Các vấn đề kết cấu địa kỹ thuật, chúng ta có thể sử dụng phần mềm như Plaxis, Geo5… Trong đó, GEO5 có cách sử dụng đơn giản, giao diện dễ dàng sử dụng nhất.
Trong bài viết này, thuvienketcau giới thiệu cơ bản về Geo5, và ứng dụng tính toán tường vây của Geo5.
1. Giới thiệu tổng quát về Bộ phần mềm GEO5
Bộ phần mềm GEO5 của hãng Fine.Ltd – Cộng hòa Séc bao gồm hơn 20 các chương trình con, riêng biệt song có liên hệ chặt chẽ với nhau, được thiết kế để giải quyết một loạt các bài toán về địa kỹ thuật phổ biến như ổn định mái dốc, mố cầu, rọ đá, tường chắn đất dạng bản, móng nông, móng cọc, độ lún v.v. Ngoài ra, Bộ phần mềm này cũng có thể dùng cho các ứng dụng có mức độ phức tạp cao như phân tích đường hầm, đánh giá mức độ nguy hiểm của công trình do thi công đường hầm, ổn định của mái dốc đá v.v.
Một trong những lợi thế của GEO5 chính là mức độ tích hợp. Đó là một hệ thống chặt chẽ dựa trên cả hai Phương pháp giải tích và Phương pháp PTHH. (Một số PM tương tự như Plaxis (Hà Lan), Sigmaz của Geo-Slope (Canada) chỉ sử dụng Phương pháp PTHH để phân tích.
Phương pháp tính toán giải tích (ví dụ như tường chắn, phân tích ổn định mái dốc) cho phép Người dùng thiết kế và kiểm tra kết cấu một cách nhanh chóng và hiệu quả. Các kết cấu đã được thiết kế, nếu cần, có thể được chuyển vào chương trình PTHH(FEM) để phân tích lại. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian cho các Nhà thiết kế mà còn có thể so sánh hai giải pháp một cách độc lập, do đó mức độ an toàn trong thiết kế tăng lên.
Bộ phần mềm GEO5 cho phép người sử dụng dễ dàng tạo ra kết quả dưới dạng đồ họa rõ ràng và dưới dạng văn bản. Các báo cáo phân tích kết cấu là các tài liệu đầu vào và đầu ra cơ bản. Một danh mục cây được tạo ra cho phép chèn đồ họa vào các văn bản. Trong mỗi chế độ đầu vào hoặc mô hình phân tích, có thể thêm một hoặc nhiều hình ảnh minh hoạ vào danh sách các hình ảnh. Bất kỳ hình ảnh nào đó đều có thể hiệu chỉnh, mở rộng hoặc pha màu. Các hình ảnh được tự động chèn vào các báo cáo phân tích kết cấu và được cập nhật nếu có bất kỳ sự thay đổi các dữ liệu đầu vào. Kết quả rất dễ hiểu và tài liệu đưa ra luôn luôn được cập nhật.
Một tính năng quan trọng nữa của Bộ phần mềm GEO5 là nó có khả năng phù hợp với các tiêu chuẩn và thực hành ở nhiều quốc gia. Chúng dựa trên những lý thuyết chung và phổ biến; chỉ có hình thức kiểm tra cuối cùng phụ thuộc vào các tiêu chuẩn riêng của từng quốc gia. Tất cả các ứng dụng của GEO5 cho phép Người dùng kiểm tra các kết cấu theo lý thuyết về trạng thái giới hạn và cũng như phương pháp hệ số an toàn. Bất kỳ hệ số giảm tải, hệ số phân tích v.v. có thể được thiết lập bởi Người sử dụng. Bằng cách đó, họ có thể thiết kế một kết cấu theo Tiêu chuẩn Eurocodes, Anh, Hoa Kỳ, Úc, Ấn Độ và các tiêu chuẩn quốc gia khác trong một Mô- đun. Thiết kế kết cấu Bê tông cốt thép được thực hiện theo các tiêu chuẩn xây dựng châu Âu (EC2), PN, Anh (BS), Ấn Độ (IS), Hoa Kỳ (ACI)…
Bộ phần mềm gồm có các Mô đun (chương trình con) sau đây:
+ Phân tích Địa kỹ thuật bằng phương pháp PTHH (FEM).
