THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP NHÀ CAO TẦNG THEO TCVN
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.28 MB, 57 trang )
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
T HI T K K T C U B Ê T Ô N G C T T H É P
N H À C A O T NG T H E O T CV N
M CL C
1.
2.
GI I THI U.........................................................................................................................................3
1.1.
Mục đích .............................................................................................................................. 3
1.2.
Tài liệu tham kh o ............................................................................................................... 3
1.3.
Các yêu cầu thiết kế nhà cao tầng, cần lưu ý ngay từ đầu .................................................. 3
QUY TRÌNH THI T K ........................................................................................................................6
2.1.
Đặc trưng vật liệu ................................................................................................................ 8
2.1.1.
Bê tông................................................................................................................................8
2.1.2.
Thép....................................................................................................................................9
2.2.
Xác định sơ b tiết diện ....................................................................................................... 9
2.2.1.
Sàn......................................................................................................................................9
2.2.2.
Dầm ..................................................................................................................................12
2.2.3.
Cột ....................................................................................................................................13
2.2.4.
Vách cứng .........................................................................................................................14
2.3.
Xác định t i trọng............................................................................................................... 16
2.3.1.
Tĩnh tǝi – DL......................................................................................................................16
2.3.2.
HoǛt tǝi – LL......................................................................................................................20
2.4.
Bài toán dao đ ng riêng MODE SHAPE ............................................................................ 20
2.4.1.
Các phương pháp xác định tần số dao động riêng ............................................................21
2.4.2.
Kiểm tra chu kỳ dao động riêng.........................................................................................24
2.4.3.
ǜnh hưởng của tần số dao động riêng đến tǝi trọng động.................................................26
2.4.4.
Khai báo Mass source trong q trình phân tích TSDDR bằng ETABS.............................27
2.5.
T i trọng gió....................................................................................................................... 30
2.5.1.
Gió tĩnh..............................................................................................................................30
2.5.2.
Gió động............................................................................................................................31
2.5.3.
Tổ hợp tǝi trọng gió ...........................................................................................................36
2.6.
T i trọng đ ng đ t.............................................................................................................. 36
2.6.1.
Những nguyên tắc chỉ đǛo trong thiết kế cơ sở .................................................................36
2.6.2.
Gia tốc nền thiết kế ...........................................................................................................38
2.6.3.
Cấp động đất.....................................................................................................................40
2.6.4.
Các loǛi đất nền ................................................................................................................42
2.6.5.
Biểu diễn cơ bǝn của tác động động đất ...........................................................................44
2.6.6.
Các phương pháp mô phỏng tǝi trọng động đất ................................................................44
2.6.7.
Tổ hợp các thành phần động đất (mục 4.3.3.5.)................................................................49
2.7.
2.7.1.
Tổ hợp t i trọng, n i lực và chuyển vị................................................................................ 51
Xác định nội lực.................................................................................................................52
1
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
2.7.2.
2.8.
Tổ hợp tǝi trọng, nội lực và chuyển vị................................................................................52
Kiểm tra mô hình theo TCXD198-1997.............................................................................. 56
2.8.1.
Kiểm tra ổn định chống lật.................................................................................................56
2.8.2.
Kiểm tra độ cứng...............................................................................................................56
2.8.3.
Kiểm tra dao động (nên kiểm tra, không thuyết minh) .......................................................56
2
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
1.
GI I THI U
1.1. M c đích
Xây dựng quy trình thiết kế kết c u nhà cao tầng theo TCVN nhằm phục
vụ cho công tác thiết kế m t cách chuyên nghiệp, thống nh t và hiệu qu cao.
1.2. Tài li u tham kh o
1. TCVN 2737 – 1995: Tiêu chuẩn thiết kế về t i trọng và tác đ ng
2. TCVN 229 – 1999: Chỉ dẫn tính tốn thành phần đ ng của t i trọng gió
theo TCVN 2737-1995
3. TCXDVN 375 – 2006: Thiết kế cơng trình chịu đ ng đ t
4. TCXDVN 356 – 2005: Kết c u bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chuẩn
thiết kế
5. TCXDVN 198 – 1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết c u bê tơng cốt thép
tồn khối
6. TCXDVN 205 – 1998: Móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế.
7. Ray W.Clough and Joseph Penzien, Dynamic of Structure - McGrawHill,1993.
8. Singiresu S.Rao, Mechanical Vibrations - Addison-Wesley,1990.
9. MonoGraph on Planning and Design of Tall Building-Structural design of
Tall Steel Building - American Society of C.E, 1979.
10. Phan Văn Cúc & Nguyễn Lê Ninh, Tính tốn và cấu tǛo kháng chấn cơng
trình nhiều tầng - NXB Khoa học kỹ thuật,1994.
11. Thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996.
1.3. Các yêu c u thi t k nhà cao t ng, c n lưu ý ngay từ đ u
Phân biệt lãng phí và an tồn trong cơng trình, đặc biệt là kết c u
• Lãng phí là q dư; biết là đủ, nhưng vẫn thêm và thêm tỷ lệ lớn
• An tồn là vừa đủ, đ m b o an tồn cơng trình lâu dài.
Thiết kế nhà cao tầng, t t c các b phận kết c u ph i an tồn, đặc biệt
là phần móng
Khi thiết kế, ph i dự trù và đề xu t biện pháp thi công, dù gi i pháp chưa
đ t, để
3
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
• Có cơ sở lập dự tốn, tổng dự tốn từ đầu, do những chi phí thiết bị, vật
tư để thi cơng, cần được tính đúng và đủ; đặc biệt khi chưa có su t đầu
tư chi tiết hồn chỉnh và tình hình địa ch t phức t p dưới cơng trình.
• Nói lên tính kh thi của phương án thiết kế
• Có những hướng dẫn cần thiết từ đầu cho các đơn vị đ u thầu, giám sát,
triển khai thi công, đặc biệt là đối với tầng hầm, nhiều tầng hầm.
