CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Ảnh hưởng biến dạng lệch đến kết cấu Sự biến dạng của các cấu kiện trong kết cấu, đặc biệt là cấu kiện theo phương đứng như cột, vách cứng luôn xảy ra trong công trình dưới tác động của các yếu tố như: tải trọng, môi trường bên ngoài, các tham số vật liệu tạo nên kết cấu,… trong quá trình sử dụng và thi công. Biến dạng đó bao gồm: Biến dạng đàn hồi và không đàn hồi (từ biến và co ngót). Trong nhà cao tầng, ảnh hưởng sự co ngắn của cột và vách cứng từ ứng suất đàn hồi, từ biến và co ngót rất quan trọng.
Cột và vách là hai cấu kiện chịu tải theo phương đứng lớn nhất, đặc biệt khi chiều cao nhà càng tăng thì biến dạng càng tăng. Sự co ngắn khác nhau giữa cột và vách cứng liền kề sát bên có thể là nguyên nhân làm xoắn sàn phẳng, biến dạng dầm, tường và chi tiết bao che.Biến dạng đàn hồi cũng là một trong những nguyên nhân gây ra biến dạng trong cột và vách cứng nhưng khi xét thêm biến dạng do co ngót và từ biến thì sự biến dạng của các cấu kiện trong kết cấu lớn hơn nhiều, chính vì vậy mà khi thiết kế nhà cao tầng (đặc biệt những công trình có số tầng và chiều cao lớn) thì không thể bỏ qua biến dạng không đàn hồi (biến dạng co ngót và từ biến). Ảnh hưởng của biến dạng lệch đến kết cấu (http://the911forum. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Lý thuyết về biến dạng co ngót và từ biến của bê tông và thép đã được nhiều tác giả đề cập từ những thập kỷ trước như: Ross (1937), Lorman (1940), Neville cùng các cộng sự (1964) đã đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến của bê tông và phương pháp dự đoán.
Hasen và Mattock (1966) đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dạng và kích thước cấu kiện đến sự co ngót và từ biến của bê tông. Tác giả Meyers và cộng sự (1970) đã đưa ra nghiên cứu về dự đoán biến dạng co ngót và từ biến của bê tông theo thời gian căn cứ trên dữ liệu bê tông ở 28 ngày tuổi. Mô hình đơn giản dự đoán biến dạng do co ngót và từ biến của bê tông đã được đưa ra bởi các tác giả Bazant (1972), Fintel-Ghosh và Iyengar (1984). Richard và cộng sự (1989) đã nghiên cứu thiết kế khung thép tối ưu bằng cách xử lý nhiệt giả tạo.
Tiếp theo là nghiên cứu của Russel và Larson (1989), Gao và Bradford (1993), Samra (1995). Gadhib và cộng sự (1997) đã nghiên cứu dự đoán ứng suất của từ biến và co ngót trong việc sửa chữa công trình bê tông cốt thép. Tác giả Kenji Sakata (1996) cũng nghiên cứu dự đoán từ biến và co ngót trong bê tông dưới tác động của các yếu tố độ ẩm, nhiệt độ… Savita Maru và cộng sự (2001) đã dự đoán ảnh hưởng của từ biến và co ngót đến khung bê tông cốt thép. Bazant và Baweja (2001) đã đưa ra mô hình dự đoán từ biến và co ngót cho việc phân tích và thiết kế kết cấu bê tông.