+ Thiết kế móng.
+ Thiết kế Tường vây, cọc cừ (dạng tường tấm).
+ Thiết kế tường chắn đất (dạng Tường trọng lực).
+ Phân tích ổn định của mái đất, đá.
+ Các kết cấu công trình ngầm.
2. Sử dụng GEO 5 trong Thiết kế, kiểm tra Tường vây (Diaphragm wall)
Tường vây hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các Công trình có nhiều tầng hầm (2 -3 tầng hầm trở lên). Đặc biệt, đây là giải pháp gần như duy nhất khi công trình trong điều kiện xây chen, có mặt bằng chật hẹp trong Thành phố. Mặc dù Tường vây đã được sử dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên việc tính toán, kiểm tra Tường vây nói chung chưa được quan tâm đúng mức trong quá trình Thiết kế. Để phân tích thiết kế tường vây hiện có thể sử dụng các phần mềm bằng PTHH như Plaxis, Sigmaz …Từ năm 2005 các kỹ sư địa kỹ thuật có thêm một công cụ nữa để lựa chọn đó là phần mềm GEO5, phần mềm này có thể tính toán theo cả hai phương pháp Giả tích và PTHH.
– Để sử dụng GEO5 trong tính toán Tường vây cần các chương trình sau:
+ Thiết kế Tường chắn dạng tấm (Sheeting Design);
+ Phân tích, kiểm tra tường cừ (Sheeting Check);
+ Phân tích ổn định mái dốc (Slope Stability);
+ Phần mềm PTHH (FEM) để kiểm tra – nếu cần.
Các bạn tại bộ phần mềm GEO để sử dụng.
– Các tính năng cơ bản của Phần mềm Sheeting Design và Sheeting Check:
+ Mô hình hoá chính xác ứng xử của kết cấu trong quá trình xây dựng bằng phương pháp các áp lực độc lập;
+ Đầu vào các loại hình dạng đơn giản (tường chắn dạng cọc, tường chắn có giằng, cọc cừ, v.v.)
+ Phân lớp môi trường đất tổng quát;
+ Phân tích các kết cấu tường chắn (có neo, có thanh giằng và không có neo);
+ Số lượng bất kỳ các loại tải trọng phụ thêm (dạng băng, hình thang và tải trọng tập trung);
+ Mô hình hoá mực nước ngầm ở mặt trước và mặt sau các kết cấu;
+ Kiểm tra ổn định cục bộ của các neo;
+ Hình dạng tổng quan của địa hình phía sau kết cấu;
+ Ảnh hưởng của động đất (Mononobe-Okabe, Arrango);
+ Biểu đồ bao nội lực cho tất cả các giai đoạn xây dựng riêng biệt;
+ Kiểm tra ổn định tổng thể của tường bằng chương trình tính ổn định trượt
+ Sự khác biệt cơ bản giữa Sheeting design và Sheeting check là ở chỗ: trong khi Sheeting design là bài toán thiết kế tự tìm ra chiều sâu hiệu quả của tường vây sau một số vòng lặp còn Sheeting check được sử dụng trong bài toán kiểm tra khi đã có sẵn chiều sâu tường vây và phân tích sau cùng nên sử dụng Sheeting check.
3. Phân tích tường vây bằng chương trình sheeting check
3.1. Các bước tính toán:
Bước 1: Trình đơn Project (dự án):
– Nhập các dữ liệu về công trình như thông tin dự án, ngày tháng thiết kế, thông tin về tác giả, chủ đầu tư.
– Nhập đơn vị chung cho bài toán.