M t ví dụ gi i pháp “TOP – DOWN”
Nếu cịn đ t xung quanh, tầng có thể tăng diện tích (vượt khỏi diện tích
khối đế) để tăng diện tích để xe các lo i, đủ bố trí hồ nước ngầm, hầm phân
(trong điều kiện Việt Nam) và b phận kỹ thuật (điện, nước).
Khi số tầng càng cao, kết c u thép, kết c u liên hợp hay bê tông DUL sẽ
hiệu qu hơn kết c u BTCT thông thường. Hệ chịu lực của cơng trình sẽ do
kết c u quyết định.
Kiến trúc, M-E, C p thoát nước và thang máy trong nhà cao tầng là r t
quan trọng, không kém phần kết c u. Kết c u nh hưởng đến sự bền vững
của cơng trình, nhưng những thiết kế chuyên ngành khác, phục vụ cho sự tiện
nghi trong sử dụng cơng trình… là yếu tố đ m b o thành công trong khai thác.
Quan tâm thêm đến cách bố trí thang máy nhà cao tầng, nhà chọc trời.
4
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Chế đ b o trì cơng trình là m t trong những thành phần hồ sơ thiết kế
ph i n p cho chủ đầu tư từ đầu.
Cần quy định rõ phương pháp và tiến đ ph i quan trắc chuyển vị của
cơng trình.
Cơng trình cao tầng thường là khối lớn, kích thước m i c nh trên mặt
bằng sẽ vượt quá giới h n cho phép. Do vậy, cần tiên lượng trước gi i pháp
về khe lún, khe nhiệt; gi i pháp về phân đợt thi công, ngay từ đầu. Phân chia
cơng trình bằng khe co giãn, khe chống đ ng đ t và khe lún khi thiết kế nhà
cao tầng cố gắng điều chỉnh hình dáng và kích thước mặt bằng bởi các gi i
pháp kết c u và thi công để h n chế việc chia cắt này sẽ dẫn đến sự b t lợi
cho kết c u công trình; thứ nh t: vì t i trọng cơng trình lớn nên t i hai bên khe
lún c u t o móng gặp khó khăn; thứ hai: khi dao đ ng dưới nh hưởng của
địa ch n dễ gây ra xơ đẩy làm hư hỏng cơng trình. Việc chia cắt cơng trình
cần ph i được h n chế, song trong những trường hợp sau đây thì việc chia
cắt cần được tiến hành:
♦ Đối với khe co giãn: khe co giãn cần ph i bố trí khi kích thước mặt bằng
cơng trình quá lớn (vượt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn) mà khơng có
các biện pháp kết c u và thi cơng đ m b o tính an tồn cho cơng trình.
Đối với nhà cao tầng kho ng cách cho phép giữa hai khe co giãn phụ
thu c vào hệ kết c u chịu lực cơng trình và kết c u tường ngồi của
cơng trình. Với hệ kết c u khung vách BTCT tồn khối nếu tường
ngồi lắp ghép thì kho ng cách cho phép giữa hai khe co giãn là 65m,
nếu tường ngồi liền khối thì kho ng cách cho phép là 45m.
♦ Đối với khe lún: Khe lún của các b phận cơng trình chênh lệch nhau có
thể làm cho cơng trình bị hư hỏng. Những trường hợp sau đây thì khơng
nên bố trí khe lún:
¾ Cơng trình tựa trên nền cọc, nền đá hoặc trên các nền được gia
cố đ m b o đ lún của công trình là khơng đáng kể.
¾ Với việc tính lún có đ tin cậy cao thể hiên đ chênh lún giữa các
b phận nằm trong giới h n cho phép.
♦ Đối với khe phòng chống đ ng đ t: khe phòng chống đ ng đ t được bố
trí t i các cơng trình được thiết kế chống đ ng đ t trong trường hợp:
5
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
¾ Kích thước mặt bằng vượt giới h n cho phép theo tiêu chuẩn.
¾ Nhà có tầng lệch tương đối lớn.
¾ Đ cứng và t i trọng của các b phận nhà chênh lệch nhau.
Việc t o khe co giãn, khe phòng chống đ ng đ t và khe lún cần tuân theo
các nguyên tắc sau:
♦ Các khe co giãn, khe phòng chống đ ng đ t và khe lún nên bố trí trùng
nhau.
♦ Khe phịng chống đ ng đ t nên được bố trí suốt chiều cao của nhà, nếu
trong trường hợp khơng cần có khe lún thì khơng nên cắt qua móng mà
nên dùng gi i pháp gia cố thêm móng t i vị trí khe phịng chống đ ng đ t.
♦ Khi cơng trình được thiết kế chống đ ng đ t thì các khe co giãn và khe
lún ph i tuân theo yêu cầu của khe phòng chống đ ng đ t.
Đ r ng của khe lún và khe phòng chống đ ng đ t cần được xem xét căn cứ
vào chuyển vị của đỉnh cơng trình do chuyển dịch móng sinh ra. Chiều r ng tối
thiểu của khe lún và khe phòng chống đ ng đ t được tính theo cơng thức:
dmin= V1 + V2 + 20mm
trong đó: V1 và V2 là chuyển dịch ngang cực đ i theo phương vng góc với
khe của hai b phận cơng trình hai bên khe, t i đỉnh của khối kề khe có chiều
cao nhỏ hơn hai khối.
Gi m nh hưởng của nhiệt đ và co ngót của bê tông: tăng thép t i nơi
nh y c m với nhiệt đ như sàn mái, sàn tầng dưới cùng và tường đầu hồi…
Nếu gi i pháp móng sử dụng phương pháp TOP-DOWN, ph i dự trù từ
đầu, bằng tính tốn cụ thể; số lượng tầng sàn thượng tầng tối đa mà m i sàn
hầm khi xuống sâu hơn, có thể tiếp nhận được, cho đến khi tầng hầm được thi
công hoàn chỉnh.
Lưu ý quy ước đánh số thứ tự tầng hầm (1, 2, 3…) là đánh từ tầng hầm ở vị
trí trên cùng, trở xuống.
