Ứng xử kết cấu khung – móng nông – nền làm việc đồng thời

ứNG Xử KếT CấU KHUNG – MóNG NÔNG – NềN LàM VIệC ĐồNG THờI Nguyễn Hải Đăng (1), Bùi Trường Sơn (2) Behavior in concurrent operation of frame, structures and shallow foundation Abstract: Analyzing concurrent behavior of frame structures, shallow foundation and soils leads to a reasonable, accurate evaluation of internal forces of frame structures and foundation. In this research, available softwares such as Sap, Ansys have been used to simulate concurrent behavior of all structures at any construction stages. In addition, using correlative parameters of soils allows to evaluate the stress – strain state at different construction stages. Results obtained from this research indicated that the settlement calculated from analyzing concurrent behavior of frame, structures and shallow foundation is lower than that of analyzing separately. It is more suitable to practicul working condition of the construction works. 1. ý nghĩa và mục tiêu nghiên cứu Theo nhiều nhà nghiên cứu, việc bỏ qua ảnh hưởng của độ lún không đều của nền đất trong tính toán kết cấu khung nhà cùng với móng có thể dẫn tới những sai lầm quan trọng có khuynh hướng làm giảm các giá trị nội lực tính toán trong phần tử khung và móng [4, 5]. Điều này làm giảm độ tin cậy của công trình và chất lượng khai thác công trình. 1. Công ty Cổ phần Địa ốc Sài Gòn Thương tín. 33 đường Bàu Cát 3, Phường 14, Quận Tân Bình, Tp. Hồ Chí Minh, ĐT: 0902777967 2. Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh 268 Lý Thường Kiệt, quận 10, TP. Hồ Chí Minh ĐT: 08 8636822, DĐ: 0907 1595 Thông thường, phần lớn các kỹ sư kết cấu khi thiết kế phần bên trên thì xem công trình làm việc trên nền cứng (không biến dạng). Tải trọng của phần kết cấu bên trên được tổng hợp và chuyển sang làm dữ kiện cho việc thiết kế nền móng. Với sơ đồ tính riêng rẽ từng phần như vậy kết quả có thể sai khác đáng kể so với ứng xử thực tế của công trình trên nền đất biến dạng không đồng đều, đặc biệt khi công trình chịu tải trọng động đất thì ứng xử giữa khung – móng – nền còn có thể khác biệt nhiều hơn. Sở dĩ cách tính riêng rẽ từng phần đến nay vẫn được sử dụng vì việc giải quyết tính toán sự làm việc đồng thời giữa khung – móng – nền gặp nhiều kho khăn phức tạp và kết quả có thể chấp nhận được khi kết cấu khung có độ cứng lớn và được đặt trên nền đất tốt. Hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của các phần mềm căn cứ trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn phân tích kết cấu cũng như khả năng xử lý của máy tính, công việc tính toán cho các kết cấu phức tạp đã trở nên dễ dàng hơn trước rất nhiều, thời gian thực hiện tính toán cũng giảm đáng kể. Do đó, việc tính toán sự làm việc đồng thời giữa khung – móng – nền đã được đề cập nhiều hơn. Nhiều sơ đồ tính được đề nghị để giải quyết bài toán trên thông qua việc sử dụng các mô hình nền đất thích hợp. Việc tính toán sự làm việc đồng thời khung – móng – nền sẽ cho thấy sự phù hợp trong ứng xử cơ học của các cấu kiện công trình và đây cũng là một trong các phương pháp tính toán có triển vọng trong xây dựng. Để phản ánh sự làm việc thực tế của công trình cần thiết phải giải quyết bài toán làm việc đồng thời của kết cấu khung – móng – nền. Từ kết quả đó phân tích ứng xử của kết cấu bên trên và đất nền bên dưới cũng như sự tương tác qua lại giữa các bộ phận của công trình nhằm tối ưu hóa kết cấu của công trình. Việc nghiên cứu sự làm việc đồng