Một "cột di động" là loại cột kết cấu dịch chuyển ngang giữa các tầng, nghĩa là nó không thẳng đứng so với các cột bên dưới (xem Hình 4.1). Sự dịch chuyển ngang này thường xảy ra do các yêu cầu kiến trúc hoặc thiết kế, cho phép linh hoạt trong bố trí mặt bằng sàn trong khi vẫn truyền tải trọng qua kết cấu. Mặc dù có độ lệch tâm ngang này, các cột di động được thiết kế để đảm bảo chúng truyền tải trọng đứng hiệu quả qua các tầng khác nhau.
Hình 4.1: Cột di động: a) Cột di động trong công trình thực tế, và b) cơ chế truyền tải trọng của cột di động (SheerForce Engineering, 2021).
Khả năng chịu tải trọng đứng của các cột này được đánh giá thông qua phần mềm IDEA StatiCa và sau đó được so sánh với khả năng chịu lực thiết kế được tính theo Mô hình thanh chống - giằng (STM) theo quy định trong ACI 318-19 (2019). Một trong bốn ví dụ cột di động được chọn làm cơ sở để phân tích thêm bằng phần mềm ABAQUS (2023), trong đó khả năng chịu tải, phân bố ứng suất chính và mô hình vết nứt được xác định và so sánh với kết quả thu được từ cả Phương pháp trường ứng suất tương thích (CSFM) và quy trình thiết kế ACI 318-19.
Cột di động trong các công trình hiện đại
Để đánh giá hiệu năng kết cấu của cột di động, bốn cột di động bê tông cốt thép, được xác định là Ví dụ 1 đến 4, đã được đánh giá. Các cột này được thiết kế và trình bày bởi Schwinger (2021) tại một hội thảo do Hiệp hội Kỹ sư Kết cấu Thung lũng Delaware, Chi nhánh phía Đông của Hiệp hội Kỹ sư Kết cấu Pennsylvania tổ chức. Mục tiêu chính của các ví dụ thiết kế này là cung cấp hướng dẫn thiết kế cho các kỹ sư, do thiếu các nghiên cứu thực nghiệm hoặc dữ liệu thiết kế tập trung cụ thể vào cột di động.
Tòa nhà 56 Leonard
Tòa nhà 56 Leonard, tọa lạc tại Manhattan, New York, được xây dựng vào năm 2016. Đây là một ví dụ điển hình về ứng dụng cột di động trong kiến trúc hiện đại (Hình 4.2). Các tầng của tòa nhà cao 821 ft và 60 tầng này trông như được xếp chồng không đều, gợi nhớ đến trò chơi "Jenga" (Lubell, 2015).
Hình 4.2: Ví dụ cột di động: a) Tòa nhà 56 Leonard, và b) các cột di động.
Trung tâm Chicago Mercantile Exchange
Trung tâm Chicago Mercantile Exchange (CME), hoàn thành năm 1987, là một ví dụ điển hình về cách cột di động có thể được tích hợp vào thiết kế kết cấu để xử lý phân bố tải trọng phức tạp trong các tòa nhà thương mại lớn (Hình 4.3). Tòa nhà có hai tháp 40 tầng được kết nối bởi một kết cấu đế 10 tầng, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu chức năng của một sàn giao dịch, chẳng hạn như các sàn giao dịch mở rộng lớn ở các tầng thấp hơn. Để đạt được điều này, một hệ thống truyền tải trọng chắc chắn đã được sử dụng, tận dụng cột di động để truyền tải trọng từ các tầng trên xuống móng.
Hình 4.3: a) Trung tâm Chicago Mercantile Exchange, và b) mặt đứng và cơ chế truyền tải trọng.
Tháp Beetham
Tháp Beetham tại Manchester, Vương quốc Anh, hoàn thành năm 2004, là một ví dụ đáng chú ý về kết cấu sử dụng cột di động để đạt được cả mục tiêu kết cấu lẫn thẩm mỹ (Hình 4.4). Với chiều cao 168 mét (551 ft), đây là một trong những tòa nhà dân cư cao nhất châu Âu tại thời điểm hoàn thành.
Hình 4.4: a) Tháp Beetham, b) cột di động, và c) sơ đồ cột di động.