2.
QUY TRÌNH THI T K
Đây là lưu đồ nhằm tóm tắt tồn b quy trình thiết kế kết c u BTCT nhà
cao tầng.
6
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Lựa chọn, b trí k t c u phù h p yêu c u ki n trúc
- Chọn phương án kết c u tổng thể
Xác định sơ b ti t di n Define section
-
Mác bê tông
-
Sàn, dầm, c t, vách
Xác định t i trọng Static load case
-
Tƿnh t i: TLBT, hoàn thiện, tường
-
Ho t t i
Bài toán dao đ ng riêng Mode Shape
-
Khai báo Mass source
-
Kiểm tra chu kỳ dao đ ng đầu tiên T1
-
Kiểm tra d ng dao đ ng Mode shape
Tính tốn và nhập t i trọng đ ng Dynamic Load
-
T i trọng gió
-
T i trọng đ ng đ t
Tổ h p t i trọng Load combination
-
Tổ hợp kiểm tra chuyển vị, đ võng
-
Tổ hợp tính bền
Điều chỉnh thiết kế
Kiểm tra mơ hình tính tốn Check model
-
Kiểm tra ổn định chống lật
-
Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh (đ cứng)
-
Kiểm tra gia tốc đỉnh (dao đ ng)
Bài toán thi t k Design
-
Thiết kế sàn, dầm, c t, vách
-
Kiểm tra hàm lượng
Triển khai chi ti t
-
Triển khai b n vẽ thi công
7
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
2.1. Đặc trưng vật li u
Cường đ chịu lực, đ bền mỏi, tính biến d ng, kh năng chống cháy.
Mác bê tông ≥ 300 (BTCT thường), ≥ 350 (BTCT ứng lực trước).
Dùng thép cường đ cao, có thể dùng thép hình trong kết c u h n hợp
thép – BTCT.
Trọng lượng kết c u nh hưởng đến t i trọng đ ng đ t.
2.1.1. Bê tông
Phân lo i bê tông như sau
♦ Bê tơng nặng có khối lượng riêng trung bình từ 2200 kg/m3 đến 2500
kg/m3;
♦ Bê tông h t nhỏ có khối lượng riêng trung bình lớn hơn 1800 kg/m3;
♦ Bê tơng nhẹ có c u trúc đặc và r ng;
♦ Bê tông tổ ong chưng áp và không chưng áp;
♦ Bê tông đặc biệt: bê tông tự ứng su t.
Điều 5.1.2.6 (trang 63, TCVN 356-2005), hệ số nở ngang ban đầu của bê
tơng ν (hệ số Pốt-xơng) l y bằng 0,2 đối với t t c các lo i bê tông. Mô đun
trượt của bê tông G l y bằng 0,4 giá trị Eb tương ứng. Giá trị của Eb cho
trong b ng sau:
B
15
20
22.5
25
27.5
30
M
200
250
300
350
350
400
Rb
8.5
11.5
13
14.5
14.5
17
MPa
Rbt
0.75
0.9
0.975
1.05
1.05
1.2
MPa
Eb
23000
27000
28500
30000
30000
32500
MPa
Điều 5.1.2.1 (trang 63, TCVN 356-2005), hệ số dãn nở nhiệt α bt khi nhiệt
đ thay đổi từ -40°C đến 50°C, tuỳ thu c vào lo i bê tông được l y như sau:
♦ Đối với bê tông nặng, bê tông h t nhỏ và bê tông nhẹ cốt liệu nhỏ lo i
đặc chắc: α bt = 1.0 × 10−5 ( 1/oC);
8
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
♦ Đối với bê tông nhẹ dùng cốt liệu nhỏ lo i r ng: α bt = 0.7 × 10−5 ( 1/oC);
♦ Đối với bê tông tổ ong và bê tông r ng: α bt = 0.8 × 10−5 ( 1/oC).
Trong trường hợp có số liệu về thành phần khống ch t của cốt liệu, lượng xi
măng mức đ ngậm nước của bê tông, cho phép l y các giá trị α bt khác nếu
có căn cứ và được các cơ quan có thẩm quyền phê duyệt.
2.1.2. Thép
Lo i
CI, AI
CII, AII
CIII, AIII (∅≥10)
Rs, Rsn
225
280
365
MPa
Rsw
175
225
290
MPa
Es
210000
210000
200000
MPa
Ghi chú: 1MPa = 1000 kN/m2
2.2. Xác định sơ b ti t di n
Xác định sơ b tiết diện cho các c u kiện của cơng trình như sàn, dầm,
c t, vách nhằm phục vụ cho bài toán dao đ ng riêng. Lựa chọn tiết diện ph i
thỏa mãn yêu cầu kiến trúc và đ m b o điều kiện của chu kỳ dao đ ng.
2.2.1. Sàn
Nhằm thỏa mãn gi
thiết kết c u (dầm) sàn là vách cứng trong mặt
phẳng ngang (diaphragm), nghƿa là có đ cứng tuyệt đối trong mặt phẳng sàn
và mềm (biến d ng được) ngồi mép sàn, của các lý thuyết tính tốn nhà cao
tầng hiện nay, dẫn đến chuyển vị ngang ở m i cao trình NCT là khơng đổi.
Sàn càng cứng, chu kỳ dao động và gia tốc dao động sẽ giảm đi,
đ m b o không vượt quá giới h n cho phép. Và thông thường, nếu cứ
“chồng” tầng lên, mà m i sàn được tính tốn như 1 sàn đ c lập, kh năng đ
cứng của gi thiết sẽ không đ m b o tuyệt đối – cơng trình sẽ “rung, lắc” nhẹ,
c m nhận được khi có gió m nh thổi vào.
Nhà cao tầng, cần đặt sẵn những đường ống thiết bị trong nhà, cần tăng
“1 ít” chiều dày sàn.
Sàn DUL, để dễ bố trí cáp, chiều dày sàn lớn, hợp lý, vẫn có lợi.
