I. Tổng Quan Ảnh Hưởng Kích Thước Cột Dầm Đến Kết Cấu
Dự đoán chính xác ứng xử của kết cấu nhà cao tầng dưới tác dụng của động đất là một nhiệm vụ cấp bách. Động đất có thể gây sụp đổ, dẫn đến thiệt hại lớn. Các tiêu chuẩn và hướng dẫn hiện tại chủ yếu tập trung vào xác định tải trọng và cấu tạo kháng chấn, ít đề cập đến cơ cấu phá hủy nhà cao tầng. Dưới tác dụng của tải trọng động đất, kết cấu có thể làm việc ngoài miền đàn hồi, hình thành các khớp dẻo gần liên kết dầm cột, dẫn đến sụp đổ. Phản ứng của kết cấu phụ thuộc nhiều vào vị trí và phát triển của các khớp dẻo. Việc dự đoán chính xác các khớp dẻo giúp cảnh báo và tránh sụp đổ. Tuy nhiên, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của khớp dẻo, như độ cứng cột dầm, quy mô, dạng kết cấu và vật liệu. Luận văn này nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước tiết diện cột dầm đến ứng xử của kết cấu chịu tải động đất.
1.1. Mục Tiêu Nghiên Cứu Cơ Cấu Phá Hủy Kết Cấu
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết tính toán động đất của công trình để phân tích cơ cấu phá hủy của hệ kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất, trong đó có xét đến tỉ lệ kích thước tiết diện cột, dầm. Từ đó, phân tích đánh giá kết quả và rút ra nhận xét. Đối tượng nghiên cứu là khung chịu lực nhà cao tầng. Phạm vi nghiên cứu là phân tích cơ cấu phá hủy của kết cấu nhà cao tầng chịu động đất.
1.2. Phương Pháp Luận Phân Tích Kết Cấu Chịu Động Đất
Luận văn sử dụng cơ sở tính toán theo lý thuyết thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu công trình khi chịu tác động của tải trọng động đất và phần mềm thương mại Etabs để phân tích cơ cấu phá hủy của kết cấu nhà cao tầng chịu động đất có xét đến tỉ lệ kích thước tiết diện cột, dầm. Đề tài giúp hiểu rõ ứng xử của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất, xa hơn là giúp hạn chế sự sụp đổ của kết cấu dưới tác động của động đất gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Nội dung luận văn cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế kết cấu, sinh viên và học viên.
II. Thách Thức Thiết Kế Cột Dầm Chịu Tải Trọng Động Đất
Nghiên cứu ứng xử cơ học và dự báo sự thay đổi nội lực trong kết cấu công trình đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết bài toán độ bền, độ ổn định, đặc biệt khi công trình chịu tải trọng động đất. Trong lĩnh vực kết cấu nhà cao tầng, một số phương pháp được sử dụng để phân tích, nghiên cứu và tính toán định lượng sự thay đổi nội lực, chuyển vị của kết cấu. Phương pháp sử dụng mô hình tương đương có ưu điểm là tính toán đơn giản và áp dụng được cho nhiều loại công trình. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chưa đề cập nhiều đến ảnh hưởng của kích thước hình học đến sự thay đổi nội lực, đặc biệt khi mô hình chịu tải trọng động đất. Để phản ánh chính xác ứng xử của nguyên hình, các tham số của mô hình tương đương như kích thước hình học, chủng loại vật liệu phải được tính toán và lựa chọn phù hợp.
2.1. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình Tương Đương Trong Tính Toán
Các mô hình tương đương thường được thiết kế với kích thước hình học và quy mô nhỏ hơn so với nguyên hình, nhưng luôn dựa trên nguyên tắc mô phỏng chính xác dạng liên kết, chủng loại vật liệu, trạng thái làm việc và kết cấu của công trình. Trong kỹ thuật mô hình hóa, các tham số tỷ lệ tương tự được tạo thành bởi tỷ số những đại lượng của các biến số tương ứng giữa nguyên hình và mô hình. Gọi (s) là tỷ số giữa đại lượng nguyên hình (N) trên đại lượng mô hình (M), phương trình (1.1) thể hiện mối liên hệ giữa các đại lượng của mô hình và nguyên hình.
