh bằng biện pháp thi công, gây ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu khi đã hoàn chỉnh ở “giai đoạn sử dụng”. Như thế, kết cấu khi khai thác, sử dụng mới được xem xét toàn diện. Trong Hình 2, quá trình gán thêm các tầng phía trên, biến dạng dọc trục chênh lệch giữa các cột tầng dưới (gọi là hiện tượng shortening) đã được đổ bù bê tông, để đảm bảo dầm sàn tầng trên bằng phẳng cùng cao độ. Điều này đã mô phỏng đúng thực tế quá trình thi công kết cấu bê tông cốt thép toàn khối. Để minh họa bản chất của phương pháp, kết cấu khung 15 tầng, 2 nhịp điển hình được khảo sát theo 2 cách phân tích. Chiều cao tầng 3,4m. Nhịp dầm 6m. Cột biên có kích thước tiết diện 50x50cm, cột giữa tiết diện 50x120cm, dầm tiết diện 30x60cm. Vật liệu bê tông cấp độ bền B30. Kết quả chênh lệch chuyển vị đứng cột biên và giữa phân bổ rất khác biệt như Hình 3: a) Phân tích trên kết cấu hoàn chỉnh b) Phân tích theo tuần tự thi công Hình 3: So sánh chênh lệch cao độ cột biên và cột giữa theo 2 cách phân tích HIỆN TƯỢNG BIẾN DẠNG DỌC TRỤC CÁC CẤU KIỆN THẲNG ĐỨNG CHÊNH LỆCH TRONG NHÀ CAO TẦNG Trong hệ kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), do tác động kết hợp của biến dạng co ngót, từ biến và ứng suất nén gây nên biến dạng dọc trục trong các cột, vách, lõi. Ở các nhà cao tầng, các cột bao quanh thường có khuynh hướng co ngắn nhiều hơn so với vách và lõi bên trong (hiện tượng shortening), dẫn đến sự chênh lệch đáng kể về biến dạng dọc trục, gây nên sự phân phối lại nội lực rất bất lợi, như Hình 4: Hình 4: Mô tả hệ quả của hiệu ứng shortening [2] Lực dọc trong các cột, vách sẽ được phân phối lại. Mô men trong các dầm tập trung rất lớn tại đầu liên kết với cấu kiện đứng ít bị co ngắn hơn, mô men đầu dầm còn lại thậm chí còn đổi dấu. Điều này dẫn đến phải bố trí cốt thép tập trung, không phân đều, thi công khó khăn và quan trọng hơn, liệu kết quả nội lực đó có phản ánh đúng thực tế hay không. Trong thực tế thi công, tải trọng bản thân của kết cấu và khối xây đã được chất từng bước theo thời gian. Việc thi công tuần tự các tầng đã triệt tiêu một phần chênh lệch chuyển vị cộng dồn do đổ bê tông đã bù cột, hiệu chỉnh cao độ thống nhất tại mỗi sàn. Vì vậy, 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 dẫn đến một sự sai lệch về kết quả [2]. Kết quả so sánh chuyển vị đứng của cột biên và cột giữa trên Hình 3 cho thấy, việc phân tích kết cấu theo tuần tự thi công đã thay đổi trị số cũng như phân bố độ chênh lệch chuyển vị của cấu kiện đứng, rõ nhất là tại tầng mái. Đã có nhiều nghiên cứu nêu rõ các nguyên nhân gây biến dạng dọc trục cột BTCT là: Biến dạng co ngót, từ biến của bê tông, tác động nhiệt, các tải trọng thi công, tải rung động, biến dạng đàn hồi do lực dọc cột [1] [3][4][6]. Những kết luận biến dạng dọc trục khác biệt giữa các cột và vách trong cùng một công trình dẫn đến phân bố nội lực rất không đồng đều trong kết cấu toàn nhà, bỏ qua sự co ngắn khác nhau của cột, vách có thể dẫn đến sự cố trong kết cấu và các bộ phận phi kết cấu của tòa nhà đã được đưa ra [3][4][8]. Đặc biệt là đưa ra các đánh giá về sự cần thiết và hiệu quả của phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công (giai đoạn thi công) trong các công trình cao tầng [2][3][6][9]. Tuy nhiên, ngoại trừ một số công trình siêu cao tầng, công trình cầu nhịp lớn, việc sử dụng phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công không phổ biến trong thực tế thiết kế công trình cao tầng ở Việt Nam, dù số lượng các công trình cao 30 đến 45 tầng không hiếm. Lý do có thể xuất phát từ tâm lý ngại thay đổi của người thiết kế, do số lượng các 80 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG phương án tải khá lớn, một số thông số đầu vào cho phân tích chưa thực sự dễ dàng nắm bắt để lựa chọn. Các nội dung sau của bài báo sẽ đề cập, phân tích và đề xuất về các thông số sử dụng cho phương pháp phân tích này, so sánh các kết quả nội lực giữa