Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NỀN MÓNG NHÀ CAO TẦNG 1. SỰ TƯƠNG TÁC QUA LẠI GIỮA KẾT CẤU BÊN TRÊN VÀ NỀN MÓNG Sự tương tác qua lại giữa kết cấu bên trên (phần thân) và nền móng bên dưới (gồm đài móng, cọc và đất nền xung quanh) cho thấy cơ cấu truyền tải trọng như sau: Sự làm việc của phần thân: Tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang tác dụng lên sàn, sau đó từ sàn sẽ truyền vào dầm, trường hợp sàn được đỡ bằng tường chịu lực (vách cứng) thì cách truyền lực vào vách cũng tương tự như truyền vào dầm. Tải trọng từ dầm sẽ truyền lên đầu cột hoặc vách cứng, và lực từ cột hay vách cứng sẽ truyền xuống móng. Sự làm việc của đài móng: Với tải trọng từ cột truyền xuống móng, đài cọc có nhiệm vụ là liên kết các cọc trong đài thành một khối và phân phối tải trọng từ cột hay vách cứng cho các cọc trong đài.
Sự phân phối này phụ thuộc vào việc bố trí các cọc và độ cứng của đài (phụ thuộc vào chiều cao đài). Sự làm việc của nền đất dưới đài và xung quanh cọc: Tải trọng từ kết cấu bên trên phân phối vào đài, một phần sẽ truyền vào cọc và một phần sẽ được truyền vào đất nền dưới đáy đài. Tỷ lệ phân phối này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số nền của đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bố trí các cọc. Do cọc có độ cứng lớn nên hầu như phần lớn tải trọng từ đài truyền vào cọc, một phần nhỏ còn lại do nền đất chịu.
Tải trọng từ cọc sẽ truyền cho đất nền thông qua ma sát xung quanh giữa đất và cọc và thông qua sức kháng của đất ở mũi cọc. CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NỀN MÓNG NHÀ CAO TẦNG HIỆN NAY Hiện nay khi thiết kế nền móng cho kết cấu nhà cao tầng, thường sử dụng một số mô hình tính toán như sau : 1. Mô hình phân tích tách rời kết cấu bên trên và bên dưới Theo như mô hình này, khi thiết kế nhà cao tầng người thiết kế sẽ quan niệm kết cấu bên trên và bên dưới làm việc riêng rẻ với nhau. Vì vậy, khi mô hình phân tích nội lực phần thân bên trên và kết cấu móng bên dưới được thực hiện riêng lẻ.
Trong đó, phần kết cấu bên trên được mô phỏng bằng các phần mềm thương mại với mô hình được xem như có liên kết ngàm cứng tại vị trí liên kết giữa chân kết cấu đứng (cột, vách, 14 lõi) với mặt đài móng của công trình. Sau khi phân tích được nội lực kết cấu bên trên, phản lực tại vị trí liên kết ngàm sẽ được dùng để tính toán thiết kế móng. Việc tính toán phân tích kết cấu móng chịu tải trọng tác dụng từ kết cấu bên trên được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau, trong đó có hai phương pháp hiện nay thường được dùng : Trường hợp 1 : Tính toán bằng giải tích Từ tải trọng tại tác dụng lên đài móng, tính toán sơ bộ số lượng cọc trong đài, bố trí cọc vào đài, kiểm tra phản lực đầu cọc, kiểm tra sức chịu tải của nền đất dưới móng, tính lún và tính thép. Tất cả được tính toàn hoàn toàn thủ công bằng các bảng tính Excel lặp sẵn.
Trường hợp 2 : Mô hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng các phần mềm thương mại. Một trong số các phần mềm thương mại có thể sử dụng để mô phỏng tính toán kết cấu móng là phần mềm SAFE [Công ty cổ phần công nghệ và tư vấn CIC, SAFE phần mềm mô hình phân tích thiết kế sàn, móng, https://www.vn/csi/safe. Trong đó, đài móng sẽ được mô hình bằng phần tử Plate, hệ cọc sẽ được mô hình bằng lò xo có độ cứng tương đương. Ở mô hình này, kết quả phân tích nội lực, chuyển vị của đài móng và phản lực lò xo (phản lực đầu cọc),.
Hiện nay, có thể thấy mô hình này được sử dụng rất phổ biến. Ưu điểm của mô hình này là đơn giản trong quá trình xây dựng mô hình, thời gian phân tích tính toán nhanh. Phương pháp mô hình đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến, hầu hết các công trình có mức độ quan trọng thấp và quy mô vừa sẽ chọn mô hình để tính toán. Tuy nhiên, mô hình này không phản ảnh được sự làm việc đồng thời của kết cấu bên trên và nền móng bên dưới, thực tế làm việc của công trình cho thấy sự thay đổi nội lực của kết cấu bên trên cũng ảnh hưởng đến nền móng và ngược lại, cả hai có tương tác với nhau.
Vì vậy giả thiết liên kết ngàm cứng tại vị trí liên kết giữa chân kết cấu đứng và đài móng chỉ là tương đối, không thực sự phù hợp. Nhận xét : Mô hình này phù hợp cho những công trình có tầm quan trọng thấp, có thể chỉ dùng khung phẳng để xác định nội lực của công trình phục vụ cho tính toán công trình theo các trạng thái giới hạn. Hoặc dùng cho các mô hình khung không gian, thấp tầng, mặt bằng và mặt đứng đơn giản. Mô hình làm việc đồng thời giữa kết cấu bên trên – móng Ở mô hình này, sau khi mô hình phần kết cấu bên trên, tại vị trí chân các kết cấu đứng như cột, vách cứng, lõi thang sẽ mô hình thêm phần kết cấu đài móng và hệ cọc được 15 mô hình bằng hệ liên kết lò xo có độ cứng tương đương.