2.2. Ảnh Hưởng Của Kích Thước Hình Học Đến Nội Lực
Để làm rõ ảnh hưởng của kích thước hình học tới sự thay đổi các thành phần nội lực trong khung nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất, luận văn sử dụng nguyên lý của mô hình tương đương xây dựng mô hình để nghiên cứu sự thay đổi của thành phần nội lực ứng với những giá trị cụ thể của kích thước hình học của kết cấu khung nhà nhiều tầng. Hai cấu kiện chịu lực chính của kết cấu khung nhà nhiều tầng bê tông cốt thép là dầm và cột được xem xét.
III. Cách Phân Tích Cơ Chế Phá Hủy Dầm Cột Nhà Cao Tầng
Kết cấu nhà cao tầng bắt đầu thịnh hành tại Mỹ từ những năm 60-70 của thế kỷ trước. Loại hình kết cấu phổ biến ban đầu là khung và khung-vách. Hệ kết cấu khung làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép, có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây. Kết cấu đơn giản, hình thành bởi các cột và dầm liên tục với các nút chịu mô men, có đặc điểm là tương đối nhẹ giúp giảm ảnh hưởng của động đất lên công trình. Đồng thời khả năng hấp thụ năng lượng tốt cho phép kết cấu có ứng xử dẻo dưới tác động của động đất, hạn chế các phá hoại mang tính “dòn” và “phát triển”.
3.1. Ưu Điểm Của Kết Cấu Khung Chịu Lực
Mặc dù vậy, kết cấu khung cũng có hạn chế khi sử dụng cho các công trình cần không gian rộng như văn phòng hay trung tâm thương mại, do tương đối nhiều cột. Hệ kết cấu này thích hợp cho công trình dưới 25 tầng, với công trình cao hơn hệ kết cấu khung tỏ ra không kinh tế. Kết cấu khung-vách là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và khung cùng chịu tải trọng ngang. Hệ kết cấu này có ưu điểm so với kết cấu khung bởi tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng của hệ.
3.2. Kết Cấu Lõi Và Ứng Dụng Trong Nhà Cao Tầng
Kết cấu lõi thường được cấu thành bởi các vách thang máy và thang bộ. Do là kết cấu không gian, nên hệ lõi có thể chịu được tải trọng đứng, lực cắt, mô men và xoắn theo hai phương. Hình dạng của lõi phụ thuộc vào yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc hoặc kỹ thuật, có thể thay đổi từ lõi đơn tới nhiều lõi. Hệ khung sàn bao quanh lõi có thể là kết cấu bê tông đổ tại chỗ, bê tông đúc sẵn hoặc sàn thép. Hạn chế lớn nhất của hệ kết cấu này là kích thước của lõi thường bị giới hạn, do đó hiệu quả chịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một công son. Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng.
IV. Phương Pháp Thiết Kế Kết Cấu Nhà Cao Tầng Kháng Chấn
Giai đoạn những năm 1970-1980 là giai đoạn kết cấu ống được áp dụng nhiều. Các tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m, Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m là những công trình tiêu biểu. Hệ kết cấu ống ban đầu được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau. Sau đó hệ kết cấu này biến thể với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, bố trí vượt nhiều tầng theo chiều cao, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình. Sự làm việc hiệu quả của hệ kết cấu này thể hiện ở chỗ phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh nhà.
4.1. Ưu Nhược Điểm Của Kết Cấu Ống
Tuy nhiên chuyển vị ngang của tòa nhà có thể lớn phụ thuộc vào hình dạng của ống. Xét về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng. Tuy nhiên, hệ kết cấu này gặp phải hiện tượng trễ cắt (shear lag), là vấn đề cần phải chú ý khi thiết kế vì nó làm tăng ứng suất của cột và dầm tại các khu vực các góc nhà.