Sàn nhà ít tầng, thơng thường
9
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
J s = (0.35 ÷ 0.55) J d
Sàn nhà cao tầng, nên có
J s = (0.5 ÷ 0.65) J d
trong đó J s là moment quán tính của sàn, ứng với chiều r ng quy ước là
b
a
b′ = min( + bd ) và
3
2
a : nhịp c t (phương gió đang tác dụng và xét đến nh hưởng)
b : bước c t (phương trực giao với a )
bd : bề r ng dầm
Kết qu
tính tốn cho th y: chiều dày sàn chọn theo những quy định
thơng thường của nhà ít tầng, cần được nhân thêm hệ số, xác định theo b ng
Số tầng
12
15
20
25
30
40
Sàn n m
1.04
1.06
1.10
1.14
1.18
1.26
Sàn dầm
1.04
1.06
1.08
1.11
1.15
1.22
Kh năng chống đ ng đ t của cơng trình, sẽ tăng đơi chút.
Lưu ý: Cốt thép, vẫn phǝi được tính tốn như sàn nhà ít tầng, thông thường.
2.2.1.1. Sàn nấm, sàn phẳng
Thường chọn
1 ⎞
⎛ 1
hs = ⎜ ÷ ⎟ L
⎝ 30 40 ⎠
Lưu ý: Khi thực hiện những cơng trình nhà cao tầng, trong thời gian gần
đây, thường hay sử dụng sàn n m DUL, không dầm. Khi xây tường ngăn
phịng, sẽ có 2 v n đề cần quan tâm
• Tường sẽ xây khơng đúng (vì khơng có) dầm, t i lo i dãy. Cần phân tích
thêm n i lực trong sàn n m, chịu lo i t i này, để tránh n i lực phân bố
khơng đều, dễ gây nứt sàn, th y trước.
• Khi xây (hay lắp) tường, nếu khơng chèn kín khe hở mặt trên tường (giáp
sàn), tường mỏng; về lâu dài sẽ xu t hiện khe nứt dọc do co ngót theo
mặt tiếp giáp này, nh hưởng đến việc sử dụng bình thường cơng trình.
10
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
2.2.1.2. Sàn có dầm
Thường chọn
1 ⎞
1 ⎞
⎛ 1
⎛ 1
hs = ⎜ ÷ ⎟ L1 hoặc hs = ⎜
÷ ⎟ ( L1 + L2 )
⎝ 50 40 ⎠
⎝ 100 80 ⎠
trong đó L1; L2 lần lượt là chiều dài c nh ngắn và c nh dài của ô sàn.
Hàm lượng thép trong sàn là μ max = ξ R
trong đó:
Rb
Rs
Các giá trị Rb ; Rs tra theo b ng ở mục 2.1.1 và 2.1.2 (file này)
và ω = 0,85 − 0,008 Rb ; ξ R =
ω
R ⎛
ω⎞
1 + s ⎜1 − ⎟
σ sc ,u ⎝ 1,1 ⎠
; α R = ξ R (1 − 0,5 ξ R ) .
Các hệ số trên được xác định theo b ng tra sau (trích từ ph lc E trang
245 TCVN356 2005)
Hệ số
điều kiện
làm việc
của bê
tông b2
0,9
Nhóm cốt
thép chịu
kéo
Bất kỳ
CIII, A-III
( 1040)
và Bp-I
4; 5)
(
R
R
Bất kú
CIII, A-III
(∅ 10–40)
CII, A-II
αR
αR
CI, A-I
vµ Bp-I
4,5)
ξR
ξR
CII, A-II
1,0
Ký hiƯu
(∅
ξR
αR
ξR
αR
B12,5
B15
B20
B25
B30
B35
B40
0,796
0,789
0,767
0,746
0,728
0,710
0,692
0,662
0,654
0,628
0,604
0,583
0,564
0,544
0,443
0,440
0,431
0,421
0,413
0,405
0,396
0,689
0,681
0,656
0,632
0,612
0,592
0,573
0,452
0,449
0,441
0,432
0,425
0,417
0,409
0,708
0,700
0,675
0,651
0,631
0,612
0,593
0,457
0,455
0,447
0,439
0,432
0,425
0,417
0,790
0,782
0,758
0,734
0,714
0,694
0,674
0,628
0,619
0,590
0,563
0,541
0,519
0,498
0,431
0,427
0,416
0,405
0,395
0,384
0,374
0,660
0,650
0,623
0,595
0,573
0,552
0,530
0,442
0,439
0,429
0,418
0,409
0,399
0,390
11
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
HÖ số
điều kiện
làm việc
của bê
tông b2
Nhóm cốt
thép chịu
kéo
R
CI, A-I
1,1
R
Bất kỳ
CIII, A-III
( 10–40)
vµ Bp-I
4,5)
CII, A-II
CI, A-I
Ký hiƯu
(∅
ξR
αR
ξR
αR
ξR
αR
B12,5
B15
B20
B25
B30
B35
B40
0,682
0,673
0,645
0,618
0,596
0,575
0,553
0,449
0,446
0,437
0,427
0,419
0,410
0,400
0,784
0,775
0,749
0,722
0,700
0,808
0,810
0,621
0,611
0,580
0,550
0,526
0,650
0,652
0,428
0,424
0,412
0,399
0,388
0,439
0,440
0,653
0,642
0,612
0,582
0,558
0,681
0,683
0,440
0,436
0,425
0,413
0,402
0,449
0,450
0,675
0,665
0,635
0,605
0,582
0,703
0,705
0,447
0,444
0,433
0,422
0,412
0,456
0,456
2.2.2. Dầm
⎛1 2⎞
Đối với các dầm thơng thường h>b: b = ⎜ ÷ ⎟ h
⎝3 3⎠
⎛1 1
ã 1 nhp: h = ữ L
12 10
1 1
ã Nhiu nhp: h = ữ L
18 12
1 1
ã Console: h = ữ ⎟ L
⎝6 4⎠
Lưu ý Trường hợp dầm bẹt h
⎛ 1 1⎞
tỷ lệ bình thường, sẽ có h = ⎜ ÷ ⎟ L và ngược l i, chiều r ng dầm sẽ tăng.
