Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm plaxis 3D trong phân tích tương tác kết cấu-Móng-đất nền làm việc đồng thời

n used to analyze the behaivour and design the struture above with the model which assumes that the supperstructure is fixed at the foot of the reinforced concrete columns and core walls. In this design concept, assuming the above structures fixed at the base means that the building is built on hard ground (without settlement) and does not really simulate the true behaviour of the building. The reason is that the ground is not completely hard which results in irregular settlement of the ground. This settlement between coulumns will lead to the increasing internal force values in the superstructure above. The reason for the conventional concept has been used up to now is that it is difficult to model a whole system including supperstructure, foundation system and soil to ananlyze the soil-structure interaction. However, today as a result of the development of finite element software, this problems can be solved. In this study, PLAXIS 3D will be used to ananlyse the behaviours of the superstructure-foundation- soil system working together. After analysis, the results of calculating the settlement according to the construction time, the results of the raft-pile load distribution and the vertical force values in the piles were compared with the field-measured values to prove the reliability of PLAXIS 3D finite element software for simultaneous analysis of superstructure-foundation-soil system behavior. Keywords: soil-structure interaction, fixed-base, PLAXIS 3D, reliability, superstructure-foundation-soil system behavior. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Ngày nay, cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của các thành phố trên thế giới dẫn đến nhu cầu các công trình xây dựng ngày càng phát triển về số lượng và chiều cao. Do đó công tác thiết kế cũng ngày càng phát triển không ngừng để đảm bảo các công trình xây dựng không chỉ đảm bảo an toàn cho người sử dụng mà còn hướng đến mục đích tối ưu hóa * Bộ môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM ** Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Tác giả liên hệ: trieuhn@hcmut.edu.vn bài toán thiết kế. Từ trước đến nay, một công trình xây dựng khi thiết kế thường được tách riêng giữa thiết kế kết cấu bên trên và thiết kế hệ móng-đất nền bên dưới. Phần mềm ETABS thường được sử dụng để phân tích ứng xử và thiết kế kết cấu bên trên với sơ đồ tính xem kết cấu ngàm tại chân cột, vách. Sau đó, các giá trị phản lực tại chân cột, vách này được sử dụng để phân tích và thiết kế hệ móng-đất nền bên dưới. Trong quan niệm thiết kế này, việc xem kết cấu bên trên ngàm tại chân cột đồng nghĩa với việc giả sử công trình được xây dựng trên nền đất cứng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 77 (không biến dạng) và không thực sự mô phỏng đúng ứng xử thật của công trình do thực tế nền đất không hoàn toàn cứng dẫn đến độ lún không đều của nền đất. Độ lún lệch này sẽ dẫn đến giá trị nội lực trong khung có sự sai khác nhiều so với ứng xử thực tế của công trình. Sở dĩ cách tính riêng rẽ từng phần từ trước đến nay vẫn được sử dụng vì việc giải quyết tính toán sự làm việc chung đồng thời giữa kết cấu-móng- đất nền còn gặp nhiều khó khăn. Ngày nay, cùng với