CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả đã công bố. Ngày nay do nhu cầu sử dụng, các công trình đòi hỏi không gian, chiều cao lớn, đáp ứng được yêu cầu về tiến độ và thời gian thi công. Khung thép là loại kết cấu đáp ứng được những yêu cầu nêu trên, ngoài ra khung thép còn có thể được tái chế, qui trình xây dựng sạch và không bụi, chế tạo trong nhà máy nên dễ kiểm soát được chất lượng và nhiều ưu điểm khác.
Vì vậy, hiện nay kết cấu khung thép được sử dụng nhiều trong các công trình dân dụng và công nghiệp (Hình 1.1 Công trình nhà thép dân dụng [nhà xe sân bay Tân Sơn Nhất, nguồn internet] 1 Luan van Hình 1.2 Công trình nhà thép công nghiệp [Masan Bình Dương, nguồn internet] Hiện nay trên thế giới có rất nhiều tòa nhà trung và cao tầng được thiết kế bởi các khung thép chịu moment SMRF (Steel Moment Resisting Frames). Đây là kết cấu chính chịu tải ngang do liên kết nút khung là liên kết nút cứng tuyệt đối. Khi có động đất xảy ra thì loại kết cấu này có các phần tử dầm cột cùng chịu moment, đây là điểm khác biệt với các loại kết cấu thép chịu địa chấn khác. Các thanh thép dự kiến sẽ chịu được các biến dạng lớn tại vị trí chịu uốn và cắt.
Các khớp dẻo hầu hết xuất hiện trên dầm trước vì kết cấu khung thép thường sử dụng là cột khỏe-dầm yếu (Hình 1.3 Hình thành khớp dẻo trên dầm [nguồn internet] 2 Luan van Hiện nay, tiêu chuẩn về động đất FEMA [ATC, 1997] đã đòi hỏi xác định vị trí các khớp dẻo khi chịu động đất của hệ kết cấu, cùng với đó là khả năng hấp thụ năng lượng của chúng. Để đánh giá hiệu suất của hệ kết cấu chịu tải trọng động đất có thể sử dụng nhiều phương pháp phân tích như phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian, phân tích phổ phản ứng đàn hồi, phân tích đẩy dần.Trong đó phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian cho kết quả tốt nhất. Tuy nhiên, phương pháp có một số hạn chế như: (i) tốn nhiều thời gian cho mô hình, chuẩn bị đầu vào, thời gian tính toán; (ii) chi phí máy tính cùng với việc xử lý các dữ liệu đầu ra khó thể áp dụng trong công tác thiết kế hiện nay. Chính vì lý do này đã làm các nhà nghiên cứu đề xuất các thủ tục phân tích phi tuyến và các mô hình đơn giản hơn để ước tính tác động của động đất đến công trình.
Để giải quyết vấn đề trên, phân tích tĩnh đẩy dần SPA (Static Pushover Analysis) đã được áp dụng và phát triển trong những năm gần đây như là một công cụ để đánh giá và thẩm định thiết kế. Phân tích tĩnh đẩy dần là công cụ đơn giản và dễ sử dụng, có thể cung cấp thông tin về nhiều đặc tính phản ứng quan trọng mà không thể thu được từ phân tích đàn hồi và phân tích động. Phân tích tĩnh đẩy dần thông thường bao gồm sự tác động và tăng đơn điệu của lực tác động lên các tầng được xác định trước, được giữ liên tục trong suốt quá trình phân tích. Tuy nhiên, quy trình như vậy có một số hạn chế, chủ yếu liên quan đến việc không giải thích được sự giảm dần độ cứng, sự thay đổi đặc điểm của các dạng dao động và chu kì của kết cấu chịu tải đơn điệu tăng dần.
Kết quả là, những năm gần đây đã có những công trình nghiên cứu được công bố, đó là phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần thích nghi SAPA (Static Adaptive Pushover Analysis), nó đã khắc phục những hạn chế của phương pháp trước. Trong luận văn này, và theo một vài đánh giá ngắn gọn về những phát triển mới nhất trong lĩnh vực, sự chính xác của phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần thích nghi kiểm soát lực FAP (Force-based Adaptive Pushover Analysis) dùng để dự đoán khả năng chịu tải ngang của khung thép phẳng được trình bày, so sánh kết quả với phân tích tĩnh theo lịch sử thời gian THA (Time-History Analysis) và phân tích 3 Luan van SPA. Thuật toán của phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần thích nghi được đề xuất bởi Bracci và cộng sự [1997], sau đó được phát triển bởi một số nhà nghiên cứu như Krawinkler và Seneviratna [1998]; Kim và D'Amore [1999]; Naeim và Lobo [1999]; Gupta và Kunnath [2000]; Elnashai [2001]; Chopra và Goel [2002]; Antoniou và Pinho [2004a] và đạt được nhiều thành tựu quan trọng.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu Với sự phát triển của những phương pháp tính toán và phân tích trong kết cấu cũng như việc sử dụng rộng rãi trong thực tế của kết cấu khung thép, ở nước ta và trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, bài báo khoa học về khung thép phẳng SMRF sử dụng phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần. Sau đây là một số nghiên cứu liên quan đến đề tài khảo sát ứng xử khung thép phẳng sử dụng phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần.1 Những nghiên cứu trong nước Vấn đề phân tích đẩy dần thích nghi SAPA là khá mới mẻ ở Việt Nam, hiện vẫn chưa có nhiều bài báo nghiên cứu về phân tích này.