⎝ 20 14 ⎠
BTCT thường, vẫn xử lý được tình huống này.
Hàm lượng thép trong dầm là μ max = ξ R
12
Rb
(xem mục 2.2.1.2)
Rs
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Hàm lượng thép trong dầm hợp lý μ = (1 ÷ 1.5)% .
2.2.3. Cột
Kích thước tiết diện c t thường chọn theo diện tích truyền t i từ dầm
(sàn) lên, phân đều theo các phương, m i tầng. Trên cơ sở đó, xác định được
lực nén và từ lực nén (có gia tăng hệ số để xét thêm nh hưởng của Moment),
sẽ tính được tiết diện c t (vng, chữ nhật, trịn…). Về ngun tắc, khi truyền
t i khơng đổi theo chiều cao thì theo “Tính tốn tiết diện cột BTCT” – GS
Nguyễn Đình Cống – NXB xây dựng –Hà N i 2006 / trang 21
N = ms qFs
trong đó
Fs diện tích mặt sàn truyền t i trọng lên c t đang xét
ms là số sàn phía trên tiết diện đang xét (kể c sàn mái)
q là t i trọng tương đương tính trên m i mét vng sàn, trong đó
gồm t i trọng thường xuyên và t m thời trên b n sàn, trọng lượng dầm,
tường, c t đem tính ra phân bố đều trên sàn. Giá trị q được l y theo kinh
nghiệm thiết kế
♦
♦
♦
Với nhà có bề dày sàn là bé (10cm -> 14cm) kể c các lớp c u t o mặt
sàn), có ít tường, kích thước của dầm và c t thu c lo i bé, q = (10 ÷ 14)
kN/m2 ( 1 ÷ 1.4 T/m2)
Với nhà có bề dày sàn trung bình (15cm -> 20cm), tường, dầm và c t là
trung bình hoặc lớn, q = (15 ÷ 18) kN/m2 (1.5 ÷ 1.8 T/m2)
Với nhà có bề dày sàn khá lớn (trên 25cm), dầm và c t đều lớn, q có thể
đến 20 kN/m2 (2T/m2) hoặc hơn nữa.
13
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Kích thước tiết diện c t A0 được tính
A0 =
kt N
Rb
kt là hệ số xét nh hưởng khác như Moment uốn, hàm lượng cốt thép,
đ m nh của c t. Xét sự nh hưởng này, theo sự phân tích và kinh nghiệm
của người thiết kế, khi nh hưởng của moment là lớn, đ m nh c t lớn (l0 lớn)
thì l y kt lớn kt = 1.3 ÷ 1.5 (c t biên và c t góc). Khi nh hưởng của moment là
bé, thì l y kt = 1.1 ÷ 1.2 (c t giữa).
Trong trường hợp thiết kế kết c u chịu đ ng đ t thì kích thước của c t
tn theo điều kiện h n chế về tỉ số nén trang 72, m c 5.1.2 TCVN375-2006
nc =
N
1
= > 0.1 (rõ ràng với nc thì ph i tăng kt lên)
Rb A0 kt
Tổng hàm lượng thép dọc trong c t
• Kết c u thường:
• Có xét đ ng đ t:
μ max = 5%
μ max = 4%
Tiết diện c t có nên thay đổi hay khơng???
Kiến nghị
C t biên và c t góc không thay đổi tiết diện( nh hưởng lớn của moment).
C t giữa thì thay đổi theo các quan điểm: đ
cứng của c t tầng trên
không nhỏ hơn 70% đ cứng của c t tầng dưới liền kề. Nếu 3 tầng gi m đ
cứng liên tục thì tổng mức gi m không vượt quá 50% (m c 2.5.4 - TCXD1981997).
2.2.4. Vách cứng
Vách cứng được định nghƿa trong mục 5.1.2 trang 72 TCVN375-2006 có
tiết diện với
lw
≥ 4 (trong đó, lw là chiều dài vách, còn bw là bề r ng vách)
bw
14
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Không tính, khi số tầng khơng lớn, khơng cần vách mà nên thay bằng c t.
Xin nhắc l i, theo Taranath B.S, đối với nhà cao tầng chịu lực bằng BTCT
Sơ b xác định diện tích vách cứng Fwall = 0.015 × S , trong đó S là diện
tích m t sàn tầng.(mục 3.4 TCXD 198-1997).
Chiều dày vách cứng thk ≥ 150 mm. Nếu “an tâm”, chịu lãng phí, chiều
dày tối thiểu của vách (lõi) cứng sẽ là
1 ⎞
⎛ 1
• khi vách khơng tham gia chịu lực: thk = ⎜ ÷ ⎟ H
⎝ 25 22 ⎠
⎛ 1 1⎞
• khi vách tham gia chịu lực: thk = ⎜ ÷ ⎟ H , với H là chiều cao tầng
⎝ 20 15 ⎠
Tổng hàm lượng thép dọc trong vách t i mục 3.4.2 – TCXD 198-1997
• Thép thẳng đứng:
μmax = 3.5% ; μmin = 0.4% (đ ng đ t yếu); μmin = 0.6%
(đ ng đ t trung bình và m nh).
• Thép ngang: μ min = 0.25% (đ ng đ t yếu); μ min = 0.4% (đ ng đ t trung
1
bình và m nh); (không áp dụng μ min = hàm lượng thép dọc).
3
Theo TCVN375-2006, vách kép gồm hai hay nhiều các vách đơn, được
liên kết m t cách đều đặn bằng các dầm có đ dẻo kết c u thích hợp (“dầm
liên kết”), có kh năng làm gi m được ít nh t 25% tổng moment uốn ở chân
15
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
đế của các vách riêng rẽ nếu làm việc tách rời nhau.(mục 5.1.2 trang 72
TCVN375-2006).
