Những mâu thuẫn khi phân tích kết cấu làm việc đồng thời với nền đất sử dụng phương pháp mô hình cọc bằng liên kết đàn hồi
Việc phân tích kết cấu làm việc đồng thời với nền đất trong đó sử dụng phương pháp mô hình cọc bằng liên kết đàn hồi (mô hình spring) đang được sử dụng ngày một rộng rãi. Một ưu điểm của phương pháp này là xét đến được sự làm việc mềm của đài cọc và sự tham gia có hệ giằng móng trong sự phân phối mô men trong đài cọc. Mô hình spring còn giải quyết một cách gọn gàng bài toán đài cọc phức tạp. Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm, mô hình spring chứa đựng trong đó những mâu thuẫn có thể dẫn tới sự sai lệch trong kết quả tính toán.
I. Ảnh hưởng của mô hình spring tới kết quả phân tích kết cấu
So với mô hình thông thường (kết cấu liên kết ngàm với nền đất), mô hình spring dẫn đến những thay đổi tương đối rõ rệt trong kết quả phân tích kết cấu
1.1. Sự thay đổi tính chất động học
Hình 1: So sánh các đặc trưng của hệ kết cấu trong hai mô hình
Xét hệ kết cấu dạng công xôn chịu tải trọng F như hình 1.
Khi liên kết giữa hệ với mặt đất được giả thiết là ngàm, chuyển vị tại đỉnh Δ1 bằng chuyển vị Δe do biến dạng đàn hồi, hệ có độ cứng K1 tương ứng và chu kỳ dao động riêng cơ bản T1
Trong mô hình liên kết spring, ngoài chuyển vị do biến dạng đàn hồi Δe, hệ còn bị chuyển vị Δs do biến dạng của các liên kết spring dưới tác dụng của mô men tại móng, tổng chuyển vị tại đỉnh của hệ Δ2 = Δs + Δe > Δ1, hệ có độ cứng tương ứng K2 < K1 và chu kỳ dao động riêng cơ bản T2 > T1.
Như vậy, trong mô hình spring, độ cứng của hệ giảm so với mô hình ngàm và do đó chu kỳ dao động của hệ lớn hơn so với chu kỳ dao động của mô hình ngàm.
1.2. Sự thay đổi giá trị của tải trọng
Do chu kỳ dao động riêng của hệ thay đổi nên các tải trọng bị ảnh hưởng bởi chu kỳ dao động của hệ cũng thay đổi. Cụ thể, đối với tải trọng động đất, khi chu kỳ dao động của hệ tăng thì giá trị của tải trọng động đất có xu hướng giảm. Ngược lại, đối với tải trọng gió, khi chu kỳ dao động riêng của hệ tăng thì giá trị thành phần động của tải trọng gió cũng tăng. Chưa thể định lượng và so sánh mức độ tăng giảm giữa hai loại tải trọng, tuy nhiên điều có thể khẳng định là sự thay đổi của chu kỳ dao động sẽ dẫn tới sự thay đổi giá trị của tải trọng gió và tải trọng động đất tác dụng lên công trình.
1.3. Sự phân phối lại nội lực
Các phân tích sử dụng phần mềm Etabs cho thấy rằng sự phân phối lại tải trọng phụ thuộc vào dạng tải trọng và suất huy động sức chịu tải của cọc (tỉ lệ giữa tải trọng đầu cọc và sức chịu tải của cọc, ký hiệu Cp, giá trị Cp ≤ 1). Đối với tải trọng thẳng đứng, khi các cọc có Cp xấp xỉ nhau, nghĩa là độ lún đồng đều trên toàn bộ công trình, thì sẽ không có sự phân phối lại tải trọng thẳng đứng cho dù hệ số đàn hồi spring được lựa chọn là bao nhiêu. Khi các cọc có Cp tương đối khác biệt dẫn tới sự chênh lệch độ lún trên mặt bằng công trình, thì sẽ có sự phân phối lại tải trọng thẳng đứng giữa các cấu kiện, mức độ phân phối phụ thuộc vào độ cứng của các cấu kiện ngang liên kết giữa các cấu kiện thẳng đứng.
Đối với tải trọng ngang, sự phân phối lại nội lực (mô men và lực dọc tại chân cột) phục thuộc vào mức độ giằng giữ giữa các đài cọc. Nếu tất cả các cột đều đứng trên một đài cọc có độ cứng lớn, hoặc nằm trên các đài khắc nhau và được giằng bởi hệ giằng có độ cứng lớn, thì sự phân phối lại nội lực là không đáng kể. Ngược lại là sự phân phối lại nội lực đáng kể đối với hệ giằng có độ cứng không đủ lớn hoặc hệ không bị giằng.
Hình 2: Sự phân phối lại nội lực trong hệ kết cấu trong các trường hợp
Hình 2 là biểu đồ mô men của khung trong 3 trường hợp đối với khung chịu tải trọng ngang, trong đó ta thấy sự phân phối lại mô men khi hệ được mô hình bằng liên kết spring ở các mức độ giằng khác nhau. Lực dọc trong hệ cũng sẽ phân phối lại tương ứng với sự phân bố mô men.
II. Những mâu thuẫn khi sử dụng mô hình spring
Mô hình spring dẫn tới sự thay đổi tính chất động học của công trình, thay đổi giá trị của các tải trọng ngang như thành phần động của tải trọng gió và tải trọng động đất, và sự phân phối lại nội lực trong các trường hợp tải trọng ngang. Như vậy, việc phân tích kết cấu theo mô hình spring có kết quả khác với mô hình kết cấu liên kết ngàm với nền đất, đặc biệt đối với tải trọng ngang và các tải trọng động có phương pháp tính toán phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng của hệ. Tuy nhiên câu hỏi đặt ra là mô hình spring có phản ánh đúng sự làm việc của hệ kết cấu trong các điều kiện thực tế?
Trong thực hành thiết kế, hệ số đàn hồi của liên kết spring được lấy phụ thuộc vào độ lún cọc dưới điều kiện tải trọng sử dụng, tuy nhiên cần khẳng định rằng độ lún của cọc trên thực tế là độ lún đạt được dưới sự tác dụng lâu dài của tải trọng. Xem xét lại ví dụ trong hình 1, để đạt được chuyển vị Δs, lực F cần dữ nguyên phương và chiều tác dụng trong một thời gian đủ lâu để cọc đạt được độ lún cần thiết. Trong khi đó, trái hẳn với thực tế, biến dạng của liên kết spring trong Etabs là biến dạng tức thời, Etabs phân tích kết cấu có kể đến biến dạng này mà không xem xét đến thời gian tác dụng cần thiết của tải trọng để đạt được biến dạng này.
Do cọc cần có thời gian đủ lâu để đạt được độ lún cần thiết như mô hình spring, có thể nói rằng dao động riêng của hệ kết cấu có các giá trị đặc trưng giống với mô hình ngàm hơn là mô hình spring. Bên cạnh đó, tải trọng gió và tải trọng động đất xảy ra trong một thời gian ngắn, do đó có thể nói, sử dụng kết quả phân tích động học của hệ trong mô hình spring để xác định giá trị của các tải trọng này sẽ không chính xác.
Một vấn đền nữa khi sử dụng mô hình spring là việc xác định hệ số đàn hồi của liên kết spring. Như đã phân tích ở mục 1.3, việc lựa chọn giá trị spring không ảnh hưởng tới kết quả phân tích nội lực đối với hệ chỉ chịu tải trọng thẳng đứng và có hệ số huy động sức chịu tải Cp đồng đều trên mặt bằng, tuy nhiên kịch bản sẽ hoàn toàn thay đổi trong các trường hợp còn lại.
III. Kết luận
Tóm lại, việc phân tích kết cấu bằng mô hình spring có thể mang lại giá trị không chính xác mà nguyên nhân chủ yếu là do mô hình này không phản ánh sự làm việc trên thực tế của hệ kết cấu. Người kỹ sư khi sử dụng mô hình này cần lường trước được các mâu thuẫn và cân nhắc sử dụng các giải pháp thay thế tốt hơn. Đối với trường hợp phân tích kết cấu trong Etabs bằng mô hình spring, tác giả khuyên rằng nên tính toán các tải trọng động đất và tải trọng gió bằng bảng tính sử dụng thông số dao động từ mô hình kết cấu ngàm với nền đất. Việc thiết kế móng cọc tốt nhất vẫn là sử dụng mô hình spring độc lập (ví dụ trong SAFE) và với nội lực chân cột được lấy trong mô hình ngàm
Quan tâm Zalo KetcauSoft để theo dõi các bài viết và tài liệu mới