phương pháp phân tích theo tuần tự thi công và chỉ phân tích trên cả hệ kết cấu hoàn chỉnh. Đối tượng nghiên cứu là kết cấu BTCT toàn khối trong nhà cao tầng. LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ DÙNG CHO PHÂN TÍCH KẾT CẤU Tải trọng đưa vào phân tích Theo bản chất phương pháp phân tích kết cấu trình bày ở mục 2, không phải tất cả các loại tải trọng và tác động vào công trình đều được đưa vào phương pháp phân tích theo tuần tự thi công. Các tải trọng tạm thời như hoạt tải sử dụng, gió, động đất gán tác dụng lên hệ kết cấu đã hoàn chỉnh, phân tích theo các phương pháp truyền thống. Thành phần tĩnh tải có ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng co ngắn các cấu kiện thẳng đứng trong quá trình xây dựng, mới đưa vào phân tích theo phương pháp tuần tự thi công. Cụ thể chỉ có phần trọng lượng bản thân kết cấu (dầm, sàn, cột, vách, lõi) và những phần hoàn thiện song song với thi công kết cấu (xây tường chèn), được phân tích theo tuần tự thi công, còn các tĩnh tải hoàn thiện khi kết cấu thi công xong được phân tích trên hệ đã hoàn chỉnh. Các số liệu phân loại tĩnh tải được thực hiện trên 2 dạng công trình cao tầng điển hình cho thấy: Với công trình văn phòng, tổng trọng lượng bản thân kết cấu chiếm 75÷80% tĩnh tải, phần hoàn thiện chiếm 20÷25% tĩnh tải toàn công trình; Với công trình chung cư, tổng trọng lượng bản thân kết cấu chiếm 55÷60% tĩnh tải, phần hoàn thiện chiếm 40÷45% tĩnh tải toàn công trình. Tiến độ thi công Thông số này trong phương pháp phân tích theo tuần tự thi công là số ngày thi công kết cấu chịu lực BTCT của 1 tầng. Với các số liệu tiến độ trung bình 7÷10 ngày/tầng, thay đổi thông số trong khoảng này không làm chuyển vị chênh lệch giữa các cột - vách nhiều, chỉ 5÷7%. Hệ số co ngót Các hệ số co ngót Bsc và hệ số loại xi măng s xét ảnh hưởng biến dạng co ngót của bê tông trong phương pháp phân tích theo tuần tự thi công bằng phần mềm ETABS 2015. Theo tiêu chuẩn TCVN 5439-2004 về phân loại xi măng và đối chiếu tiêu chuẩn CEB-FIP 1990, các loại xi măng sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay thuộc loại tốc độ đóng rắn trung bình, có thể lấy thông số Bsc=5 và s=0,25. Mô hình từ biến ETABS 2015 dùng 2 mô hình từ biến dùng trong phân tích là tích phân đầy đủ (Full integration) và chuỗi Dirichlet ( Dirichlet series). Chuỗi Dirichlet được kiến nghị áp dụng thích hợp khi tính toán các kết cấu kích thước lớn, còn mô hình tích phân đầy đủ được khuyên dùng cho các công trình có kết cấu vừa và nhỏ. Thông số mô đun đàn hồi của bê tông Phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công thực hiện quá trình phân tích ngay từ thời điểm xây dựng, do vậy trị số mô đun đàn hồi của bê tông cũng được xác định tại thời điểm này, không phải trị số giả định lúc khai thác, sử dụng. Quan hệ mô đun đàn hồi Quan hệ mô đun đàn hồi tại tuổi t ngày với mô đun đàn hồi tại 28 ngày Eci theo CEB-FIP 1990: (1) trong đó: : hệ số phụ thuộc thời gian, (2) s: hệ số phụ thuộc loại xi măng, khai báo theo mục 3.3 nêu trên. t: đơn vị ngày MỘT SỐ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH KẾT CẤU BTCT NHÀ CAO TẦNG THEO TUẦN TỰ THI CÔNG Mô hình kết cấu 1 Khảo sát kết cấu khung trục 2 của công trình 16 tầng, mặt bằng như Hình 5: Hình 5: Mặt bằng kết cấu công trình 16 tầng Tiến hành 2 phương pháp phân tích kết cấu chịu tác dụng tĩnh tải: Phân tích trên cả hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) và theo tuần tự thi công (PTTTTC). Tiết diện cột được chọn theo 2 cách: Chọn tiết diện sát tính toán sơ bộ nội lực 81Số 55.2017 XÂY DỰNG & ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG (Acột.tt) và chọn nhóm tiết diện cột như nhau cho dễ thi công (Acột.tc). Kết quả thu được mô men tiết diện ở cuối dầm tầng mái như Bảng 1: Bảng 1: Mô men đầu dầm do tĩnh tải công trình 16 tầng Kết quả trên cho thấy, tuy công trình có số tầng không lớn, nhưng nếu ứng suất nén trong các cột chênh