Rangan và Warner (2001) trong quyển “Large Concrete Building” cũng đã đề cập và giải quyết hiện tượng co ngót và từ biến trong nhà cao tầng sử dụng thép liên hợp bê tông cốt thép và thép dưới ảnh hưởng của môi trường. Park và Sung (2002) đã trình bày việc tối ưu kết cấu thép bằng cách sử dụng thuật toán mô phỏng phân tán nhiệt trên nhóm máy tính cá nhân. Nghiên cứu của Mang Tia và cộng sự (2005) đã so sánh các kết quả dự đoán biến dạng co ngót, từ biến theo thời gian với kết quả thí nghiệm nhằm đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến, co ngót. Tác giả Mark Fintel và cộng sự (2005) trong quyển “Column Shortening in Tall Structures – Prediction and Compensation” -4- cũng đã đề cập hiện tượng co ngót và từ biến dẫn đến biến dạng lệch giữa các cột trong nhà cao tầng thông qua các ví dụ điển hình để khảo sát, sau đó đưa ra cách hiệu chỉnh.
Jayasinghe và Jayasena (2004) đã đề cập ảnh hưởng sự co ngắn của cột trong thiết kế và thi công nhà cao tầng. Ngoài ra, Jayasinghe và Jayasena (2005) đã đề cập ảnh hưởng mối quan hệ độ ẩm tuyệt đối, sự co ngắn của cột và vách trong nhà cao tầng bê tông cốt thép…Kwak và Kim (2005) đã nghiên cứu ảnh hưởng co ngắn trong kết cấu chống đỡ khung bê tông cốt thép, nghiên cứu này rất có ý nghĩa trong việc lắp dựng các kết cấu phụ tạm trong thi công nhà cao tầng. Kwon và Park (2004) đã tối ưu kết cấu tỉ lệ lớn sử dụng thuật toán di truyền hỗn hợp. Tác giả Bazant và cộng sự (2004) đã đề cập ảnh hưởng nhiệt độ lên mô hình từ biến của bê tông sử dụng lý thuyết vi ứng suất trước cũng cố.
Cheng và cộng sự (2004) đã nghiên cứu phân tích phi tuyến từ biến của cột bê tông cốt thép. Rodney và cộng sự (2007) đã khảo sát sự nguy hại của mặt nghiêng phân tán đối với sự co ngắn khác nhau của cột bằng cách sử dụng thuyết xấp xĩ có thể. Việc tính toán biến dạng co ngót và từ biến cho kết cấu bê tông cũng được qui định trong các tiêu chuẩn CEB-FIP90, ACI-209R, Eurocode 2. Tình hình nghiên cứu trong nước Tác giả Phạm Duy Hữu (2005) đã nghiên cứu thành phần bê tông có xét đến yếu tố hạn chế co ngót và từ biến, trong đó trình bày khái quát các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót và từ biến của bê tông.
Tác giả Phan Quang Minh và cộng sự (2005) đã trình bày một số phương pháp tính biến dạng từ biến theo thời gian của bê tông như: phương trình lũy thừa, phương trình hypepol, phương trình logarit, phương trình từ biến nhanh ban đầu.Tác giả Hà Hoàng Phong (2008) đã khắc phục sự biến dạng khác nhau giữa cột và vách theo thời gian trong nhà cao tầng bằng phương pháp tối ưu bù biến dạng. Tác giả Lương Văn Hải và cộng sự (2011) đã đánh giá sự co ngắn của cột và vách trong nhà cao tầng do ứng suất đàn hồi, từ biến và co ngót, đồng thời đưa ra sự hiệu chỉnh biến dạng lệch giữa cột và vách cứng. Phương pháp nghiên cứu Để phân tích và nghiên cứu biến dạng lệch giữa các cấu kiện kết cấu cột và vách cứng trong nhà cao tầng, người thực hiện phải cố gắng phân tích đầy đủ các trường hợp xảy ra trong thực tế, tìm ra nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để so sánh nhằm đưa ra giải pháp hợp lý nhất cho bài toán ứng dụng. Các phương pháp nghiên cứu trong đề tài là: - Sử dụng phương pháp số, xây dựng chương trình dự đoán biến dạng của cột, vách theo thời gian bằng ngôn ngữ lập trình Matlab nhằm so sánh kết quả của các tiêu chuẩn và phương pháp, đồng thời so sánh với kết quả của mô hình Sap2000.
- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua mô hình Etabs và Sap2000 để phân tích ví dụ, trong đó sử dụng tiêu chuẩn CEB-FIP90 để phân tích. - Đề xuất phương pháp khắc phục biến dạng lệch giữa cột và vách thông qua các ví dụ tính toán các công trình thực tế. - Trong mỗi bài toán, tác giả sẽ phân tích các hiện tượng do các loại tải trọng như: tĩnh tải, hoạt tải, tải gió. Đồng thời xét sự ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường, các hiện tượng mất ổn định và các hiệu ứng khác trong kết cấu.
Ghi chú Các tiêu chuẩn khác có đề cập đến tính toán biến dạng đàn hồi, từ biến và co ngót trong bê tông là: Eurocode 2, ACI-209R, Fintel-Ghosh (1996) và các phương pháp của tác giả khác…ngoài ra còn một số phương pháp khác của các tác giả trong nước (Phan Quang Minh và cộng sự, 2005; Phạm Duy Hữu, 2005). -6- CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Các khái niệm cơ bản 2. Biến dạng đàn hồi Biến dạng đàn hồi là biến dạng tức thời diễn ra trong phần tử dưới tác dụng của tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải,…).
Biến dạng đàn hồi phụ thuộc vào thành phần vật liệu, kích thước cấu kiện, tải trọng tác động, điều kiện môi trường… 2. Biến dạng không đàn hồi Biến dạng không đàn hồi của bê tông là tổng biến dạng co ngót và từ biến trong bê tông. - Biến dạng co ngót bê tông Biến dạng co ngót là sự giảm thể tích bê tông diễn ra do quá trình bay hơi nước từ bề mặt bê tông và các phản ứng hóa học trong quá trình bê tông ninh kết. Biến dạng này là tổ hợp của các thành phần: biến dạng co ngót khi khô và biến dạng co ngót nội sinh.
- Biến dạng từ biến Biến dạng từ biến là sự tăng biến dạng theo thời gian khi ứng suất không thay đổi. Biến dạng từ biến là tổ hợp hai thành phần: biến dạng từ biến cơ sở, và biến dạng từ biến khi khô. Biến dạng từ biến chịu ảnh hưởng bởi độ ẩm của môi trường xung quanh, kích thước cấu kiện, thành phần bê tông, tuổi của bê tông khi đặt tải và độ lớn của tải trọng. Từ biến phát triển trong một thời gian rất dài, không có giới hạn cụ thể.
Theo các khảo sát nghiên cứu trước thì sau 30 năm vẫn còn biến dạng từ biến. Biến dạng cột, vách cho tòa nhà có N tầng Cơ sở lý thuyết để thiết lập công thức tính biến dạng phần tử phương đứng theo thời gian t ứng với tòa nhà có N tầng. Công trình được thi theo phương pháp thông thường từ dưới lên. Trình tự thi công tòa nhà có N tầng - Biến dạng khi thi công tầng N bao gồm Biến dạng đàn hồi cộng dồn do các tải trọng từ tầng 1 đến tầng N Biến dạng co ngót cộng dồn xảy ra đến thời điểm thi công sàn N Biến dạng từ biến cộng dồn xảy ra đến thời điểm thi công sàn N do tải trọng từ tầng 1 đến tầng N - Biến dạng sau khi thi công tầng N bao gồm Biến dạng đàn hồi cộng dồn do các tải trọng từ tầng N+1 đến tầng mái Biến dạng co ngót cộng dồn tiếp diễn xảy ra sau khi thi công tầng N Biến dạng từ biến cộng dồn tiếp diễn sau khi thi công sàn N do tải trọng từ tầng 1 đến tầng N và biến dạng từ biến cộng dồn do tải trọng từ tầng N+1 đến tầng mái 2.
Các tiêu chuẩn và phương pháp tính toán biến dạng 2. Tính toán biến dạng theo CEB-FIP90 2.