Thực tế, thang máy có t i khơng lớn; vận tốc có lớn thì cũng khơng nh
hưởng đến sức chịu t i của nhà cao tầng. T i xung của thang, trong c u t o
hiện nay, sẽ truyền đều dần lên hệ chịu lực quanh thang. Do vậy, nếu vách, lõi
cứng được bố trí quanh thang máy là quá tốt.
2.3. Xác định t i trọng
T i trọng tác dụng lên nhà cao tầng hiện nay bao gồm:
- TƾNH T I – DL
- HO T T I – LL
- GIÓ – W
- Đ NG Đ T – E
2.3.1. Tĩnh tǝi – DL
Tƿnh t i bao gồm
- Trọng lượng b n thân
- T i trọng lớp hoàn thiện
- T i trọng tường
2.3.1.1. Trọng lượng bǝn thân
Phần mềm ETABS tự tính theo cơng thức sau
- Dầm, c t: g bt = nγ bh
- Sàn, vách: g bt = nγ hb
trong đó
b; h là các kích thước của dầm c t, còn hb là bề dày của sàn,
vách (nhập trong phần Define Frame sections và Wall/Slab sections)
γ = 2.5 T/m3, nhập trong Define material (Weight per unit volume)
n = 1.1 ; nhập trong phần Define Static load cases (Self Weight
multiplier). (hệ số vượt t i trong phần tổ hợp).
2.3.1.2. Tǝi trọng các lớp cấu tǛo sàn (hoàn thiện)
Chiều dày của các lớp c u t o sàn căn cứ vào b n vẽ kiến trúc; hệ thống
kỹ thuật đường ống, thiết bị điện, hệ thống l nh căn cứ vào b n vẽ M&E; hệ
số tin cậy căn cứ theo TCVN 2737 – 1995. Tùy thu c vào công năng sử dụng
của từng ô sàn, tƿnh t i sàn được chia làm các lo i t i trọng như sau:
16
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Báng 1:
Sàn văn phòng căn hộ
Các lớp
Chiều
dày
c u t o sàn
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m3)
Tiêu chuẩn
(kN/m2)
Hệ số
n
Tính tốn
(kN/m2)
Lớp g ch lát nền
1
20
0.2
1.1
0.22
Lớp vữa lót g ch
4
18
0.72
1.3
0.936
Lớp vữa trát trần
1.5
18
0.27
1.3
0.351
0.300
1.1
0.330
Hệ thống kỹ thuật
Tổng tƿnh t i sàn
Báng 2:
1.490
1.837
Sàn phòng họp, siêu thị
Các lớp
Chiều
dày
c u t o sàn
(cm)
riêng γ (kN/m3)
Tiêu chuẩn
(kN/m2)
Hệ số
n
Tính tốn
(kN/m2)
Trọng lượng
Lớp g ch lát nền
1
20
0.200
1.1
0.220
Lớp vữa lót g ch
4
18
0.720
1.3
0.936
Lớp vữa trát trần
1.5
18
0.360
1.3
0.468
0.500
1.1
0.550
Hệ thống kỹ thuật
Tổng tƿnh t i sàn
Báng 3:
1.690
2.057
Sàn khu vệ sinh
Các lớp
Chiều
dày
c u t o sàn
(cm)
riêng γ (kN/m3)
Tiêu chuẩn
(kN/m2)
Hệ số
n
Tính tốn
(kN/m2)
Trọng lượng
Lớp g ch lát nền
2
20
0.4
1.1
0.44
Lớp vữa lót, chống
th m t o dốc
5
18
0.9
1.3
1.17
1.5
18
0.27
1.3
0.351
0.3
1.1
0.33
Lớp vữa trát trần
Hệ thống kỹ thuật
Tổng tƿnh t i sàn
1.87
17
2.291
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Báng 4:
Cầu thang
Các lớp
Chiều
dày
c u t o sàn
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m3)
Tiêu chuẩn
(kN/m2)
Hệ số
n
Tính tốn
(kN/m2)
Lớp đá granit
2
27
0.54
1.1
0.594
Lớp vữa lót
3
18
0.54
1.3
0.702
Lớp vữa trát
1.5
18
0.27
1.3
0.351
Bậc thang đổ BT
10
25
2.50
1.1
2.750
Tổng tƿnh t i sàn
Báng 5:
4.397
Sàn mái sân thượng
Các lớp
Chiều
dày
c u t o sàn
(cm)
Lớp g ch
nóng
3.85
Trọng lượng
riêng γ (kN/m3)
Tiêu chuẩn
(kN/m2)
Hệ số
n
Tính tốn
(kN/m2)
chống
3
22
0.660
1.2
0.792
Lớp vữa lót t o dốc
3
18
0.540
1.3
0.702
Lớp chống th m
3
22
0.660
1.2
0.792
Lớp vữa trát trần
1.5
18
0.270
1.3
0.351
0.300
1.1
0.330
Hệ thống kỹ thuật
Tổng tƿnh t i sàn
Báng 6:
2.430
2.967
Sàn đáy hồ nước ngầm
Các lớp
Chiều
dày
c u t o sàn
(cm)
riêng γ (kN/m3)
Tiêu chuẩn
(kN/m2)
Hệ số
n
Tính tốn
(kN/m2)
Trọng lượng
Lớp g ch lát
2
20
0.440
1.1
0.484
Lớp vữa lót - lớp
chống th m
5
16
0.900
1.3
1.170
Tổng tƿnh t i sàn
1.340
18
1.654
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
2.3.1.3. Tǝi trọng tường gǛch, kính nhơm
T i trọng tường g ch xây đặc tiêu chuẩn ngắn gọn theo công thức sau
- G ch 100mm: g t100 = 1.8 H (kN/m) (hệ số vượt t i n=1.1)
- G ch 200mm: gt200 = 3.3H (kN/m)
trong đó H là chiều cao tường g ch tính từ cao trình sàn tầng dưới tới mép
dưới của dầm hoặc sàn tầng trên.