thời của kết cấu bên trên và đất nền bên dưới có thể thực hiện nhờ sự trợ giúp của phương pháp phần tử hữu hạn bằng các phần mềm sẵn có phổ biến hiện nay (Sap2000, Ansys, Plaxis,…). Trong phạm vi giới hạn nghiên cứu này, chúng tôi vẫn chưa xét được ứng xử của kết cấu bên trên và đất nền theo thời gian trong quá trình cố kết, mô hình nền được chọn lựa là mô hình đàn hồi. Tuy nhiên, với các thông số đất nền tương thích, ứng xử đồng thời của các bộ phận công trình được xét ở thời điểm vừa xây dựng công trình và khi đất nền đạt độ lún ổn định khi chấm dứt quá trình cố kết thấm. 2. Tính toán áp dụng cho công trình xây dựng Trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp vừa và nhỏ ở thành phố Hồ Chí Minh, giải pháp nền móng thường được chọn lựa áp dụng là móng nông trên nền thiên nhiên (hình 1). Đất nền trong các trường hợp này thường là đất sét trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng, cát vừa đến mịn trạng thái chặt vừa. Để phân tích sự làm việc đồng thời khung – móng nông – nền, mô hình đàn hồi. Mô hình đàn hồi được lựa chọn không những phù hợp cho việc tính toán kết cấu công trình mà vốn được sử dụng rộng rãi trong tính toán đất nền (các tiêu chuẩn về tính toán nền móng). Kết cấu được chọn để phân tích là khối nhà 7 tầng rộng 11m dài 15m, độ cao của công trình là +27,3m. Trong tính toán sự làm việc đồng thời giữa kết cấu bên trên và đất nền bên dưới, việc ước lượng mức độ biến dạng tức thời và lâu dài của nền công trình càng có ý nghĩa hơn do sự thay đổi về độ lún lệch giữa các móng dẫn đến sự phân bố lại ứng suất trong khung. Để có những giải pháp kết cấu tối ưu ứng với từng giai đoạn cụ thể hay ít nhất là chọn lựa giải pháp kết cấu tối ưu cho suốt khoảng thời gian tồn tại của công trình, cần thiết phải tính toán cả sự phân bố ứng suất – biến dạng ở thời điểm ban đầu và sau khi độ lún đạt đến giá trị ổn định [1, 2]. Do việc xét đặc điểm trạng thái ứng suất biến dạng trong quá trình cố kết trong mô hình không gian khó thực hiện nên chỉ có thể đánh giá ứng xử đồng thời của kết cấu và nền ở thời điểm vừa xây dựng xong và khi đạt độ lún ổn định. Trong trường hợp này có thể chọn lựa các đặc trưng cơ lý của đất theo ứng xử của đất nền ở thời điểm đó. ở thời điểm ban đầu, sau khi đặt tải, nước lỗ rỗng chưa kịp thoát ra, đất nền khi đó có thể xem như là môi trường liên tục, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất nền có thể được xét một cách tổng thể. Trong giai đoạn này, có thể đánh giá trạng thái ứng suất bằng tổng ứng suất. Để đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng ban đầu, có thể sử dụng module biến dạng xác định bằng thí nghiệm không thoát nước Eu với áp lực hông tương ứng với độ sâu lấy mẫu và giá trị hệ số Poisson tổng thể [2]. Hình 1: Mặt bằng móng, mặt cắt dọc và mặt cắt ngang công trình Hình 2: Sơ đồ tính nền và công trình làm việc đồng thời với mô hình nền đàn hồi tuyến tính Để xác định độ lún ổn định cuối cùng cần sử dụng module biến dạng E từ thí nghiệm thoát nước với tốc độ nén đủ chậm sao cho nước lỗ rỗng kịp thoát ra mặt biên và áp lực tương ứng với giá trị áp lực do trọng lượng bản thân và do tải trọng ngoài [1, 2]. Các thông số Eu và E cũng có thể xác định được bằng thí nghiệm trên thiết bị nén cố kết với áp lực đầu và cuối tương ứng với áp lực trong nền ở thời điểm trước và sau khi gia tải bằng việc ghi nhận các giá trị biến dạng phục hồi và lún ổn định. ở đây module biến dạng E được xác định trong điều kiện thoát nước hoàn toàn từ kết quả thí nghiệm nén cố kết trên máy nén không nở hông. Mô hình tính toán được chọn là mô hình không gian. Hệ gồm ba phần chính là phần kết cấu bên trên, phần móng và phần đất nền. Các dầm, cột sẽ được mô hình hóa bằng các phần tử thanh. Phần bản sàn được mô hình bằng phần tử tấm, chúng được chia thành các phần tử tấm chữ nhật. Móng và đất nền được mô hình bằng các phần tử khối. Các phần tử được giả thiết liên kết cứng với nhau thông qua các nút (hình 2). Các đặc trưng biến dạng ngắn hạn của đất nền xác định từ kết quả thí nghiệm nén ba trục trong điều kiện không thoát nước: module biến dạng không thoát nước Eu = 5470 kN/m2; Hệ số Poisson n = 0,495. Thời điểm nước lỗ rỗng thoát ra hoàn toàn, module biến dạng có thể được xác định từ thí nghiệm nén cố kết: module biến dạng E = 3500 kN/m2; Hệ số Poisson n= 0,3. 3. Phân tích kết quả mô phỏng Lực dọc trong cột Từ kết quả tính toán trình bày ở hình 3a, 3b dễ dàng nhận thấy lực dọc trong các cột có sự khác biệt khi tính riêng rẽ và đồng thời. Ngoài ra, sự khác biệt về sự phân bố nội lực càng tăng khi độ lún đạt giá trị ổn định so với lúc công trình vừa hoàn thành. ổn định Tức thời Trục A Trục B Trục C Hình 3.b Lực dọc trong cột trục 2 tầng trệt Các kết quả tính toán nội lực khi xét sự làm việc đồng thời cũng cho thấy sự khác biệt về nội lực có giá trị cực đại ở tầng trệt, càng lên cao xu hướng khác biệt càng giảm dần. Từ đây cũng có thể suy ra rằng, đối với công trình cao tầng, giá trị lực dọc ở các chân cột biên tầng trệt lớn hơn đáng kể. Do đó, trong thiết kế kết cấu khung cho nhà cao tầng, nhất thiết phải tính toán gia tăng độ cứng ở các cột của các tầng thấp, đặc biệt là tầng dưới cùng hoặc tăng bề dày của tường chịu lực. Khi độ lún ổn định thì sự khác biệt nội lực lớn hơn khi vừa xây dựng xong công trình, nên trong trường hợp độ lún nền công trình càng lớn thì nội lực trong khung cũng tăng theo. Từ kết quả trình bày ở hình 3a cũng dễ dàng nhận thấy rằng nội lực ở cột giữa giảm không đáng kể so với trường hợp tính riêng rẽ. Kết quả này cũng được các nhà nghiên cứu khác ghi nhận [5]. Tuy nhiên, lực dọc ở cột biên (cột trục C, hình 1) có giá trị cao hơn đáng kể so với trường hợp tính riêng rẽ. Khi xét sự làm việc đồng thời, giá trị lực dọc ở cột biên lớn hơn 57% so với trường hợp tính riêng rẽ ở thời điểm ban đầu và lớn hơn 67% khi công trình đạt độ lún ổn định. Mômen trong dầm Gối trục A Giữa nhịp Gối trục C ổn định Tức thời Hình 4a: Mômen trong dầm trục 2 tầng 1 Gối trục A Giữa nhịp Gối trục C Trục A Trục B Trục C ổn định Tức thời Hình 4b: Mômen trong dầm trục A tầng 1 Theo phương ngang có sự phân bố lại mômen trong dầm, mômen giữa nhịp hầu như không thay đổi nhưng mômen ở gối có sự thay đổi rõ rệt (hình 4a, 4b). Biến dạng đất nền Kết quả xác định độ lún bằng phương pháp tổng phân tố móng trục B là 0,08348m. Độ lún khi tính toán đồng thời bằng mô phỏng có giá trị tương đương chuyển vị ở chân cột được trình bày ở bảng 1. Bảng 1. Chuyển vị tại chân cột ứng với thời điểm tức thời (và sau khi ổn định) Vị trí Trục A (m) Trục B (m) Trục C (m) Trục 1 0,018908 (0,05447) 0,024195 (0,062716) 0,023195 (0,062370) Trục 2 0,020631 (0,05685) 0,026897 (0,066298) 0,025166 (0,065025) Trục 3 0,020631 (0,05685) 0,026897 (0,066298) 0,025166 (0,065025) Trục 4 0,018908 (0,05447) 0,024195 (0,062716) 0,023195 (0,062370) Kết quả tính toán cho thấy độ lún khi tính lún bằng phương pháp cộng lún lớp phân tố có các giá trị lớn hơn độ lún khi xét sự làm việc