Nghiên cứu và so sánh các phương pháp tính toán dầm cao bê tông cốt thép

Bộ Giáo dục và Đào tạo

Bộ Xây dựng
Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội


Bùi Tiến Dũng




Nghiên cứu và so sánh các phơng pháp
tính toán dầm cao bê tông cốt thép



Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật
chuyên ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp












Hà Nội, 2011

Bộ Giáo dục và Đào tạo Bộ Xây dựng

Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội





Bùi Tiến Dũng




Nghiên cứu và so sánh các phơng pháp


tính toán dầm cao bê tông cốt thép



Mã số: 60. 58. 20



Luận văn Thạc sỹ Kỹ THUậT


chuyên ngành Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Ngời hớng dẫn khoa học:


PGS. TS. vơng ngọc lu
Ts. nguyễn ngọc nam









Hà Nội, 2011

1

lời nói đầu

Kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu đợc dùng phổ biến nhất trong ngành
Xây dựng hiện nay. Lý thuyết tính toán và thiết kế các loại cấu kiện bê tông cốt thép
cơ bản nh dầm, cột, bản sàn đợc thảo luận trong rất nhiều tài liệu chuyên ngành
và đợc quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam cũng nh của nớc ngoài.
Dầm cao bê tông cốt thép là loại cấu kiện xuất hiện ngày càng phổ biến trong
thiết kế nhà cao tầng. Lý thuyết tính toán dầm cao đã đợc đa vào tiêu chuẩn thiết
kế của nhiều nớc trên thế giới. Có nhiều phơng pháp để tính toán loại cấu kiện

này. Luận văn dùng phơng pháp phần tử hữu hạn và phơng pháp sử dụng mô hình
chống giằng để tính toán dầm cao, một loại cấu kiện cơ bản có đặc điểm chịu lực
riêng mà các phơng pháp thiết kế thông thờng không phản ánh đúng tình trạng
làm việc và do vậy cho kết quả không chính xác. Qua đó có những so sánh nhận xét
và các đề xuất khi sử dụng từng phơng pháp trong tính toán.
Do trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn luận văn còn có những hạn chế cần
đợc hoàn thiện thêm. Tác giả mong muốn nhận đợc sự quan tâm của các thầy, cô
Bộ môn và những ngời quan tâm đến đề tài.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Vơng Ngọc Lu, TS Nguyễn Ngọc
Nam đã hớng dẫn tận tình trong thời gian thực hiện luận văn.










2

lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng: Luận văn:
nghiên cứu và so sánh các phơng
pháp tính toán dầm cao bê tông cốt thép
là công trình nghiên cứu của riêng
mình tôi.
Các số liệu trong luận văn đợc sử dụng trung thực, khách quan, có tính kế
thừa. Kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là các kết quả cha từng đợc công bố

tại bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác từ trớc tới nay.























3

Mục lục
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt.
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.

Phần i:

Phần mở đầu

Phần II:

nội dung luận văn

Chơng 1:

Tổng quan hệ thống kết cấu nhà cao tầng

Và dầm cao bê tông cốt thép

1.1. Tổng quan hệ thống kết cấu nhà cao tầng. 13

1.1.1. Các cấu kiện chịu lực cơ bản: 13

1.1.2. Các hệ kết cấu nhà cao tầng. 13

1.1.2.1. Hệ kết cấu cơ bản: 13

1.1.2.2. Hệ kết cấu hỗn hợp. 20

1.1.2.3. Hệ kết cấu tạo không gian lớn. 22

1.2. dầm cao bê tông cốt thép. 25

1.2.1. Định nghĩa dầm cao: 25

1.2.1. Phân loại và phạm vi sử dụng dầm cao BTCT trong xây dựng. 26

1.2.2. Sự làm việc của dầm cao bê tông cốt thép. 28

1.2.3. Tình hình phát triển nhà cao tầng có hệ thống dầm cao bê tông cốt thép 30

1.2.4. Lịch sử nghiên cứu tính toán dầm cao bê tông cốt thép. 31





4

Chơng ii:

Các Phơng pháp tính toán dầm cao Bê tông cốt thép

2.1. phơng pháp phần tử hữu hạn 33

2.1.1. Phân tích ứng suất - biến dạng trong dầm cao bằng phơng pháp PTHH 33

2.1.1.1. Khái niệm về phơng pháp PTHH: 33

2.1.1.2. Đờng lối chung giải kết cấu bằng phơng pháp PTHH: 33

2.1.1.3. Xây dựng ma trận độ cứng phần tử
[
]
e
K
. 34

2.1.2. Dùng chơng trình Sap 2000 để phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng
của dầm cao bê tông cốt thép. 37

