Giới thiệu
Khi thiết kế kết cấu để chịu tổ hợp tải trọng động đất, kỹ sư phải lựa chọn một khái niệm:
- Ứng xử kết cấu tiêu tán thấp
- q = 1 đến 2 (lớp tiết diện 4 → q = 1)
- Không có yêu cầu đặc biệt đối với kết cấu thép
- Cấp độ dẻo thấp (DCL)
- Ứng xử kết cấu tiêu tán
- q ≤ 4 – Cấp độ dẻo trung bình (DCM), lớp tiết diện 1, 2
- q > 4 – Cấp độ dẻo cao (DCH), lớp tiết diện 1
Đối với ứng xử kết cấu tiêu tán thấp, không cần yêu cầu đặc biệt và chỉ cần kiểm tra liên kết thông thường. Tuy nhiên, đối với tải trọng động đất lớn, việc thiết kế kết cấu duy trì trạng thái đàn hồi là không khả thi, và ứng xử kết cấu tiêu tán là cần thiết. Phân tích Thiết kế theo Khả năng Chịu lực Cấu kiện trong IDEA StatiCa Connection được dùng cho ứng xử như vậy.
Các loại kết cấu chịu động đất được phép theo EN 1998-1 bao gồm:
- Khung chịu mô men (MRF)
- khớp dẻo tại đầu dầm hoặc tại liên kết dầm với cột
- khớp dẻo cũng có thể xuất hiện tại:
- chân cột
- đỉnh cột ở tầng trên cùng
- Khung có giằng đồng tâm (CBF):
- vùng tiêu tán nằm ở các thanh chéo chịu kéo
- Khung có giằng lệch tâm (EBF):
- vùng tiêu tán trong các liên kết địa chấn, chủ yếu ở dầm
- Kết cấu con lắc ngược
- Kết cấu thép kết hợp với lõi bê tông hoặc tường bê tông
- Khung kép gồm khung chịu mô men kết hợp với khung giằng
- MRF đóng góp > 25% tổng độ bền và độ cứng
- Khung chịu mô men kết hợp với tường chèn bê tông cốt thép
Xác định các trường hợp tải trọng động đất
Nội lực cho tổ hợp tải trọng động đất có thể được xác định bằng một trong các phương pháp phân tích kết cấu địa chấn sau:
- Phương pháp lực ngang tương đương
- Phân tích phổ phản ứng dao động tuyến tính
- Phân tích tĩnh phi tuyến (pushover)
- Phân tích động lịch sử thời gian phi tuyến
Việc sử dụng phân tích phổ phản ứng dao động tuyến tính khiến nội lực "mất dấu" do phương pháp căn bậc hai tổng bình phương (SRSS). Dấu cần được khôi phục bằng phương pháp lực ngang tương đương – nút liên kết trong IDEA StatiCa phải ở trạng thái cân bằng. Tải trọng động đất nằm trong tổ hợp tải trọng bất thường và kết cấu được phân tích. Các nút liên kết được thiết kế bằng phân tích Ứng suất, biến dạng tiêu chuẩn (EPS) trong IDEA StatiCa Connection.
Hơn nữa, các cấu kiện không tiêu tán phải có khả năng truyền an toàn, không có biến dạng đáng kể, các lực cần thiết để tạo ra khớp dẻo trong các cấu kiện tiêu tán. Kiểm tra bổ sung này được thực hiện trong phân tích Thiết kế theo Khả năng Chịu lực Cấu kiện (MC).
Thiết kế theo khả năng chịu lực
Mục tiêu của thiết kế theo khả năng chịu lực là xác nhận rằng công trình có ứng xử dẻo có kiểm soát nhằm tránh sụp đổ trong trận động đất thiết kế. Điều này bao gồm việc thiết kế kết cấu cho phép phá hoại dẻo tại các vị trí dự đoán được trong kết cấu và ngăn chặn các dạng phá hoại khác xảy ra gần các vị trí này hoặc ở nơi khác trong kết cấu.
Nói cách khác, trong một kết cấu chứa cả cấu kiện giòn và dẻo, thiết kế theo khả năng chịu lực là phương pháp cung cấp cho kết cấu đặc tính dẻo tổng thể.