sự phát triển của các phần mềm phần tử hữu hạn ứng dụng trong xây dựng việc phân tích hệ kết cấu-móng-đất nền làm việc đồng thời đã được đơn giản hóa, một trong số đó là phần mềm PLAXIS 3D. Trong nghiên cứu này, phần mềm PLAXIS 3D sẽ được sử dụng để phân tích ứng xử hệ kết cấu-móng-đất nền làm việc đồng thời cho công trình Messesturm Tower. Các ứng xử của hệ móng- đất nền gồm độ lún nền, sự phân chia tải giữa bè-cọc và giá trị nội lực trong cọc sẽ được so sánh giữa kết quả tính toán với giá trị quan trắc thực tế để từ đó thấy được khả năng ứng dụng của phần mềm PLAXIS 3D. Ngoài ra, để chứng minh mức độ tin cậy của phần mềm PLAXIS 3D trong việc phân tích ứng xử của hệ kết cấu bên trên, nghiên cứu này cũng so sánh kết quả nội lực moment và lực cắt giữa phần mềm PLAXIS 3D với kết quả phân tích từ phần mềm ETABS. Từ đó có thể thấy được khả năng ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D trong việc phân tích và thiết kế công trình có xét đến tương tác hệ kết cấu- móng-đất nền làm việc đồng thời. 2. CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU MESSETURM TOWER 2.1. Tổng quan công trình Messeturm Tower là tòa nhà chọc trời ở thành phố Frankfurt am Main nước Đức. Công trình được xây dựng năm 1990 và là tòa nhà cao thứ hai của Đức với tổng chiều cao 257 m gồm 63 tầng nổi và 2 tầng hầm. Hình 1: Công trình Messeturm Tower Hình 2: Mặt cắt đứng công trình [4] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 78 2.2. Kết cấu phƣơng đứng công trình Công trình sử dụng giải pháp kết cấu hình ống được cấu tạo bằng một ống bao xung quanh nhà gồm hệ thống cột, dầm và phía trong nhà là hệ lõi, vách cứng (Hình 2). Trong đó hệ cột được bố trí xung quanh cách nhau 3,6 m có kích thước 0,8x0,8 m tại tầng 7 và thay đổi tiết diện 5 cm đến kích thước 0,3x0,3 m ở tầng trên cùng. Đối với hệ vách chịu lực sử dụng vách bê tông cốt thép có chiều dày 64 cm đối với vách tầng hầm và hệ vách lõi bên trong công trình chọn tiết diện vách dày 22 cm. 2.3. Kết cấu phƣơng ngang công trình Công trình được thiết kế theo giải pháp sàn bê tông cốt thép kết hợp với hệ dầm (Hình 3). Trong đó bản sàn có chiều dày 22 cm và hệ dầm chính, dầm phụ có kích thước lần lượt 40 x 80 cm và 20x40 cm. Hình 3: Kết cấu vách và hệ cột xung quanh công trình [4] Hình 4: Mặt bằng kết cấu công trình tầng trệt đến tầng 6 [4] Hình 5: Mặt bằng kết cấu công trình tầng điển hình tầng 7 đến tầng 58 [4] Hình 6: Mặt bằng kết cấu công trình tầng 59 đến tầng 60 [4] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 79 2.3. Kết cấu móng công trình Giải pháp nền móng được sử dụng là giải pháp móng bè cọc kết hợp với phần bè có kích thước 58,8 m x 58,8 m (Hình 7) và chiều dày thay đổi từ 3 m ở biên đến 6 m ở khu vực tâm móng. Phần cọc sử dụng phương án cọc khoan nhồi có đường kính 1,3 m với ba loại chiều dài cọc giảm dần từ tâm móng đến biên được thể hiện trên Hình 7. Ở khu vực tâm móng bố trí 16 cọc với chiều dài mỗi cọc 34,9 m, trong khi đó ở khu vực xung quanh phần tâm móng bố trí 20 cọc với chiều dài 30,9 m và phần biên ngoài cùng bố trí 28 cọc với chiều dài mỗi cọc 26,9 m. 2.4. Địa chất công trình Công trình được xây dựng ở khu vực có mặt cắt địa chất như Hình 8, gồm lớp đất đá san lấp dày 8-10 m ở trên mặt. Bên dưới lớp san lấp là lớp đất sét Frankfurt đến độ sâu khoảng 70 m. Mực nước ngầm khu vực ở độ sâu khoảng 