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

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