Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Tham khảo: A. Whittaker + J.W. Wallace

Chương
14:
PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT
Chương 14: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT
CHỐNG ĐỘNG ĐẤT

14.1 MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ KHUNG BTCT
14.1.1 Giới thiệu
Xem xét công trình mẫu dưới đây theo trang 9-6 của tài liệu ATC-40 (
1
). Một trong
những thử thách trong phân tích và thiết kế công trình mới hay kiểm định công trình cũ là
xây dựng một mô hình toán của công trình đó.

Những gì cần thiết phải kể đến trong mô hình toán của công trình mô tả ở trên?
 Bất cứ phần tử nào, chịu lực (structural element) hay không chịu lực (non-
structural element), mà ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của công trình.
 Những đại lượng ứng xử nào phải xem xét? Chuyển vị, Gia tốc, Nội lực,...
 Những phần tử
móng (foundation element) nào phải xem xét?
Ngoại trừ các hệ khung nhà rất đơn giản, thông thường việc phân tích dựa trên các
chương trình máy tính chuyên dụng như SAP2000
. Một số chương trình này bao gồm cả
SAP2000 có thể trình diển trực tiếp ứng xử tải trọng-chuyển vị phi tuyến (nonlinear load-
deformation behavior) của các thành phần kết cấu riêng lẻ.
Phương pháp phân tích phi tuyến là ngoài phạm v
i trình bày của giáo trình này - CIE 525
và không được trình bày trong ACI 318 (tiêu chuẩn này được xây dựng dựa trên các

Dầm
và cột trong một khung nên được mô hình xét đến cả hai độ cứng chống uốn
(flexural rigidity =

E
c
A
g
;

= 0,5-1) và độ cứng chống cắt (shear rigidity = G
c
A
w
) mặc
dầu độ cứng chống cắt có thể được bỏ qua trong nhiều trường hợp tính toán. Mối nối
dầm-cột kiểu ngàm cứng (rigid beam-column connection) thường được giả thiết trong tính
toán, ngoại trừ các trường hợp mối nối không đủ cứng để cho phép tăng cường khả năng
chịu lực của các thành phần kết cấu ngay tại mối nối.
 Điều này có nghĩa gì?
 Thường dùng các phần tử dạng đường thẳng (line element) tương ứng với độ cứng
(stiffness) tập trung tại các đường trục của chúng.
 Phải mô hình thế nào khi các đường trục dầm và cột không trùng nhau
?
 Làm giảm
khả năng chịu tải và độ cứng hiệu quả của kết cấu
 Mô hình trực tiếp
sự lệch tâm
Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Tham khảo: A. Whittaker + J.W. Wallace

dầm hay tại nơi nào đó trong nhịp dầm. Vị trí nơi nào đó
phải được xác định và được bao
hàm trong mô hình toán.

(
2
):
ATC, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, Report ATC-40, Applied
Technology Council, Redwood City, California, USA.
Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Tham khảo: A. Whittaker + J.W. Wallace

Chương
14:
PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT

14.1.3 Hệ khung sàn-cột (Slab-Column Frame)
Trong hệ khung sàn-cột, do chiều dày sàn lớn (> 15 cm), nên phải xét đến sự tham gia của
sàn. Ở giáo trình này (CIE 525), khung sàn-cột được nhấn mạnh hơn so với khung dầm-
cột, nguyên do vì có rất ít nhà thiết kế chuyên nghiệp hiểu biết thấu đáo về ứng xử nội
lực-biến dạng của hệ khung sàn-cột.
Thiết kế thực hành trong nhiều năm qua, ở các khu vực có nguy cơ động đất lớn, đã bỏ
qua sự đóng góp của khung sàn-cột vào cường độ chịu tải ngang (lateral strength) và độ
cứng ngang (lateral stiffness) của toàn bộ hệ thống khung chịu lực.
 Lý do để an toàn trong thiết kế dựa trên nội lực (force-based design)?
Phương pháp thực hành như trên là không thích hợp cho thiết kế dựa trên chuyển vị
(performance-based design) và cho kiểm định động đất (seismic evaluation) vì các lý do:
 Các khung sàn-cột có đóng góp đáng kể vào cường độ chịu lực và độ cứng
 Sự hư hỏng
các khung sàn-cột phải được xem xét trong sự kiểm định ứng xử của

tải trọng
ngang
Khung 1 Khung 2 …
Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Tham khảo: A. Whittaker + J.W. Wallace