2.1.2.1. Giới thiệu:
37

2.1.2.2. Thực hiện tính toán dầm cao bằng Sap 2000.
38

2.2. phơng pháp sử dụng mô hình chống giằng 42

2.2.1. Phân vùng ứng suất biến dạng của các cấu kiện bê tông cốt thép 42

2.2.2. Cơ sở của mô hình chống - giằng, các giả thiết áp dụng . 43

2.2.2.1 Cơ sở của mô hình chống - giằng.
43

2.2.2.2 Các giả thiết áp dụng
43

2.2.3. Các bộ phận cấu thành của mô hình chống-giằng . 44

2.2.3.1. Thanh chống bê tông chịu nén
44

2.2.3.2. Thanh giằng cốt thép chịu kéo
44

2.2.3.3. Nút giàn
45

2.2.3.4. Quạt chịu nén
47

2.2.3.5. Vùng chịu nén xiên
47

2.2.4. Các dạng phá hoại của mô hình chống-giằng 48

2.2.5. Quy trình thiết kế vùng D theo phơng pháp chống-giằng. 48

2.2.6. Khả năng chịu lực của thanh chống 49

2.2.7. Khả năng chịu lực của vùng nút 54

2.1.8. Khả năng chịu lực của thanh giằng 57

2.1.9. Tính toán thiết kế dầm cao sử dụng mô hình chống - giằng 58



5

Chơng iii:

ví dụ tính toán dầm cao bê tông cốt thép

so sánh và kết luận

3.1. ví dụ tính toán dầm cao bê tông cốt thép 60

3.1.1.
Thiết kế dầm chịu một lực tập trung.
60

3.1.1.1 Theo phơng pháp Phần tử hữu hạn:
61

3.1.1.2 Theo phơng pháp chống giằng
68

3.1.2
Thiết kế dầm chịu hai lực tập trung
73

3.1.2.1 Theo phơng pháp Phần tử hữu hạn: 73

3.1.2.2 Theo phơng pháp chống giằng
80

3.2. So sánh kết quả tính toán của hai phơng pháp. 85

Phần III : Kết luận và kiến nghị

A. Kết luận: 87

1. Nhận xét chung về hai phơng pháp tính toán dầm cao. 87

a. Về sơ đồ tính toán:
87

b. Về phơng pháp tính toán:
87

c. Về kết quả tính toán:
88
2. Phạm vi áp dụng
B. kiến nghị 89

1. Kiến nghị khi vận dụng phơng pháp phần tử hữu hạn. 89

2. Kiến nghị khi vận dụng phơng pháp chống giằng. 89


Tài liệu Tham Khảo 91

Tiếng Việt 91

Tiếng Anh 92

6

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt:

b, h, L Bề rộng, chiều cao, nhịp của dầm.
A, b Chiều cao, chiều rộng lỗ khoét.
P Tải trọng tập trung tác dụng lên dầm.
q Tải trọng phân bố tác dụng lên dầm.
PTHH Phần tử hữu hạn.
{
}


Vecto chuyển vị nút.
{
}


Vecto biến dạng.
{
}
F

Vecto lực nút.
{
}

Vecto ứng suất.
{
}


Vecto chuyển vị.
{
}


Biến số tổng quát - hằng ẩn số.
[
]
N

Hàm dạng.
t Bề dày của phần tử dầm.


Diện tích của phần tử dầm.
[
]
[
]
;
e
K K

Ma trận độ cứng của phần tử và của toàn kết cấu.

;
x y

Các thành phần ứng suất theo phơng X, Y trong dầm.

max min
;

Các thành phần ứng suất kéo chính và nén chính trong dầm.

xy

Thành phần ứng suất tiếp trong dầm.
E Modun đàn hồi của vật liệu.
T Nội lực kéo trong thanh chịu kéo.
C Nội lực nén trong thanh chịu nén.
Một số kí hiệu theo ACI
'
c
f

Cờng độ chịu nén đặc trng của bê tông.
ce
f

Cờng độ chịu nén hiệu quả của bê tông.

7

v Hệ số hiệu quả của bê tông.

; ;
w
b h jh

Chiều dày thân dầm, chiều cao dầm, cánh tay đòn.
n
l

Nhịp dầm.

;
x y

Lực cắt và lực cắt gây ra do các tải trọng nhân hệ số
nt
F

Cờng độ của thanh giằng.
st
A

Diện tích cốt thép trong thanh giằng chịu kéo.
n
F

Khả năng chịu lực của thanh giằng hoặc vùng nút thủy tĩnh.
u
F

Lực tác dụng tại thanh chống, giằng hoặc nút.

ns
F

Khả năng chịu lực của thanh chống.
c
A

Diện tích mặt cắt ngang hiệu quả tại đầu mút của thanh chống theo
phơng vuông góc với trục thanh.
'
s
A

Diện tích cốt thép chịu nén trong thanh chống.