Tháp Miami
Tháp Miami 47 tầng tại Miami, Florida được hoàn thành năm 1987 và có các bậc thụt lùi và mặt cắt dạng bậc thang độc đáo (Hình 4.5). Các đặc điểm này đòi hỏi một giải pháp thiết kế kết cấu sáng tạo để quản lý các đường truyền tải trọng khác nhau trong toàn bộ tòa nhà. Cột di động được sử dụng để truyền tải trọng từ các tầng trên nhỏ hơn xuống phần đế lớn hơn bên dưới. Tháp Miami minh họa cách cột di động có thể được sử dụng hiệu quả trong thi công nhà cao tầng để đạt được cả mục tiêu chức năng lẫn thẩm mỹ, 1987).
Hình 4.5: a) Tháp Miami, b) bố trí mặt bằng kết cấu, và c) bố trí cột di động (Taranath, 2010).
Phát triển và Phân tích Mô hình ABAQUS
Cột di động từ Ví dụ 1 được mô hình hóa bằng phần mềm ABAQUS (2023) để phân tích phần tử hữu hạn (FE). Ví dụ 1 cũng được mô hình hóa bằng IDEA StatiCa và phân tích trong Mục 4.5.1. Kết quả từ phân tích ABAQUS được so sánh với kết quả thu được từ IDEA StatiCa trong Mục 4.7 của nghiên cứu đầy đủ.
Hình 4.10: Thiết lập mô hình trong ABAQUS cho thấy: a) vị trí và chi tiết tải trọng tác dụng, b) chi tiết các thanh cốt thép, và c) điều kiện biên.
Các hướng ứng suất chính được tính toán và dự đoán từ IDEA StatiCa (xem Mục 4.5.1) và ABAQUS tương ứng được trình bày trong Hình 4.15. Cả hai mô hình đều cho kết quả tương đương nhau, giống với các thanh chống dạng chai. Điều này cho thấy phản ứng tổng thể của mẫu là nhất quán giữa hai mô hình, hỗ trợ việc sử dụng phản ứng được tính toán để phát triển mô hình thanh chống - giằng thực tế hơn (như đã thực hiện trong Mục 4.6).
Hình 4.15: So sánh hướng ứng suất chính được tính toán bằng mô hình IDEA StatiCa và ABAQUS.
Phân tích IDEA StatiCa
Ứng xử của các cột di động bê tông cốt thép (Ví dụ 1 đến 4, như mô tả trong Mục 4.5) được phân tích bằng phần mềm IDEA StatiCa. Các thiết kế này được chọn để xem xét ảnh hưởng của cơ chế truyền tải trọng đứng đến hiệu năng kết cấu của chúng. Phương pháp mô hình hóa được sử dụng trong IDEA StatiCa kết hợp cường độ chịu nén quy định của bê tông và cường độ chảy dẻo cũng như cường độ cực hạn của các thanh cốt thép, tuân theo các thông số được thiết lập bởi Schwinger (2021).
Trong phân tích IDEA StatiCa, hệ số tải trọng 1,0 được áp dụng cho cả hai mẫu tải trọng — trọng lượng bản thân và tải trọng đứng tác dụng — phản ánh ứng xử thực tế mà không nhân hệ số an toàn thiết kế. Để xác định khả năng chịu lực thiết kế và thực tế của cột di động, các hệ số vật liệu khác nhau được áp dụng: đối với bê tông (ϕc), giá trị 0,65 cho khả năng chịu lực thiết kế và 1,0 cho khả năng chịu lực thực tế được sử dụng; tương tự, đối với cốt thép (ϕs), hệ số 0,9 cho thiết kế và 1,0 cho ứng xử thực tế được áp dụng. Cần làm rõ rằng ACI 318-19 quy định các hệ số giảm cường độ khác nhau tùy thuộc vào dạng phá hoại, chẳng hạn như ϕ = 0,9 cho uốn, ϕ = 0,75 cho lực cắt, và ϕ = 0,65 cho chịu lực dọc trục, thay vì các hệ số đồng nhất cho tất cả các trường hợp. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, các hệ số giảm cường độ vật liệu đồng nhất được sử dụng trong IDEA StatiCa để ước tính khả năng chịu lực thiết kế do thiếu dữ liệu thực nghiệm cho cột di động. Hiện tại, phần mềm IDEA StatiCa (phiên bản 24.0.6.1216) cũng không cung cấp tùy chọn gán các hệ số giảm cường độ ϕ khác nhau cho các điều kiện phá hoại khác nhau.
Hình 4.20: Kết quả CSFM cho cột di động Ví dụ 1: a) Góc nhìn 3D, b) dòng ứng suất, c) ứng suất chính của bê tông (σc), d) ứng suất trong cốt thép (σs), (e) chuyển vị theo phương x (Ux), và (f) chuyển vị theo phương z (Uz).
Tính Toán Khả Năng Chịu Lực Sử Dụng Mô Hình Thanh Chống - Giằng
Khả năng chịu lực của các ví dụ cột di động được xác định bằng phương pháp Mô hình thanh chống - giằng (STM), theo quy định trong tiêu chuẩn ACI 318-19. Phương pháp STM được áp dụng để đánh giá hiệu năng của các vùng gián đoạn, đảm bảo tuân thủ đầy đủ các nguyên tắc thiết kế được thiết lập trong Chương 23 của ACI 318-19. Bằng cách mô hình hóa truyền lực qua các thanh chống nén và giằng kéo, phương pháp STM thể hiện hiệu quả sự phân bố tải trọng trong kết cấu, đặc biệt ở các vùng có gián đoạn hình học. Đối với mỗi ví dụ cột di động, khả năng chịu lực thiết kế được tính toán theo khung STM, kết hợp các hệ số giảm cường độ phù hợp, ϕ theo quy định trong ACI 318-19. Khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu chính trong cột di động được đánh giá, bao gồm:
- Khả năng chịu lực của cột trên: Khả năng chịu tải của cột trên được tính toán theo các yêu cầu đối với cột có đai trong ACI 318-19, có tính đến cả cường độ bê tông và cốt thép được bố trí.
- Khả năng chịu lực của cột dưới: Tương tự, khả năng chịu lực của cột dưới được tính toán theo các quy định về cột có đai trong ACI 318-19.
- Khả năng chịu lực của sàn: Khả năng chịu lực của các sàn, nằm ở đỉnh và đáy của các cột, được đánh giá để đảm bảo khả năng chống lại đủ của bê tông trước các lực đứng tác dụng.
- Lực cắt đứng trong cột/tường giữa: Khả năng chịu lực cắt đứng của cột hoặc tường giữa giữa các sàn được đánh giá để đảm bảo phá hoại do cắt không xảy ra trước khi kết cấu đạt đến khả năng chịu lực cực hạn.
Khả năng chịu lực nhỏ nhất của các cấu kiện kết cấu này được chọn làm khả năng chịu lực thiết kế cuối cùng cho mỗi ví dụ cột di động, từ đó xác định dạng phá hoại nguy hiểm nhất theo tiêu chuẩn ACI 318-19. Trong phân tích, cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông, fce trong các thanh chống và vùng nút được tính toán bằng các phương trình liên quan từ ACI 318-19, như được trình bày chi tiết trong Mục 2.3 của Chương 2 của nghiên cứu này. Hệ số điều chỉnh hạn chế thanh chống và nút βc, hệ số thanh chống βs, và hệ số vùng nút βn được xác định bằng các giá trị từ Bảng 2.1 đến 2.3 trong Chương 2 tương ứng. Cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong vùng thanh chống và vùng nút được tính toán bằng Phương trình 2.4 và 2.9 tương ứng.
Trong quá trình phân tích, các kỹ thuật tối ưu hóa topo được sử dụng để xác định các đường truyền ứng suất hiệu quả nhất trong kết cấu. Quá trình này được thực hiện bởi IDEA StatiCa sử dụng thể tích hiệu quả 20% và 60%, góp phần tinh chỉnh thiết kế STM bằng cách tối ưu hóa phân bố tải trọng qua các thanh chống và giằng thép. Phương pháp này cho phép tạo ra một mô hình thanh chống - giằng hiệu quả hơn, với các thanh chống được định cỡ phù hợp để đảm bảo độ chính xác trong truyền lực.