4,5- 5,0 m so với mặt đất tự nhiên. Hình 7: Mặt bằng bố trí cọc trong bè công trình Messeturm Tower [1] Hình 8: Mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main (Katzenbach et al. [2]) 3. PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU-MÓNG- ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI TRONG PHẦN MỀM PLAXIS 3D Trong nghiên cứu này, hệ kết cấu-móng-đất nền công trình Messesturm Tower được mô phỏng trong PLAXIS 3D (Hình 9). Sau khi phân tích, kết quả tính toán độ lún theo thời gian thi công và kết quả phân chia tải giữa bè và cọc được so sánh với kết quả quan trắc thực tế để chứng minh mức độ tin cậy của phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS 3D-2018 trong việc phân tích ứng xử hệ kết cấu-móng-đất nền làm việc đồng thời. 3.1. Thông số kết cấu mô phỏng Kết cấu cột, vách, lõi sử dụng vật liệu bê tông mác B45 và dầm, sàn sử dụng bê tông mác B35 với các thông số trình bày trong Bảng 1. Kết cấu móng sử dụng vật liệu bê tông với các thông số mô phỏng trình bày trong Bảng 2. 3.2. Thông số địa chất mô phỏng Địa chất công trình được mô phỏng dựa trên mặt cắt địa chất khu vực Frankfurt am Main như Hình 8 và các thông số địa chất được tóm tắt trong Bảng 3. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 80 Bảng 1: Thông số vật liệu cột, vách, lõi, dầm, sàn trong mô phỏng Các thông số Ký hiệu Bê tông B45 Bê tông B35 Module đàn hồi E (MN/m2) 37500 34500 Hệ số Poisson m 0,2 0,2 Trọng lượng riêng g (kN/m3) 25 25 Bảng 2: Thông số vật liệu bè và cọc trong mô phỏng (Reul 2000) [5] Các thông số Ký hiệu Bè Cọc Module đàn hồi E (MN/m2) 34000 25000 Hệ số Poisson m 0,2 0,2 Trọng lượng riêng g (kN/m3) 25 25 Bảng 3: Bảng tổng hợp các thông số địa chất [7] Lớp đất 1. Sand and Gravel 2. Frankfurt clay 3. Frankfurt limestone Type HSM HSM MCM g (kN/m 3 ) 18 18,7 22 E50 ref (kN/m 2 ) 75000 50000 2000000 Eoed ref (kN/m 2 ) 75000 50000 Eur ref (kN/m 2 ) 225000 150000 P ref (kN/m 2 ) 100 100 m 1,0 0,85 c' (kN/m 2 ) 0 20 1000 j' ( o ) 30 20 15 3.3. Kết quả độ lún theo thời gian Giá trị độ lún theo thời gian trong phần mềm PLAXIS 3D được tính toán tại các thời điểm thi công công trình tương ứng với giá trị tổng tải trọng được đo tại hiện trường như Bảng 4. Sau đó, các giá trị độ lún này được so sánh với kết quả độ lún quan trắc thực tế như Hình 10. Bảng 4: Bảng giá trị tải trọng tác dụng lên công trình tại từng giai đoạn thi công [2] Giai đoạn Thời gian (tháng) Tải trọng đo tại hiện trƣờng (MN) 1A 0,25 402 1B 6,3 891 2 14,1 1562,3 3 32 1880 4 121 1880 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 81 Hình 9: Mô hình hệ kết cấu-móng-đất nền (SSI) trong PLAXIS 3D Hình 10: Độ lún công trình theo các giai đoạn thi công Kết quả độ lún theo thời gian khi phân tích trong phần mềm PLAXIS 3D có sự chênh lệch không quá lớn so với giá trị quan trắc thực tế. Các giá trị chênh lệch này dao động trong khoảng 8 mm và phần trăm chênh lệch luôn nhỏ hơn 20 %. 3.4. Kết quả độ lún ổn định Kết quả độ lún ổn định được tính toán từ phần mềm PLAXIS 3D được so sánh với kết quả phân tích của tác giả Ashutosh Kumar [1]. Trong đó, độ lún ổn định tại tâm móng là 17,01 cm gần như tương đương với kết quả phân tích của tác giả Ashutosh Kumar với 16,95 cm [1]. 