Chương
14:
PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT
Ba nhóm phương pháp có thể chấp nhận để mô hình các khung sàn-cột được mô tả trong
sơ đồ dưới đây:
 Mô hình dầm tương đương (Equivalent beam width model): cột và sàn được mô tả
như các phần tử khung (frame element) được nối cứng với nhau tại nút khung.
 Mô hình khung tương đương (Equivalent frame model): cột và sàn được mô tả
như các phần tử khung (frame element) được lò so liên kết (connection spring) nối
với nhau tại nút khung.
 Mô hình phần tử hữu hạn (Finite element mode): cột được mô tả như các phần tử
khung (frame element) và sàn như các phần tử tấm chịu uốn (plate-bending
element), nhưng phải chú ý bị lệ thuộc vào bậc tự do tại các nút khung.

Nhiều nghiên cứu trước đây về độ cứng hệ khung-sàn tập trung vào tải trọng ngang ở mức
độ hoạt động bình thường (thường là tải trọng gió) mà chỉ tạo ra các ứng xử đàn hồi
.
Nhiều nghiên cứu trước đây cũng bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng đứng
lên độ cứng ngang
của hệ sàn.

Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Tham khảo: A. Whittaker + J.W. Wallace


) )hb(E4.0AE4.0
22cwc

- Độ cứng dọc trục (
axial rigidity
)
)hbhb(EAE
2211cgc


Khi độ cứng đã xác định xong, mô hình hệ
khung BTCT
được xây dự
ng
như thế nào?


Theo kích thước trục các thành phần?


Các điểm đầu các phần tử (
zero-end offsets
) bắt đầu tại các mối nối dầm(sàn)-cột ?


Dùng mô hình 2D hay mô hình 3D?
b
2
1
H

(Thiết kế công trình chịu động đất).

Các
phá hoại chủ yếu
do tác động của lực
động đất lên hệ khung BTCT:
- Phá hoại nút khung
dầm-cột.
- Phá hoại nén vỡ bê tông trong cột (do bê
tông chống nở ngang kém -
badly confined
)
- Phá hoại cắt trong cột
.
- Phá hoại do yếu liên kết neo
của cốt thép
chịu uốn trong dầm và cột.

Những
vấn đề quan trọng
khi thiết kế kết
cấu
khung BTCT chống động đất
:
1.

Tất cả các phần tử khung (cột, dầm, nút)
phải được thiết kế và cấu tạo cốt thép
sao cho chúng có thể kháng chấn
theo

linh động (
flexible fixing
).
4.

Nên thiết kế và cấu tạo hệ khung BTCT có bậc siêu tĩnh cao để có càng nhiều khớp
dẻo hấp thụ năng lượng động đất càng tốt trước khi một cơ cấu phá hủy (
failure
mechanism
)

của hệ

khung xảy

ra.
Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Môn học: Phân Tích Ứng Xử & Thiết Kế Kết Cấu BTCT Tham khảo: A. Whittaker + J.W. Wallace

Chương
14:
PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỐNG ĐỘNG ĐẤT
14.3.1 Nguyên tắc tính toán của phương pháp tuyến tính tĩnh (LSP) theo UBC-94
Các bước chính phân tích động đất khung nhà BTCT theo phương pháp tuyến tính tĩnh

UBC-94
(Uniform Building Code phát triển bởi
Structural Engineers Association of
California
- SEAOC) được liệt kê như sau:

ZIC
V
base

(14-1)
Trong đó:
W - toàn bộ tải trọng đứng tác dụng lên công trình:



n
1i
i
WW
Z - hệ số khu vực động đất của Mỹ:
Vùng Đ.Đất khu
vực 1 khu vực 2 khu vực 3 khu vực 4
Tính chất ĐĐ yếu ĐĐ vừa ĐĐ mạnh ĐĐ rất mạnh
Hệ số ĐĐ
Z
=
0.075
0.15

0.2
0.3 0.4
I - hệ số công trình: I = 1,0 (bình thường)  I = 1,25 (quan trọng)
C - hệ số vận tốc động đất:
75.2S
T