lệch nhiều (do chọn tiết diện cột không sát nội lực) thì ảnh hưởng của shortening đáng kể và cần thiết phải phân tích kết cấu theo phương pháp tuần tự thi công. Mô hình kết cấu 2 Khảo sát kết cấu trục 2 của công trình 25 tầng có mặt bằng như Hình 6: Hình 6: Mặt bằng kết cấu công trình 25 tầng So sánh kết quả mômen trong dầm do tĩnh tải theo 2 phương pháp phân tích: Phân tích trên cả hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) và kết hợp 2 phương pháp (PTKH). Khi kết hợp 2 phương pháp phân tích, phần tĩnh tải do trọng lượng bản thân kết cấu theo tuần tự thi công, phần tĩnh tải hoàn thiện phân tích trên hệ đã hoàn chỉnh. Cuối cùng là so sánh kết quả tổ hợp mômen trong dầm do tĩnh tải và các hoạt tải, gió, động đất: Phân tích trên cả hệ kết cấu hoàn chỉnh (PTHC) và kết hợp 2 phương pháp (PTKH). So sánh trình bày trong Bảng 2: Bảng 2: Mômen đầu dầm do tĩnh tải và tổ hợp nội lực Kết quả cho thấy, kết cấu khung - lõi luôn có chênh lệch chuyển vị đứng giữa cột và lõi lớn, ảnh hưởng shortening rõ nét, thậm chí có những vùng kết quả mômen đầu dầm còn đổi cả dấu nếu phân tích kết cấu theo 2 phương pháp. Tuy nhiên không nên nhìn nhận độc lập chỉ phân tích với tải trọng tĩnh, về tổng thể kết quả tổ hợp cuối cùng, nội lực của hệ kết cấu sẽ chênh lệch ít hơn khi áp dụng phương pháp phân tích theo tuần tự thi công vào thiết kế. Ảnh hưởng chênh co ngắn các cấu kiện thẳng đứng của kết cấu nhà cao tầng BTCT là đáng kể tới nội lực và biến dạng của cả hệ. Việc áp dụng phương pháp phân tích kết cấu theo tuần tự thi công sẽ hạn chế được các sai lệch kết quả nội lực so với phân tích cả hệ kết cấu hoàn chỉnh. Các thông số phục vụ phân tích kết cấu theo tuần tự thi công đã được chỉ rõ cho áp dụng thực tế. Để giảm ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng dọc trục, cần lựa chọn tiết diện các cấu kiện phù hợp nhất với nội lực thu được từ tính toán sơ bộ. Tài liệu tham khảo [1]. Cao Duy Khôi, Đánh giá hiệu ứng co ngắn cột qua kết quả đo đạc tại một số công trình nhà siêu cao tầng bê tông cốt thép, Hội nghị khoa học Vật liệu, Kết cấu & Công nghệ Xây dựng MSC-2012, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, trang 274-282. 2012. [2]. Hồ Việt Hùng, Shortening - Nguyên nhân, mâu thuẫn và phương pháp hạn chế sai sót, Ketcaushoft Group. Hà Nội. 2001. [3]. The Concrete Society, Axial shortening of columns, Concrete Society Technical Report, New York. 2008 [4]. Mallick P.K., Axial deformation of column in tall structures, E-Conference on Design and Construction of Tall Buildings, Structural Engineering Forum of India. 2012. [5]. Mark Fintel, S.K. Ghosh, Hal Iyengar, Column Shortening in tall strucutures - Prediction and Compensation , Technical Report, New York. 2012. [6]. Mola F., Pellegrini L.M., Effects of column shortening in tall R.C. buildings, 35th Conference on Our World in Concrete & Structures, Singapore. 2010. [7]. Nilson A.H., D.Darwin, C.W.Dolan, Design of concrete structures, Mc Graw Hill, New York. 2010. [8]. Praveen HN Moragaspitiya, Interactive axial shortening of columns and walls in high rise buildings, Doctoral papers presented in April, 2011, Queensland University of Technology. 2011. [9]. Vafai A. Ghabdian M, Estekanchi H.E, Desai C.S. (), Calculation of creep and shrinkage in tall Concrete buildings using nonlinear staged Construction analysis, Asian Journal of Civil Engineering (Building and Housing), Vol.10, No.4. 2009. Lựa chọn tiết diện cột Acột.tt Acột.tc Chênh lệch (%) 7,55 33,24 Vị trí tiết diện cuối cuối Mômen dầm theo phương pháp phân tích (kNm) PTHC -217,39 -144,12 PTTTTC -200,97 -192,03 Dầm B1 B1 Tầng 16 16 Tải trọng Tĩnh tải Tổ hợp Chênh lệch (%) 28,57 21,16 Vị trí tiết diện cuối cuối Mômen dầm theo phương pháp phân tích (kNm) PTHC -474,11 -661,46 PTKH -338,62 -521,52 Dầm B4 B4 Tầng 25 25 82 HỌC VIỆN CÁN BỘ QUẢN LÝ XÂY DỰNG VÀ ĐÔ THỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG