Đối với kết cấu nhà cao tầng, sự chuyển vị và biến dạng theo phương ngang không những chỉ ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng bình thường của công trình mà còn ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu thông qua hai hiệu ứng chính là hiệu ứng P-Delta (P-Delta effect) và hiệu ứng hình thành cơ cấu sụp tầng mềm (soft-story mechanism).
Khác với công trình thấp tầng, ở đó người ta thường chỉ quan tâm đến biến dạng của các bộ phận chịu lực đứng (như độ võng của dầm và sàn), trong kết cấu nhà cao tầng, người ta quan tâm nhiều đến chuyển vị và biến dạng theo phương ngang. Sở dĩ có sự khác nhau quan trọng này là vì đối với kết cấu nhà cao tầng, sự chuyển vị và biến dạng theo phương ngang không những chỉ ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng bình thường của công trình (thí dụ như làm nứt các kết cấu bao che, ảnh hưởng đến sự vận hành của thang máy…) mà còn ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu thông qua hai hiệu ứng chính là hiệu ứng P-Delta (P-Delta effect) và hiệu ứng hình thành cơ cấu sụp tầng mềm (soft-story mechanism).
Hiệu ứng P-Delta là hiệu ứng ở đó lực dọc gây ra mô men uốn khá lớn trong cột do chuyển vị ngang tương đối giữa hai đầu cột lớn. Để hình dung cụ thể về hiệu ứng P-Delta, ta xét một thanh cột chịu tác dụng đồng thời của lực ngang và lực nén như trên Hình 1.a. Biến dạng của thanh được phác họa như trên Hình 1.b. Khi chấp nhận giả thiết chuyển vị bé, Delta ~ 0 (bài toán tuyến tính hình học), mô men uốn tại chân cột là Q*h. Khi không chấp nhận giả thiết chuyển vị bé (bài toán phi tuyến hình học), mô men uốn tại chân cột được tính là Q*h + P*Delta. Như vậy mô men uốn tại chân cột trong trường hợp chuyển vị lớn lớn hơn một lượng là P*Delta so với khi chuyển vị bé. Đây là hiệu ứng P-Delta. Trong kết cấu nhà cao tầng, tải trọng ngang thường lớn nên chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng lớn (Delta lớn), đồng thời lực dọc cũng rất lớn (P lớn) nên hiệu ứng P-Delta trở nên hết sức quan trọng.
Nhiều tiêu chuẩn thiết kế cho phép kể đến hiệu ứng P-Delta qua hai cách. Cách thứ nhất là xét trực tiếp bài toán phi tuyến hình học để kể luôn hiện ứng P-Delta khi phân tính nội lực. Lúc đó bài toán phân tích kết cấu là bài toán phi tuyến, phải giải lặp nên việc giải sẽ lâu hơn. Cách thứ hai là chỉ kể đến hiệu ứng P-Delta khi thiết kế các cấu kiện. Lúc đó mô men uốn thiết kế sẽ được khuếch đại thêm một lượng so với mô men uốn có được khi giải bài toán theo giả thiết chuyển vị bé. Lượng mô men khuếch đại này phụ thuộc vào cả nội lực và dạng tải trọng của thanh đang thiết kế.
Ngoài hiệu ứng P-Delta, người ta còn nói đến hiệu ứng P-delta (chữ “d” viết thường để chỉ cho ký tự delta, phân biệt với Delta). Đây là hiệu ứng để kể đến sự biến thiên của mô men uốn và độ cong dọc theo trục thanh do sự cong của thanh (xem Hình 1.b). Nhiều phần mềm phân tích kết cấu, như SAP2000, gom cả hiệu ứng P-Delta và P-delta thành một và gọi chung là hiệu ứng P-Delta. Khi sử dụng phần mềm phân tích kết cấu nào đó, người thiết kế nên biết rõ là phần mềm đó sử dụng hiệu ứng “P-Delta” nào. Cơ cấu sụp tầng mềm là cơ cấu sụp ở đó sự sụp đổ xảy ra chỉ do sự phá hoại cục bộ ở một tầng nào đó, do tầng đó bị mềm. Dưới tác dụng của tải trọng ngang, nếu một tầng nào đó bị mềm hơn nhiều so với các tầng lân cận, tức là chuyển vị ngang tương đối giữa sàn trên và sàn dưới của tầng đó lớn hơn các tầng khác, thì mô men uốn của các cột trong tầng mềm sẽ tăng lên đột ngột do hiệu ứng P-Delta. Mô men uốn này khi vượt quá giới hạn làm việc tuyến tính của cấu kiện sẽ làm tăng nhanh tốc độ biến dạng ngang và vì vậy cả tầng sẽ bị phá hoại do hiệu ứng P-Delta tăng lên quá mức. Khi cơ cấu sụp đổ này xảy ra, chỉ có riêng tầng mềm là bị phá hoại, các tầng khác hầu hết vẫn chưa làm việc phi tuyến mạnh, vì vậy sự chuyển hóa cơ năng thành nhiệt năng trong dao động do tải trọng ngang gây ra là rất bé, kết cấu chưa sử dụng hết khả năng chống chọi của nó. Nói cách khác, trong cơ cấu sụp đổ này, khả năng làm việc của vật liệu trong toàn bộ kết cấu không được tận dụng tối đa. Vì vậy, khi thiết kế, người ta cố gắng ngăn chặn sự hình thành cơ cấu này. Cách đơn giản nhất là thiết kế sao cho chuyển vị tầng tương đối dưới tác dụng của tải trọng ngang của các tầng lân cận nhau không được chênh lệch nhau nhiều.
Nguồn: N.D
Comments
Post a Comment