Bước 2: Trình đơn Analysis methods (phương pháp phân tích tường):
– Lựa chọn phương pháp tính toán áp lực đất (theo tiêu chuẩn, lý thuyết Coulomb, lý thuyết Caqouot…), bao gồm áp lực chủ động và áp lực bị động của đất.
– Lựa chọn phương pháp tính toán ảnh hưởng của động đất (lý thuyết Mononobe – Okabe, lý thuyết Arango).
– Nhập số lượng phần tử hữu hạn trong tính toán khi phân tích tường.
Bước 3: Trình đơn Profile:
– Nhập cao độ mặt đất (Terrain elevation).
– Nhập thông số về các lớp đất (độ sâu của các lớp đất).
Bước 4: Trình đơn Modulus Kh:
– Nhập giá trị cho mođun phản lực của đất nền (theo Schmith, phân bố…).
– Mô đun phản lực theo phương ngang của đất nền một cách tổng quát phù hợp với độ cứng lò xo trong mẫu Winkler mô tả mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng lên một bản đặc và biến dạng tổng của đất được tính như sau:
p = k.y
Trong đó:
p – Tải trọng tác dụng dọc theo bề mặt của bản đất,
k – Độ cứng của lò xo Winkler,
y – Chuyển vị của tấm vào trong đất nền.
– Trong chương trình, chúng ta có thể khai báo mô đun phản lực đất nền dưới các dạng như sau:
+ Dạng phân bố: giả thiết phân bố của mô đun phản lực của đất phía trước và phía sau công trình được nhập,
+ Là một thông số của đất với giá trị tương ứng theo các công thức của Schmitt, CUR166, Menard, Chadeisson, phép lặp sủ dụng các thuộc tính biến dạng của đất).
Bước 5: Trình đơn Soils:
– Lựa chọn mẫu mặt cắt cho lớp đất.
– Nhập các thông số cần thiết cho các lớp đất.
Bước 6: Trình đơn Geometry:
– Nhập các thông số cho tường vây: vật liệu, độ dày, chiều cao…
Những bước khai báo trên là không đổi trong suốt các giai đoạn thi công. Sau khi thi công tường chắn trong đất, khi chưa tiến hành đào, chương trình coi nội lực và chuyển vị trong tường là bằng 0.
Các bước tiếp theo được khai báo trong từng giai đoạn thi công.
Bước 7: Trình đơn Assign:
– Khai báo các thông số đã nhập trong bước 5 cho từng lớp đất.
Bước 8: Trình đơn Excavation (đào đất):
– Lựa chọn mô hình đào đất dưới hố đào,
– Khai báo độ sâu đào đất (depth of ditch),
– Khai báo hoạt tải trong hố đào (nếu có),
– Lớp nền hố đào (nếu có).
Bước 9: Trình đơn Terrain:
– Khai báo mô hình đất ngoài hố đào.
Bước 10: Trình đơn Water:
– Khai báo các thông số về mực nước ngầm.
Bước 11: Trình đơn Surcharge:
– Nhập hoạt tải trên mặt đất.
Bước 12: Trình đơn Applied force:
– Nhập các ngoại lực tác dụng lên tường (lực xô ngang, mômen uốn).
Bước 13: Trình đơn Anchors:
– Khai báo các thông số về neo trong đất.
Bước 14: Trình đơn Props:
– Khai báo các thông số về thanh chống.
Bước 15: Trình đơn Supports:
– Khai báo các thông số về gối tựa của tường.
Bước 16: Trình đơn Earthquake:
– Lựa chọn có tính toán ảnh hưởng của động đất tới công trình hay không,
– Nhập các hệ số động đất theo phương ngang và phương đứng,
– Lựa chọn có kể đến ảnh hưởng của nước hay không.
Bước 17: Trình đơn Settings:
– Lựa chọn tiêu chuẩn để tính toán,
– Lựa chọn những hệ số khác trong tính toán như hệ số an toàn trong tính toán ổn định….