Trong trường hợp, tường có cửa sổ hoặc cửa đi thì có thể tính tốn
nhanh như sau (khơng cần tính tốn chi tiết)
gtrong = gtdac × n
trong đó n là hệ số được tính theo b ng sau
Hệ số n
Lo i
2 cửa
1 cửa
(sổ/đi)
(sổ+đi)
Tường 100
0.9
0.8
Tường 200
0.8
0.7
T i trọng kính khung nhơm – thép được cho như b ng sau
Cửa kính khung
nhơm - thép
Chiều dày
(cm)
Kính + nhơm (thép)
-
riêng γ
(kN/m3)
Tiêu chuẩn
(kN/m2)
Hệ số
n
Tính tốn
(kN/m2)
-
1.0
1.1
1.1
Trọng lượng
Ghi chú
Khi t i (tường, hồ nước inox…) đặt trực tiếp trên sàn, không nên quy đổi
t i trọng lên tồn b ơ sàn, mà mô phỏng bằng dầm o, sàn o (NONE).
T i trọng cầu thang, bể nước, ramp được quy đổi thành t i trọng tập
trung hoặc phân bố để nhập vào kết c u mà nó tác dụng lên.
19
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
2.3.2. HoǛt tǝi – LL
STT
Công năng sử dụng
(kN/m )
Hệ số
n
Ho t t i tính tốn
(kN/m2)
Ho t t i tiêu chuẩn
2
1
Sàn văn phòng, phòng
học, bệnh viện …
2.00
1.2
2.4
2
Sàn nhà ở, KTX, chung cư
1.50
1.3
1.95
3
Sàn vệ sinh
2.0
1.2
2.4
4
Cầu thang
3.0 -> 4.0
1.2
3.6 -> 4.8
5
Hành lang
3.0
1.2
3.6
6
Ban công
3.0 -> 4.0
1.2
3.6 -> 4.8
7
Tầng hầm – ram dốc
5.0
1.2
6.0
8
Sàn kỹ thuật
7.5
1.2
9.0
9
Sàn café – sân vườn
4.0
1.2
4.8
Sàn nhà kho sách lưu trữ
4.8 /1m cao
1.2
5.76
Sàn nhà kho sách thư viện
2.4/1m cao
1.2
2.88
Sàn nhà kho gi y
4.0/1m cao
1.2
4.8
Sàn nhà kho l nh
5.0/1m cao
1.2
6.0
10
11
Sàn mái bằng BTCT có sử
dụng
3.0
1.2
3.6
12
Sàn mái bằng BTCT
khơng sử dụng
0.75
1.3
0.975
13
Sàn mái tole, ngói
0.30
1.3
0.39
14
Sàn nắp tầng hầm
10
1.2
12
2.4. Bài toán dao đ ng riêng MODE SHAPE
Khi cơng trình chịu tác dụng của t i trọng đ ng, nó sẽ thực hiện các
chuyển đ ng. Nếu các chuyển đ ng của cơng trình được lặp l i trong m t
kho ng thời gian nào đó thì chuyển đ ng đó được gọi là dao đ ng.
Phương trình dao đ ng chủ đ o của hệ kết c u nhiều bậc tự do như sau
[ M ] X (t ) + [C ] X (t ) + [ K ] X (t ) = P(t )
trong đó:
[ M ] ; [C ] ; [ K ]
lần lượt là ma trận khối lượng, c n và đ cứng
20
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
X (t ); X (t ); X (t ); P (t ) lần lượt là vectơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị và
t i trọng nút.
Tần số góc ω được xác định theo phương trình sau
[ M ] X (t ) + [ K ] X (t ) = 0
Hệ có n bậc tự do thì sẽ có n tần số dao đ ng riêng. Quan hệ giữa chu kỳ
dao đ ng riêng T ; tần số dao đ ng riêng f và tần số góc ω được biểu diễn
T=
2π
ω
;
f = 2πω =
1
T
Tần số dao đ ng riêng (TSDĐR) của hệ kết c u phụ thu c vào
• Khối lượng [ M ] của hệ (khối lượng tăng thì TSDĐR gi m và ngược l i)
• Khối lượng [ K ] của hệ (khối lượng tăng thì TSDĐR tăng và ngược l i).
Đối với cơng trình xây dựng, TSDĐR cịn phụ thu c
• Lo i đ t dưới chân cơng trình
• Kh năng gi m ch n của cơng trình.
2.4.1. Các phương pháp xác định tần số dao động riêng
Nếu xét trên phương diện thực tế tính tốn, thiết kế có thể dùng các cách
sau để xác định TSDĐR của công trình như sau
2.4.1.1. Dùng các cơng thức thực nghiệm, gần đúng trong tiêu chuẩn, tài liệu
chuyên môn
Căn cứ vào số tầng nhà, d ng kết c u và d ng nền (TCXD229-1999)
T =αN
trong đó
N là số tầng nhà
α là hệ số phụ thu c vào kết c u và d ng nền: đối với nền móng
có biến d ng trung bình thì
• α = 0.064 nếu nhà là khung BTCT tồn khối
• α = 0.08 nếu nhà là khung thép chèn g ch hoặc bê tông nhẹ.
21
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Căn cứ kích thước của nhà và d ng kết c u (TCXD229-1999)
T = μ.
trong đó
H
D
H là chiều cao cơng trình tính bằng (m)
D là bề r ng mặt đón gió tính bằng (m)
μ hệ số phụ thu c d ng kết c u
• μ = 0.09 nếu nhà bằng BTCT
• μ = 0.1 nếu nhà bằng thép.
Đối với cơng trình có khối lượng phân bố đều, khối lượng khơng đổi
(TCXD229-1999), cơng thức gi i tích xác định TSDĐR như sau
α i2
fi =
2π H 2
trong đó
EJ .h
m
m là khối lượng tập trung m i tầng (kN)
EJ là đ cứng chống uốn cơng trình (kN/m2)
H là chiều cao cơng trình tính bằng (m)
h là chiều cao m i tầng tính bằng (m)
α1,2,3 = 1.875; 4.694; 7.86 ứng với các tần số f1; f 2 ; f3 .