Cuối cùng, các mô hình STM cho mỗi ví dụ cột di động được phát triển bằng cách sử dụng các sơ đồ dòng ứng suất và đồ thị tối ưu hóa topo được tạo ra thông qua phần mềm IDEA StatiCa. Các mô hình này cung cấp một biểu diễn đơn giản nhưng chính xác về cơ chế truyền tải trọng trong các cột di động dưới tải trọng tác dụng, thể hiện hiệu quả ứng xử của cả thanh chống nén và giằng kéo.
Hình 4.24: Mô hình thanh chống - giằng cho Ví dụ 1: a) tối ưu hóa topo với thể tích hiệu quả 20% từ IDEA StatiCa, b) tối ưu hóa topo với thể tích hiệu quả 60% từ IDEA StatiCa, và c) mô hình thanh chống - giằng với dòng ứng suất.
Tóm Tắt
Ứng xử của bốn ví dụ cột di động (Ví dụ 1 đến 4) được đánh giá bằng STM theo ACI 318-19, cùng với IDEA StatiCa và ABAQUS. Mô hình cơ sở, Cột Di Động Ví dụ 1, được dùng làm tham chiếu cho phân tích so sánh. Tải trọng đứng được tác dụng lên đỉnh của mỗi cột để đại diện cho tải trọng thiết kế, với các hệ số giảm cường độ được kết hợp vào phân tích STM theo ACI 318-19. Ngoài ra, khả năng chịu lực tối đa của các cột di động được xác định bằng CSFM mà không áp dụng các giá trị ϕ.
Bảng 4.3 so sánh khả năng chịu lực của các cột di động, được đánh giá bằng ACI 318-19, STM và CSFM cả có và không có hệ số giảm cường độ, ϕ. Dữ liệu cho thấy một số mẫu và sự khác biệt trong ứng xử của các cột dưới các phương pháp phân tích khác nhau. So sánh chi tiết các kết quả cho thấy khả năng chịu lực được dự đoán bởi CSFM không có ϕ luôn cao hơn so với kết quả thu được bằng STM và CSFM có ϕ, với các biến động tùy thuộc vào ví dụ cụ thể được phân tích.
Bảng 4.3: So sánh khả năng chịu lực của cột di động cho các phương pháp khác nhau
Trong Hình 4.32, cung cấp so sánh đồ họa về khả năng chịu lực trên tất cả các phương pháp và ví dụ, mối quan hệ giữa các phương pháp phân tích khác nhau được minh họa rõ ràng. Hình này nhấn mạnh sự gia tăng đáng kể về khả năng chịu lực khi không áp dụng hệ số giảm cường độ trong phân tích CSFM. Biểu diễn trực quan cho thấy rõ ràng cách khả năng chịu lực được dự đoán bởi CSFM không có giá trị ϕ luôn cao hơn trên tất cả các ví dụ so với cả STM và ACI 318-19.
Hình 4.32: So sánh khả năng chịu lực cho các ví dụ cột di động.
Tóm lại, phân tích so sánh khả năng chịu lực của các cột di động bằng ABAQUS, STM và CSFM cho thấy các mẫu và mối quan hệ đáng chú ý giữa các phương pháp này. Kết quả cho thấy ABAQUS luôn cung cấp ước tính khả năng chịu lực cao hơn so với cả STM và CSFM, thể hiện khả năng nắm bắt các ứng xử vật liệu phức tạp và điều kiện tải trọng. Sự khác biệt về khả năng chịu lực nhấn mạnh tính bảo thủ của STM và CSFM có ϕ, thường dẫn đến các dự đoán thấp hơn so với ABAQUS.
Nhìn chung, phân tích CSFM đã được chứng minh là một công cụ đáng tin cậy để đánh giá khả năng chịu lực của các cột di động. Khả năng cung cấp thông tin về các cơ chế phá hoại tiềm năng và hiệu năng kết cấu nâng cao giá trị của nó trong các ứng dụng thiết kế. Tính linh hoạt của CSFM trong việc điều chỉnh cho các kịch bản tải trọng khác nhau và độ nhạy của nó với các hệ số giảm cường độ làm cho nó trở thành một phương pháp có lợi cho các kỹ sư kết cấu. Do đó, việc kết hợp CSFM cùng với các phương pháp phân tích khác có thể dẫn đến sự hiểu biết toàn diện hơn về hiệu năng của các cột di động, cuối cùng góp phần vào các thực hành kỹ thuật kết cấu mạnh mẽ và hiệu quả hơn.