Bước 18: Trình đơn Analysis
– Ấn vào trình đơn analysis để phân tích tường trong giai đoạn thi công thứ nhất.
– Chương trình sẽ tiến hành phân tích hệ kết cấu tường, đất và kết cấu chống giữ. Kết quả thu được là nội lực của tường, chuyển vị của tường và áp lực đất tác dụng lên tường.
Bước 19: Trình đơn Internal Stability
– Kiểm tra ổn định bên trong tường chắn.
Bước 20: Trình đơn External Stability
– Kiểm tra ổn định tổng thể tường chắn.
Sau khi tiến hành kiểm tra phân tích tường chắn trong giai đoạn thi công thứ nhất, ta chuyển sang giai đoạn thi công thứ hai. Các bước khai báo trong giai đoạn này tương tự giai đoạn thứ nhất.
Sau khi phân tích xong tất cả các giai đoạn thi công tiến hành in các thuyết minh và các biểu đồ nội lực, chuyển vị:
– Sử dụng trình đơn Add picture để đưa hình ảnh vào thuyết minh.
– Quay về bước thi công thứ nhất (Stage of construction), lựa chọn trình đơn Envelopes, lựa chọn biểu đồ bao nội lực, biểu đồ bao chuyển vị.
– In thuyết minh (file/ Print document). Thuyết minh được Geo5 đưa ra chỉ bao gồm các giai đoạn tính toán đã được thực hiện. Trong trường hợp ta không cho chương trình dựng biểu đồ bao, trong thuyết minh sẽ không có phần tính toán cũng nhưng số liệu về biểu đồ bao.
3.2. Các số liệu về địa chất phục vụ tính toán tường vây:
– Số liệu về địa tầng, chiều sâu, cao độ các lớp đất. Các số liệu này có thể tìm thấy dễ dàng trong các tài liệu khảo sát địa chất của công trình.
– Các thông số về đất được sử dụng để khai báo trong trình đơn Soils (bước thứ 5)
3.3. Nhận xét:
– Việc tính toán kết cấu tường vây bằng phần mềm Sheeting check có nhiều ưu điểm như:
+ Các bước tính toán tường minh, theo trình tự rõ ràng
+ Các số liệu sử dụng cho bài toán tương đối cụ thể
+ Đưa ra được nhiều bài toán và mô hình khác nhau
+ Kết quả của bài toán được phần mềm đưa ra rất chi tiết. Có thể đưa ra các file thuyết minh và các dạng biểu đồ khác nhau.
+ Xây dựng các dạng biểu đồ bao, tiện lợi trong việc thiết kế cốt thép cho tường.
– Tuy nhiên, phần mềm Sheeting check vẫn còn một số nhược điểm nhất định:
+ Thực tế, trong một số trường hợp, tường vây ngoài tác dụng chịu uốn còn chịu đồng thời 1 phần tải trọng nén. Phần mềm Geo5 không cho phép khai báo các tải trọng đứng tác dụng lên tường.
+ Khi phân tích tường, Geo5 không đưa ra các giá trị về lực dọc xuất hiện trong tường, cũng như không đưa ra các giá trị về chuyển vị theo phương thẳng đứng.
+ Không sử dụng được trong trường hợp có nhiều lớp tường vây.
– Để phân tích thêm, cần sử dụng kết hợp với phần mềm PTHH(FEM) trong bộ GEO5.
Trên đây là dưới thiệu cơ bản về sử dụng phần mềm GEO5 để tính toán tường vây.
Để tìm hiểu thêm hướng dẫn chi tiết cách tính tường vây, các bạn tải file “HD GEO 5 TINH TUONG VAY” ở đây.
Các bạn tham khảo thêm 1 file Geo5 tính toán tường vây của công trình tại đây.
Các bạn xem thêm “geo_5_user_guide” để xem đầy đủ những ứng dụng mà phần mềm GEO5 có.