Một số cấu kiện được coi là tiêu tán và các cấu kiện khác là không tiêu tán. Các liên kết thường là không tiêu tán nhưng trong một số trường hợp có thể là tiêu tán. Các cấu kiện tiêu tán được kỳ vọng sẽ trải qua biến dạng dẻo đáng kể trong trường hợp tải trọng động đất, năng lượng địa chấn có thể được tiêu tán tại các biến dạng này, và do đó tải trọng động đất giảm đáng kể. Mặt khác, các cấu kiện tiêu tán phải có khả năng chịu được biến dạng chu kỳ mà không có vết nứt, và tất cả các cấu kiện không tiêu tán phải có khả năng truyền tải trọng do các cấu kiện tiêu tán gây ra. Để đảm bảo sự hình thành khớp dẻo trong cấu kiện tiêu tán, cường độ chảy có thể xảy ra được sử dụng thay vì cường độ chảy danh nghĩa, và đôi khi, đặc biệt đối với dầm trong MRF, cũng tính đến hiện tượng tăng bền. Do đó, cường độ của cấu kiện tiêu tán được lấy là:
\(f_{y,max} = \gamma_{sh} \cdot \gamma_{ov} \cdot f_y \) (EN)
\(F_{y,max}= C_{pr} \cdot R_y \cdot F_y \) (AISC)
trong đó:
- γsh – hệ số tăng bền, bằng 1,1 trong EN 1998-1 và 1,2 trong EN 1993-1-8; giá trị 1,2 được khuyến nghị trong các tài liệu hướng dẫn ECCS vì nó phù hợp hơn với các mác thép dùng cho ứng dụng địa chấn; có thể chỉnh sửa tại chức năng cấu kiện tiêu tán
- γov – hệ số vượt cường độ, giá trị khuyến nghị là 1,25; có thể chỉnh sửa trong vật liệu
- \(C_{pr} = \frac{F_y + F_u}{2 \cdot F_y}\) – hệ số tăng bền – AISC 358-16 (2.4-2); có thể bật hoặc tắt tại chức năng cấu kiện tiêu tán
- Ry – tỷ số giữa cường độ chảy có thể xảy ra và cường độ chảy tối thiểu – AISC 341-16 – Bảng A3.1; có thể chỉnh sửa trong vật liệu
Cường độ chịu kéo (giới hạn bền) cũng được điều chỉnh đối với các cấu kiện được chọn là tiêu tán:
\(f_{u,max}= \gamma_ov \cdot f_u \) (EN)
\(F_{u,max} = R_t \cdot F_u \) (AISC)
trong đó:
- γov – hệ số vượt cường độ, giá trị khuyến nghị là 1,25; có thể chỉnh sửa trong vật liệu
- Ru – tỷ số giữa cường độ chịu kéo có thể xảy ra và cường độ chịu kéo tối thiểu – AISC 341-16 – Bảng A3.1; có thể chỉnh sửa trong vật liệu
Tất cả các hệ số đều có thể điều chỉnh, cho phép người dùng có mức độ tự do cao. Hơn nữa, có thể tạo nhiều hàm vượt cường độ với các thuộc tính khác nhau, nhưng mỗi bản thép chỉ có thể được chọn một lần. Hệ số tăng bền thường không được sử dụng (bằng 1) cho phân tích khung giằng. Lưu ý rằng các hệ số an toàn (sức kháng/khả năng chịu lực) không được sử dụng cho các cấu kiện tiêu tán (cấu kiện hoặc bản thép có áp dụng hàm vượt cường độ).