đồng thời. Điều này có thể được giải thích như sau: do phương pháp tính lún thông thường (phương pháp cộng lún lớp phân tố) không xét độ cứng của móng cũng như ảnh hưởng của độ cứng của khung lên sự phân bố lại áp lực xuống đáy móng. Ngoài ra, giá trị độ lún ước lượng ở đây là giá trị lớn nhất (an toàn nhất) được xác định tại tâm móng. Trên cơ sở lý thuyết xác định các thành phần ứng suất, ứng suất theo phương thẳng đứng tại biên móng nhỏ hơn 1/4 lần so với tại tâm móng nên độ lún tại biên cũng sẽ bé hơn xấp xỉ 1/4 lần giá trị độ lún ở tâm. Trong khi đó, các thành phần ứng suất tham gia gây lún trong tính toán bằng mô hình với các phần mềm bao gồm ứng suất theo phương thẳng đứng, phương ngang và có xét đến độ cứng của các khối vật liệu. Hình 5: Biến dạng đất nền trục 2 khi độ lún đạt ổn định 4. Kết luận ã Sự phân bố nội lực (ứng suất) và biến dạng khi xét sự làm việc đồng thời khung – móng nông – nền theo mô hình không gian khác biệt so với tính riêng rẽ, đặc biệt khi độ lún lệch lớn. Khi tính toán làm việc đồng thời của các bộ phận cấu thành công trình, nội lực trong khung có giá trị cực đại ở tầng dưới cùng và xu hướng khác biệt so với tính riêng rẽ càng lên cao càng giảm. Sự phân bố nội lực trong khung càng khác biệt khi độ lún và độ lún lệch càng tăng. Do đó theo thời gian cho đến khi đạt đến độ lún ổn định, sự khác biệt nội lực theo hai cách tính càng rõ rệt. Sự khác biệt thể hiện rõ nhất ở các cột biên. ã Khi tính toán đồng thời, mômen ở gối các dầm có các giá trị lớn hơn đáng kể so với trường hợp tính riêng rẽ. ã Độ lún khi xét sự làm việc đồng thời của đất nền với kết cấu bên trên có giá trị bé hơn so với kết quả tính lún của móng riêng rẽ. Tính toán sự làm việc đồng thời của khung – móng nông – nền cho phép xét tác dụng của độ cứng phần kết cấu bên trên lên ứng xử của đất nền nên kết quả cho thấy độ lún lệch giảm đáng kể. ã Việc tính toán sự làm việc đồng thời cho phép chọn lựa phương án kết cấu phù hợp trong suốt thời gian công trình tồn tại, như gia tăng kích thước và độ cứng ở các cột biên hay tường biên ở tầng dưới. ã Bài toán "đồng thời" thực chất là bài toán lặp tương tác chứ không đơn thuần là cùng làm việc với các thông số cụ thể. Nghĩa là khi có lệch thì nội lực khung phân bố lại, có sự tương tác với móng - nền. Quá trình này diễn ra đến khi trạng thái ứng suất - biến dạng đạt được điều kiện ổn định. ã Nên dùng phần mềm PLAXIS để phân tích, khi đó sẽ dùng được nhiều mô hình nền hơn và xét được nhiều yếu tố hơn, chẳng hạn như vấn đề cố kết, nền nhiều lớp. Tài liệu tham khảo Chõu Ngọc Ẩn: Nền múng, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chớ Minh, 2005. Bựi Trường Sơn: Biến dạng tức thời và lõu dài của nền đất sột bóo hũa nước, Tạp chớ Phỏt triển KH&CN, ĐHQG TP. HCM, số 9 năm 2006. Trang 17 – 24 Đặng Tỉnh: Phương phỏp phần tử hữu hạn tớnh toỏn khung và múng cụng trỡnh làm việc đồng thời với nền, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 1999. B. N. Jờmụskin, A. P. Xinhixưn: Cỏc phương phỏp thực hành tớnh dầm và bản múng trờn nền đàn hồi, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1971. Н.З. Готман, А.Л. Готман, Д.А. Давлетяков: Учет совместной работы здания и основания в расчетах фундаментов при образовании карстовых деформаций, Труды Международной конференнции по геотехнике ôВзаимодействие сооружений и оснований: Методы расчета и инженерная практикаằ, Санкт-Петербург, Издательство АСВ, 2005. с. 69-74. Người phản biện: TS. Nguyễn Đình Tiến