3.5. Kết quả phân chia tải giữa bè và cọc Kết quả phân chia tải giữa bè và cọc trong phần mềm PLAXIS 3D được tính toán tại thời điểm 121 tháng sau đó so sánh với giá trị quan trắc thực tế. Trong đó kết quả phân tích từ phần mềm PLAXIS 3D cho kết quả phần trăm tải trọng do bè gánh chịu chiếm 44,3 %, giá trị này chênh lệch khoảng 3 % so với kết quả quan trắc thực tế với 42 % [3]. Hình 11: Kết quả độ lún ổn định trong PLAXIS 3D Hình 12: Lực dọc phân bố dọc theo chiều dài cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 82 Kết quả lực dọc trong cọc có sự chênh lệch đáng kể giữa giá trị quan trắc thực tế [1] và khi phân tích trong PLAXIS 3D, đặc biệt là các nhóm các cọc ở tâm móng, Hình 12. Đối với nhóm cọc ngoài cùng (Outer ring pile) các giá trị lực dọc trong cọc so sự chênh lệch nhỏ, dao động trong khoảng 300 kN và phần trăm chênh lệch nhỏ hơn 15%, riêng tại vị trí đỉnh cọc có phần trăm chênh lệch nhỏ nhất với 7,7 % (Bảng 5). Đối với nhóm cọc ở trung tâm (Inner ring pile), giá trị lực dọc trong cọc có sự chênh lệch đáng kể với giá trị chênh lệch dao động trong khoảng 1,8 MN và phần trăm chênh lệch nhỏ hơn 38 %. Trong đó, giá trị chênh lệch tại vị trí đầu cọc được trình bày trong Bảng 5 với phần trăm chênh lệch là 14,4%. Bảng 5: Bảng so sánh kết quả phân tích PLAXIS và giá trị quan trắc thực tế Giá trị quan trắc [1] Kết quả tính toán trong PLAXIS 3D (%) sai khác Chia tải giữa bè-cọc 0,43 0,44 2,3% Độ lún (cm) 14,4 15,2 5,5% Tải trọng truyền vào cọc (Inner pile) 9,7 11,1 14,4% Tải trọng truyền vào cọc (outer pile) 7,8 7,2 7,7% 4. KHẢ NĂNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU CỦA PHẦN MỀM PLAXIS 3D Trong nghiên cứu này phần mềm PLAXIS 3D [8] và phần mềm ETABS [9] sẽ được sử dụng để phân tích ứng xử của kết cấu bên trên. Sau đó, các kết quả nội lực (moment, lực cắt) của kết cấu bên trên được so sánh giữa hai phương pháp phân tích. Từ đó có thể thấy được khả năng ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D trong việc phân tích và thiết kế công trình có xét đến tương tác hệ kết cấu-móng-đất nền làm việc đồng thời. Hình 13: Mô hình phân tích ứng xử kết cấu trong phần mềm ETABS Hình 14: Mô hình phân tích ứng xử kết cấu trong phần mềm PLAXIS 3D ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 83 4.1. Thông số đất nền Theo như nghiên cứu của tác giả Granano, Fargnoli, Boldini và Amorosi [6], cũng như theo quy định của PLAXIS khi mô phỏng luôn có đất nền bên dưới, để chuẩn hóa ngàm giữa 2 mô hình, thì trong PLAXIS 3D-2018 nền đất được mô phỏng có module đàn hồi là 750Gpa, hệ số poison bằng 0. Theo nghiên cứu khi tiến hành chia lưới phần tử hữu hạn trong PLAXIS 3D chỉ cần chia lưới mịn vừa là tương ứng với chức năng chia lưới tự động trong ETABS. 4.2. So sánh kết quả Kết quả nội lực moment và lực cắt trong dầm DC1 có sự chênh lệch không nhiều giữa PLAXIS 3D và ETABS. Các giá trị moment có sự chênh lệch trong khoảng nhỏ hơn 8,5% giữa hai phương pháp. Trong khi đó giá trị lực cắt giữa hai mô hình phân tích chênh lệch khoảng 20 kN. Hình 15: Vị trí dầm DC1 và DC2 Bảng 6: Nội lực trong dầm DC1 ETABS PLAXIS 3D-2018 (%) sai khác Moment (kN.m) Mmax 414,6 442,9 6,8% Mmin 1383,3 1265,8 8,5% Lực cắt (kN) Qmax 330,8 311,2 5,9% Qmin -20,9 -42,9 105% Đối với dầm DC2, kết quả phân tích nội lực moment và lực cắt trong PLAXIS 3D gần như tương tự với kết quả phân tích trong ETABS. Kết quả phân tích trong PLAXIS 3D cho kết quả nhỏ hơn ETABS đối với cả moment và lực cắt. Tuy