Ví dụ điển hình: Khung chịu mô men
Thông thường, dầm là cấu kiện tiêu tán, trong đó khớp dẻo được thiết kế để hình thành, và liên kết cùng cột là các cấu kiện không tiêu tán, phải duy trì không có biến dạng đáng kể. Dầm được tải bởi tải trọng cần thiết để tạo khớp dẻo trong dầm với cường độ chảy có thể xảy ra và lực cắt tương ứng:
\[ M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl} \]
\[V_{Ed} = \frac{2M_{Ed}}{L_h} + V_{gravity} \]
trong đó:
- Wpl – mô men kháng uốn dẻo của dầm
- Lh – khoảng cách giữa hai khớp dẻo trên dầm
- Vgravity – lực cắt do tải trọng trọng lực trong tổ hợp địa chấn
Lưu ý rằng nếu sử dụng nút liên kết dầm-cột hai phía, các lực phải từ cùng một trường hợp tải trọng với chiều đúng, ví dụ:
Lực cắt thường được đặt tại nút đối với liên kết ngàm cứng. Nhưng lực cắt tương ứng được đặt vào làm giảm mô men uốn tại khớp dẻo. Mô men tại khớp dẻo được tính là \(M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl}\) và mô men uốn My tại nút được tăng thêm bởi lực cắt Vz thành \( M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} + V_z \cdot s_h \) trong đó sh là khoảng cách giữa nút và vị trí khớp dẻo. AISC 358 quy định giá trị sh nhưng là khoảng cách giữa mặt cột và khớp dẻo.
Một lựa chọn khác là đặt \(M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} \) và đặt vị trí lực cắt tại vị trí khớp dẻo dự kiến (Mô hình > Lực tại > Vị trí).
Có thể có các cấu kiện không tiêu tán khác được kết nối với nút liên kết. Các cấu kiện đó nên được tải bởi tải trọng trọng lực từ tổ hợp tải trọng địa chấn bất thường.
Cấu tạo chi tiết
Các quy tắc cấu tạo chi tiết được quy định trong các tiêu chuẩn liên quan không được kiểm tra trong IDEA StatiCa Connection và phải được tuân thủ. Khả năng chống mỏi chu kỳ thấp của nhiều nút liên kết chịu động đất đã được xác nhận bằng thử nghiệm thực nghiệm. Đặc biệt, chi tiết mối hàn dễ bị nứt do mỏi, và chỉ kiểm tra hàn tiêu chuẩn là không đủ đối với liên kết của các cấu kiện tiêu tán. Các ví dụ về chi tiết mối hàn được quy định trong dự án EQUALJOINTS được trình bày dưới đây.
Chi tiết mối hàn ngấu hoàn toàn kiểu rãnh của liên kết dầm-cột bản mã đầu dầm mở rộng có và không có sườn tăng cứng:
Chi tiết mối hàn cho liên kết bản mã đầu dầm mở rộng có gia cường:
Dog bone
Chiều rộng cánh dầm: bf
Chiều cao dầm: db
Chiều sâu cắt cánh tối đa: c = 0.25 bf
Chiều sâu cắt cánh khuyến nghị: c = 0.20 bf
Khoảng cách từ mặt cột đến điểm bắt đầu của tiết diện dầm thu hẹp: a = 0.6 bf
Chiều dài đoạn cánh được thu hẹp: s = 0.75 db
Khả năng xoay của liên kết
IDEA StatiCa Connection cung cấp biểu đồ Mô men - góc xoay cho bất kỳ cấu kiện được kết nối nào. Phân tích độ cứng cho (không chỉ) các kết quả sau:
- Độ cứng ban đầu
- Khả năng chịu lực giới hạn tại biến dạng dẻo 5%
- Khả năng xoay tại biến dạng dẻo 15%
Tất cả đều quan trọng cho thiết kế địa chấn đúng đắn của liên kết. Khả năng xoay (góc xoay ϕc) được sử dụng để đánh giá độ dẻo của liên kết. Giá trị thu được có thể được so sánh với các giá trị được khuyến nghị trong các tiêu chuẩn thiết kế.
Tóm tắt
Nút liên kết được thiết kế là một phần của hệ kết cấu chịu động đất với ứng xử kết cấu tiêu tán phải được kiểm tra theo:
- tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn (phân tích EPS)
- tổ hợp tải trọng địa chấn bất thường (phân tích EPS)
- tải trọng cần thiết để tạo khớp dẻo trong cấu kiện tiêu tán (phân tích MC)
Các quy tắc cấu tạo chi tiết được quy định trong tiêu chuẩn phải được tuân thủ.
Tài liệu tham khảo:
- EN 1998-1 Chương 6: Các quy tắc cụ thể cho công trình thép
- EN 1993-1-8
- CSA S16-14
Dùng thử miễn phí 14 ngày với đầy đủ tính năng.
Dùng thử IDEA StatiCa miễn phí