Do đó mô hình này chỉ có sự làm việc đồng thời giữa kết cấu bên trên và và móng, không xét đến ảnh hưởng của đất nền. Độ cứng các lò xo cọc được tính như sau : K c kN / m P / S. Trong đó : K c : Độ cứng của lò xo cọc. P : Tải trọng tác dụng lên cọc.
Ban đầu khi tính chưa biết tải trọng này, có thể lấy bằng giá trị tải trọng thiết kế của cọc. S : Độ lún của cọc đơn, có thể tính theo chỉ dẫn tại mục 7. Mô hình làm việc đồng thời giữa kết cấu bên trên – nền – móng Mô hình này phức tạp hơn vì nó mô tả toàn bộ hệ kết cấu bên trên và nền móng bên dưới. Ở mô hình này, có sự phát triển hơn mô hình làm việc đồng thời kết cấu bên trên và móng, vì có kể đến sự tương tác của đất nền xung quanh thân cọc và dưới mũi cọc.
Với mô hình này, cọc sẽ được mô phỏng bằng phần tử thanh, nền đất được mô hình bằng các lò xo có độ cứng tương đương phụ thuộc vào đặc trưng của đất nền 1. TỔNG QUAN MÔ HÌNH LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI GIỮA KẾT CẤU BÊN TRÊN VÀ NỀN MÓNG 1. Phương pháp tính toán Mô hình phân tích kết cấu nhà cao tầng có kể đến tương tác giữa kết cấu bên trên và nền móng bên dưới được xây dựng như sau : Kết cấu bên trên : Đối với các cấu kiện cột, dầm sử dụng phần tử thanh (bar). Sàn và vách được mô hình bằng phần tử tấm (plate).
Kết cấu bên dưới : Đài móng được mô hình bằng phần tử tấm (plate), cọc được mô hình bằng phần tử thanh (bar), đất nền xung quanh cọc được mô hình bằng các phần tử lò xo có độ cứng thay đổi phụ thuộc vào độ sâu và đặc trưng của đất nền. Yếu tố quan trọng trong mô hình này là tìm được phương pháp tính độ cứng lò xo đất hợp lý nhất có thể để giảm số lần phân tích lặp cho mô hình (hội tụ kết quả nhanh). Giá trị khởi đầu của độ cứng lò xo có thể được tính theo các phương pháp tính độ cứng lò xo đất theo lý thuyết, giá trị cho các vòng lặp tiếp theo được xácđịnh từ kết quả phản lực lò xo đất và biến dạng của lò xo đất ở vòng lặp trước. Cơ sở lý thuyết tính độ cứng lò xo đất Để đảm bảo mô hình tương tác giữa kết cấu bên trên và nền móng đảm bảo được chính xác sẽ phụ thuộc vào cách xác định độ cứng lò xo đất.
Và độ cứng lò xo đất thì phụ thuộc vào hệ số nền của đất. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xác định hệ số nền như sau : 1. Phương phápxác định hệ số nền bằng thí nghiệm bàn nén hiện trường Phương pháp này cho kết quả xác định hệ số nền chính xác, giá trị hệ số nền phụ thuộc vào kích thước của bàn nén. Tuy nhiên do nhiều hạn chế, bàn nén dùng hiện nay thường có kích thước 1m 1m.
Hệ số nền được xác định theo công thức : min Cz Smin kN / m3 . Trong đó : min kN / m 2 : Ứng suất gây lún ở giai đoạn đất nền biến dạng tuyến tính, ứng với độ S S lún bằng khoảng gh gh , với Sgh là độ lún giới hạn. 5 4 Smin m : Độ lún trong giai đoạn đàn hồi, ứng với ứng suất min. Tính theo chỉ dẫn của TCVN 10304 :2014 Theo chỉ dẫn tại phụ lục A – TCVN 10304 :2014, đất nền bao quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặc trưng bằng hệ số nền C z, tính bằng kN/m3, tăng theo chiều sâu.
Hệ số nền tính toán của đất trên thân cọc được xác định theo công thức : kZ CZ c Trong đó : k : Hệ tỷ lệ (hệ số nền quy ước), tính bằng kN/m4, được lấy phụ thuộc vào loại đất bao quanh cọc. Z : Độ sâu của tiết diện cọc trong đất, nơi xác định hệ số nền, kể từ mặt đất trong trường hợp móng cọc đài cao, hoặc kể từ đáy đài trong trường hợp móng cọc đài thấp. c : Hệ số điều kiện làm việc (đối với cọc độc lập c 3 ). 17 Đất bao quanh cọc và các đặc trưng của đất Hệ số tỷ lệ k (kN/m4) Cát to (0.7) Từ 18000 đến 30000 Sét và sét pha cứng (IL< 0) Cát hạt nhỏ (0.7) Cát pha cứng (IL< 0), sét hay sét pha dẻo cứng và nửa Từ 12000 đến 18000 cứng (0.8), cát pha dẻo (0 ≤ I L≤ 1) Từ 7000 đến 12000 Sét và sét pha dẻo mềm (0.75) Sét và sét pha dẻo chảy (0.75 ≤ IL≤ 1) Từ 4000 đến 7000 Cát sạn (0.7), đất hạt lớn lẫn cát Từ 50000 đến 100000 Nhận xét : Tính hệ số nền theo hướng dẫn của TCVN 10304 :2014 phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ k (hệ số nền quy ước), tuy nhiên giá trị k được tra bảng có giá trị biến động lớn.