nhiên, các giá trị chênh lệch giữa hai phương pháp phân tích khá nhỏ chỉ khoảng 4% đối với giá trị moment và 5% đối với giá trị lực cắt. Bảng 7: Nội lực trong dầm DC2 ETABS PLAXIS 3D-2018 (%) sai khác Moment (kN.m) Mmax 298,7 287,0 3,9% Mmin 332,1 321,5 3,2% Lực cắt (kN) Qmax 270,4 256,0 5.3% D C 1 DC2 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 84 5. KẾT LUẬN Nghiên cứu này đã sử dụng phần mềm PLAXIS 3D-2018 để phân tích ứng xử hệ kết cấu-móng-đất nền làm việc đồng thời cho công trình Messesturm Tower. Đối với ứng xử móng- đất nền, phần mềm PLAXIS 3D cho kết quả độ lún theo thời gian, kết quả phân chia tải giữa bè- cọc và kết quả lực dọc trong cọc có sự chênh lệch không nhiều so với giá trị quan trắc thực tế. Trong đó, các giá trị độ lún theo thời gian có sự chênh lệch nhỏ hơn 8 mm so với giá trị quan trắc và kết quả phân chia tải giữa bè-cọc chỉ chênh lệch nhau 3%. Từ đó thấy được khả năng ứng dụng của phần mềm PLAXIS 3D-2018 trong việc phân tích ứng xử của hệ móng bè- cọc-đất nền làm việc đồng thời. Ngoài ra, nghiên cứu này còn phân tích ứng xử của hệ kết cấu bên trên trong phần mềm PLAXIS 3D, từ đó so sánh với kết quả phân tích theo phương pháp thông dụng sử dụng phần mềm ETABS để thấy được khả năng sử dụng phần mềm PLAXIS 3D để phân tích các giá trị nội lực moment và lực cắt của kết cấu bên trên. Từ kết quả so sánh, nhận thấy các giá trị moment trong dầm giữa hai phương pháp phân tích chênh lệch không lớn chỉ khoảng nhỏ hơn 8% và đối với giá trị lực cắt thì giá trị chênh lệch khoảng nhỏ hơn 20kN. Nguyên nhân sai lệch này là do các phần tử thanh trong PLAXIS 3D không chịu xoắn và khi thanh càng chịu xoắn thì kết quả sai lệch này càng lớn. Lời cảm ơn Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ thời gian, phương tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ashutosh Kumar, Deepankar Choudhury and Roft Katzenbach, “Effect of Earthquake on Combined Pile-Raft Foundation”, International Journal of Geomechanics, vol. 16, no. 5, 2016. [2] Rolf Katzenbach, Gregor Bachmann and Hendrik Ramm, “Combined Pile Raft Foundations (CPRF): An Appropriate Solution For The Foundations of High-Rise Buildings”, Slovak Journal of Civil Engineering, vol. 3, pp. 19-29, 2005. [3] Phung Duc Long, “Piled Raft-A Cost- Effective Foundation Method for High-Rises”, Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, vol. 41, no. 3, 2010. [4] Sommer, H., Katzenbach, R., and DeBeneditis, “Lát Verformungsverhalten des mesturmes Frank am Mai”, Vortrage dẻ Baugrundtagung in Karlsruhe, DGGT, Essen, Germany, pp. 371-380, 1990. [5] Reul, O., “In situ-Messungen und numerische stuien Zum Tragverhalten der Kombinierten Pfahl-plattengtundung.”, Mitteilungen des Institutes und der versuchsanstalt fur Geotechnik ser Technischen Universitat Darmstadt, Heft 53 (in German), 2000. [6] Gragnano C. G., Farnoli V., Boldini D. and Amorosi A , “Comparison of Structural Elements Response in PLAXIS 3D and SAP 2000”, Spring issue 2014, PLAXIS bulletin, 2014. [7] Amann, P./ Breth, “Verformungsverhalten des Baugrundes beim Baugrubenaushub und anschließendem Hochhausbau am Beispiel des Frankfurter Ton Mitteilungen der Versuchsanstalt für Bodenmechanik und Grundbau der Technischen Hochschule Darmstadt”, (1975). [8] PLAXIS 3D Manual 2018. [9] ETABS Manual 2017 Người phản biện: GS,TS. NGUYỄN CÔNG MẪN