2.4.1.2. Dùng phần mềm tính tốn kết cấu (SAP2000, ETABS…)
Có hai phương pháp
• Sử dụng khối lượng tập trung (Lumped Mass): kết qu gần chính xác
trong các trường hợp kết c u có các vật nặng đặt sẵn t i các nút.
• Sử dụng khối lượng tương thích (Consistent Mass): kết qu sẽ chính xác
nếu các d ng dao đ ng thực có thể biểu diễn dưới d ng hàm [ N ] . Tuy
nhiên, các hàm d ng này thường là các hàm d ng khi phân tích tƿnh
nên sự phân bố theo cách này cũng chỉ là gần đúng. Mặc dù vậy, dùng
phương pháp Consistent Mass vẫn đáp ứng được yêu cầu chính xác
hầu hết các bài toán thực tế (Ray W.Clough and Joseph Penzien,
Dynamic of Structure - McGraw-Hill,1993 và Singiresu S.Rao,
Mechanical Vibrations - Addison-Wesley,1990).
22
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Kh o sát các cách tính TSDĐR thơng qua ví dụ sau: Tính TSDĐR của
cơng trình 25 tầng bằng BTCT cao 100m, m i tầng 4m. Mặt bằng kích thước
56mx28m, tiết diện kết c u chính như sau dầm 1000x700; sàn 200; c t
1000x1000 và vách 500
mỈt b » n g t ần g đi ển h ìn h
Theo cụng thc thực nghiệm
T = μ.
100
H
= 0.09
= 1.2s
56
D
Theo công thức gi i tích
fi =
α i2
2π H 2
EJ .h
m
thay các giá trị m = 19290 (kN); EJ = 3.33 × 1010 (kN/m2); H = 100 (m); h = 4 (m);
α1,2,3 = 1.875; 4.694; 7.86 vào được f1 = 0.145; f 2 = 0.911; f3 = 2.555 (Hz)
Dùng phần mềm SAP
• Sử dụng khối lượng tập trung (Lumped Mass): theo phương y
T1 = 7.75s; T2 = 2.13s; T3 = 1.05s
• Sử dụng khối lượng tương thích (Consistent Mass): theo phương y
T1 = 2.77 s; T2 = 0.75s; T3 = 0.36s .
23
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Bǝng so sánh kết quǝ các cách tính TSDĐR
Tần số dao đ ng cơng trình
f1 (Hz)
f 2 (Hz)
f 3 (Hz)
Cơng thức thực nghiệm
0.83
Cơng thức gi i tích
0.14
0.9
2.56
Khối lượng tập trung
0.12
0.46
0.95
Phần mềm SAP
Khối lượng tương thích
0.36
1.33
2.77
Phương pháp xác định
Từ b ng trên, nhận th y rằng các phương pháp xác định TSDĐR khác
nhau cho kết qu khác nhau và chênh lệch r t lớn. Đây chính là điều đặc biệt
cần lưu ý khi xác định TSDĐR của cơng trình cao tầng.
2.4.2. Kiểm tra chu kỳ dao động riêng
Thực tế TSDĐR của công trình nhỏ hơn so với tính tốn lý thuyết:
• Đ cứng thực tế của cơng trình nhỏ hơn so với lý thuyết vì sự đơn gi n
hóa trong q trình tính tốn và cơng trình xu t hiện vết nứt trong q
trình sử dụng.
• Liên kết giữa đ t và cơng trình thực tế khơng ph i là liên kết ngàm vì nền
đ t có biến d ng (Phan Văn Cúc & Nguyễn Lê Ninh, Tính tốn và cấu
tǛo kháng chấn cơng trình nhiều tầng - NXB Khoa học kỹ thuật,1994).
Kho ng biến thiên của chu kỳ dao đ ng riêng của cơng trình cao tầng
thơng thường (MonoGraph on Planning and Design of Tall Building-Structural
design of Tall Steel Building - American Society of C.E, 1979 và Thiết kế và thi
công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996):
⎛1 1⎞
⎛1 1⎞
T1 = ( 0.04 ÷ 0.1) N ; T2 = ⎜ ÷ ⎟ T1 ; T3 = ⎜ ÷ ⎟ T1
⎝ 5 3⎠
⎝7 5⎠
trong đó
N là số tầng của cơng trình.
24
TS. Lương Văn H i – ThS. Trần Minh Thi
Theo tài liệu Trung Quốc, phương pháp t i trọng ngang gi
T1 = 1.7α 0 Δ
Δ (m) là chuyển vị ngang nhà khi l y trọng lượng Gj các tầng làm
trong đó
lực ngang tập trung t i các mức sàn
α 0 (m) là hệ số gi m chu kỳ do nh hưởng của tường g ch chèn
Theo TCXD 375-2006, khi nhà cao H <40m, công thức 4.6 trang 49
T1 = Ct H
3
4
Với kết c u có vách cứng, Ct được l y như sau
l ⎞
0.075
⎛
Ct =
; với Ac = ∑ Ai × ⎜ 0.2 + wi ⎟
H⎠
Ac
⎝
trong đó
2
Ac (m2) là tổng diện tích hữu hiệu các vách cứng ở tầng đầu tiên
Ai (m2) là diện tích tiết diện ngang hữu hiệu vách cứng thứ i theo
hướng đang xét ở tầng đầu tiên.
lwi (m) là chiều dài vách cứng ở tầng đầu tiên theo hướng song
song lực tác đ ng, với
lwi
≤ 0.9
H
Theo TCXD 375-2006, m t cách khác, công thức 4.9 trang 50
T1 = 2 d
trong đó
d (m) là chuyển vị đàn hồi t i đỉnh nhà do các lực trọng trường
tác dụng theo phương ngang gây ra.
25