4.2. Xu Hướng Xây Dựng Nhà Cao Tầng Hiện Nay
Từ những năm 2000 trở lại đây xu hướng xây dựng nhà cao tầng đã lan sang các nước châu Á như Nhật Bản, Hồng Kông, Hàn Quốc, Singapore, Trung Quốc và Trung Đông. Các hệ kết cấu phức tạp như hệ siêu khung, giàn không gian, bó lõi được áp dụng cho những công trình có chiều cao lớn. Điển hình là tòa tháp Burj Khalifa Dubai, sử dụng hệ kết cấu bó lõi kết hợp đai biên đã cho phép công trình đạt tới chiều cao 828m (160 tầng), hiện nay là công trình nhà cao nhất thế giới.
V. Vật Liệu Xây Dựng Tiên Tiến Cho Nhà Cao Tầng
Bên cạnh sự phát triển về chiều cao và tính phức tạp của loại hình kết cấu, các công trình cao tầng và siêu cao tầng còn là nơi mà các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến được triển khai áp dụng, xuất phát từ những đòi hỏi cao về kỹ thuật cần phải xử lý trong thiết kế và thi công xây lắp. Cường độ bê tông khoảng 34 Mpa đã được xem là cao vào những năm 1950, tới năm 1960 đạt 41Mpa đến 52 Mpa. Những năm 1970, bê tông 62 Mpa được sử dụng cho công trình Water Tower Palace ở Chicago và tới năm 1989 công trình Quảng trường Công đoàn tại Seattle sử dụng bê tông có cường độ 131 Mpa. Hiện nay cường độ bê tông đúc tại hiện trường có thể đạt tới 138 Mpa.
5.1. Sự Phát Triển Của Bê Tông Cường Độ Cao
Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, sử dụng vật liệu và giải pháp đặc biệt, cường độ bê tông có thể đạt 800 Mpa. Bên cạnh đó, bê tông còn được phát triển theo hướng tính năng cao (high performance concrete) với mục đích cụ thể như cường độ cao, phát triển cường độ sớm, tăng mô-đun đàn hồi, tăng độ bền và kéo dài thời thời gian ninh kết… nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn.
5.2. Ứng Dụng Kết Cấu Thép Và Vật Liệu Composite
Kết cấu thép đóng vai trò quan trọng, tạo nên sự phát triển rõ nét đối với nhà cao tầng sử dụng loại vật liệu này. Bắt đầu từ năm 1856 (Taranath), điển hình như tháp Eiffel (300m) được xây dựng năm 1889, tòa nhà Flatiron (87m) ở Chicago năm 1902 và Chryler Building (319m) ở Manhatan năm 1929. Các tòa nhà sử dụng kết cấu thép còn đánh dấu những bước tiến về chiều cao như Empire State Building cao 381m năm 1931 và World Trade Tower cao 412m năm 1972. Vật liệu composite bắt đầu được sử dụng từ năm 1969 cho một công trình cao 20 tầng bằng việc dùng hỗn hợp kết cấu thép-bê tông cho cột và dầm.
VI. Kết Luận Tối Ưu Kích Thước Cột Dầm Chống Động Đất
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước tiết diện cột, dầm đến cơ cấu phá hủy của kết cấu nhà cao tầng chịu động đất là vô cùng quan trọng. Kết quả nghiên cứu giúp các kỹ sư thiết kế có thể đưa ra các quyết định chính xác hơn về kích thước cột dầm, từ đó nâng cao khả năng chịu lực và độ an toàn của công trình khi xảy ra động đất. Đồng thời, việc áp dụng các vật liệu xây dựng tiên tiến và công nghệ thi công hiện đại cũng góp phần quan trọng vào việc xây dựng những công trình nhà cao tầng an toàn và bền vững.
6.1. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Cơ Cấu Phá Hủy
Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ cấu phá hủy của kết cấu nhà cao tầng dưới tác động của động đất, giúp các nhà thiết kế hiểu rõ hơn về cách thức mà kết cấu phản ứng và phá hủy. Điều này cho phép họ thiết kế các công trình có khả năng chống chịu tốt hơn với động đất.
6.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo
Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng vào thực tế thiết kế và xây dựng nhà cao tầng, đặc biệt là ở các khu vực có nguy cơ động đất cao. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp tính toán và mô phỏng chính xác hơn về cơ cấu phá hủy, cũng như nghiên cứu các biện pháp gia cường kết cấu hiệu quả.