Tuy nhiên, vẫn có một số tác giả đã nghiên cứu về phân tích đẩy dần thông thường SPA điển hình như đề tài nghiên cứu của Nguyễn Tiến Chương và Nguyễn Quốc Hùng [2013] về phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần và lặp đẩy dần xét đến khung thép có liên kiến nửa cứng, nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi chịu tải trọng lặp chuyển vị ngang tại đỉnh khung lớn hơn so với trường hợp khung chịu tải trọng ngang tăng dần đều. Tiếp sau đó, một trong những nghiên cứu tiếp theo về độ tin cậy của phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần trong việc dự đoán ứng xử của động đất cho hệ kết cấu khung thép phẳng SMRF, đó là nghiên cứu của Đỗ Trọng Nghĩa và cộng sự [2013]. Nghiên cứu này xem xét sự ảnh hưởng của các bộ dao động nền ở ba khu vực (Los Angeles, Boston và Seattle) đến khung thép phẳng 3, 9, 20 tầng sử dụng phương pháp phân tích có xét đến đóng góp của các dạng dao động MPA (Modal Pushover Analysis) được so sánh với phương pháp đẩy dần cổ điển SPA và phương pháp phân tích phi tuyến theo miền thời gian (NL-RHA). Kết quả của nghiên cứu này là khá tốt về khả năng dự đoán chuyển vị, độ trôi tầng, tuy vậy vẫn còn nhiều thiếu sót 4 Luan van cần được xem xét đến như sự cập nhật độ cứng tổng thể khi xuất hiện các khớp dẻo vẫn chưa được đề cập đến.
Một phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến khác được Nguyễn Hồng Hải và Nguyễn Hồng Hà [2014] trình bày đó là sử dụng phương pháp phổ phản ứng chuyển vị trong phân tích nhà cao tầng chịu động đất ở Việt Nam. Thông qua nghiên cứu tác giả cho thấy sự chưa phù hợp trong việc áp dụng phổ chuyển vị theo TCVN 9386-2012 để xác định chuyển vị mục tiêu trong phân tích ứng xử của kết cấu nhà cao tầng bằng phương pháp tĩnh phi tuyến. Như vậy, tại Việt Nam, việc phân tích tĩnh đẩy dần SAPA được xem là tương đối mới mẻ. Đặc biệt, trong nghiên cứu này kết hợp phân tích đẩy dần SAPA với khớp dẻo được mô phỏng sát với thực tế như sự suy giảm độ cứng và cường độ khi đạt mô-men dẻo.
Loại phân tích này có nhiểu ưu điểm và nhược điểm sẽ được trình bày trong các phần sau.2 Những nghiên cứu ngoài nước Phân tích tĩnh đẩy dần trong thiết kế động đất Phân tích tĩnh đẩy dần được cung cấp như một giải pháp thay thế hiệu quả và dễ sử dụng cho phân tích THA, mặc dù nó là công cụ đơn giản nhưng nó có khả năng cung cấp thông tin quan trọng về sự đáp ứng của kết cấu. Trên thực tế, phân tích tĩnh đẩy dần có thể được sử dụng để xác định các khu vực quan trọng, nơi mà các biến dạng dẻo dự kiến sẽ xảy ra và các ứng suất bất thường ở mặt bằng hoặc mặt đứng có thể gây ra những thay đổi quan trọng trong đặc tính phản ứng động không đàn hồi đã được nêu ra trong nghiên cứu của Krawinkler và Seneviratna [1998]. Ngoài ra, phân tích tĩnh đẩy dần có thể dự đoán về lực tác động trong các phần tử giòn, cũng như lực cắt trong cấu kiện hoặc sự suy giảm cường độ trong ổn định tổng thể của hệ kết cấu. Cuối cùng, loại phân tích này cũng có khả năng dự đoán giới hạn chảy hoặc sự phá hoại của cấu kiện và sự tiến triển của đường cong khả năng tổng thể của kết cấu.
Tuy nhiên, phương pháp phân tích tĩnh đẩy dần SPA cũng có những giới hạn và hạn chế trong phạm vi ứng dụng của nó và gây nghi ngờ về tính hiệu quả trong 5 Luan van việc đánh giá tác động của động đất, đã được chỉ ra bởi Lawson và cộng sự [1994]; Krawinkler và Seneviratna [1998]; Kim và D'Amore [1999]; Naeim và Lobo [1999]. Ví dụ, thứ nhất các dự đoán về biến dạng có thể không chính xác nếu sự đóng góp của các dạng dao động bậc cao là đáng kể hoặc kết cấu bị đẩy mạnh vào vùng ứng xử phi tuyến của nó. Loại thứ hai là sự giảm độ cứng và làm mềm dần hệ kết cấu trong quá trình phân tích (Hình 1.4a) và sự thay đổi đặc điểm của dạng dao động (Hình 1.4 Sự thay đổi (a) chu kì dao động và (b) dạng dao động với chuyển vị tầng [Lawson và cộng sự, 1994] Hơn thế nữa, phân tích tĩnh đẩy dần SPA chỉ kể đến ứng suất trong vật liệu mà không kể đến sự tiêu hao năng lượng liên quan đến phản ứng động, như là năng lượng động học và giảm chấn nhớt cũng như các hiệu ứng thời gian; các hiệu ứng của tải động đất không thể mô phỏng được. Tóm lại, phân tích tĩnh đẩy dần còn thiếu nhiều tính năng quan trọng của phân tích động phi tuyến và do đó không thể thực sự thay thế được vai trò của công cụ chính xác nhất để phân tích và đánh giá.
Tuy nhiên, một vài sự phát triển đã cải thiện đáng kể tính hiệu quả của phương pháp, mang lại một số bước gần giống với mô hình phân tích phi tuyến THA. Trên thực tế, một số những hạn chế nói trên có thể được khắc phục đó là phương pháp phân tích đẩy dần SAPA, nó tính đến những đóng góp của dạng dao 6 Luan van động bậc cao cũng như là sự suy giảm độ cứng và đặc tính dạng dao động của hệ kết cấu.