Danh mục các bảng
Bảng 2.1: Cờng độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong thanh chống 53

Bảng 2.2: Cờng độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong vùng nút 56

Bảng 3.1:
ứ
ng suất
x

trên 1/2 nhịp dầm 62

Bảng 3.2:
ứ
ng suất

y

trên 1/2 nhịp dầm 63

Bảng 3.3:
ứ
ng suất
x

trên 1/2 nhịp dầm 74

Bảng 3.4:
ứ
ng suất
y

trên 1/2 nhịp dầm 75


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ khung chịu lực 14
Hình 1.2 14
Hình 1.4 15
Hình 1.5: Các sơ đồ tờng chịu lực 15
Hình 1.6: Các dạng tờng cứng thông dụng 16

8

Hình 1.7 16
Hình 1.8: Hộp tờng có dạng mạng 18

Hình 1.10 19
Hình 1.11 21
Hình 1.12 22
Hình 1.13 23
Hình 1.14: Dầm cao đỡ cột vách 24
Hình 1.15: Dầm cao đỡ các tầng nhà bên trên 24
Hình 1.16: Một dạng ứng dụng của dầm cao 25
Hình 1.17: Dầm cao bê tông cốt thép thờng 26
Hình 1.18: Dầm cao bê tông cốt thép dự ứng lực 27
Hình 1.19: Dầm cao bằng kết cấu thép 27
Hình 1.20: Quỹ đạo ứng suất 28
Hình 1.21: Dầm cao chịu tải trọng mép đáy 29
Hình 2.1: Mô hình dầm cao khoét lỗ chữ nhật chịu tải tập trung giữa nhịp 40
Hình 2.2: Mô hình dầm cao không khoét lỗ chịu 2 tải tập trung. 40
Hình 2.3: Mô hình dầm cao không khoét lỗ chịu 2 tải tập trung và phân bố 40
Hình 2.4: Mô hình dầm cao khoét lỗ nhiều nhịp 41
Hình 2.5: Một dạng biểu đồ ứng suất

x
41
Hình 2.6: Một dạng biểu đồ ứng suất

y
41
Hình 2.7: Các vùng B và vùng D 42
Hình 2.8: Thanh chống hình lăng trụ, hình quạt và hình chai 44
Hình 2.9: Phân loại nút 45
Hình 2.10: Vùng nút thuỷ tĩnh (a) CCC và (b) CCT 46
Hình 2.11: Vùng nút mở rộng (a) một lớp cốt thép (b) nhiều lớp cốt thép 46
Hình 2.12: Vùng chịu nén và quạt chịu nén 47

Hình 3.1: Dầm cao chịu một lực tập trung 61
Hình 3.2: Sơ đồ kết cấu 61
Hình 3.3: Sơ đồ kết cấu trong Sap 61
Hình 3.4: Biểu đồ
x

62

9

Hình 3.5: Biểu đồ biểu diễn
x

trên 1/2 nhịp dầm 62
Hình 3.6: Biểu đồ
y

63
Hình 3.7: Biểu đồ biểu diễn
y

trên 1/2 nhịp dầm 63
Hình 3.8: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smax 64
Hình 3.9: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smin 64
Hình 3.10: Biểu đồ biểu diễn
xy

65
Hình 3.11: Bố trí cốt thép cho dầm cao chịu một lực tập trung
Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp PTHH 67

Hình 3.12: Sơ đồ tính toán 69
Hình 3.13: Mô hình chống-giằng theo tỷ lệ 70
Hình 3.14: Bố trí cốt thép cho dầm cao chịu một lực tập trung
Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp chống-giằng 72
Hình 3.15: Dầm cao chịu hai lực tập trung 73
Hình 3.16: Sơ đồ kết cấu 73
Hình 3.17: Sơ đồ kết cấu trong Sap 73
Hình 3.18: Biểu đồ
x

74
Hình 3.19: Biểu đồ biểu diễn
x

trên 1/2 nhịp dầm 74
Hình 3.20: Biểu đồ
y

75
Hình 3.21: Biểu đồ biểu diễn
y

trên 1/2 nhịp dầm 75
Hình 3.22: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smax 76
Hình 3.23: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smin 76
Hình 3.24: Biểu đồ biểu diễn
xy

77
Hình 3.25: Bố trí cốt thép cho dầm cao chịu một lực tập trung

Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp chống-giằng 80
Hình 3.22: Chọn mô hình chống giằng cho dầm 81
Hình 3.23: Sơ đồ đặt lực trong đoạn đầu dầm cao 82
Hình 3.24: Bố trí cốt thép cho dầm cao chịu hai lực tập trung
Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp chống-giằng 84



10

Phần i:
Phần mở đầu
1. Lý do chọn đề tài đề tài:
Trong những năm gần đây, việc thiết kế, thi công nhà cao tầng không còn mới
mẻ với chúng ta. Từ những năm 1990, cùng với sự phát triển kinh tế, do nhu cầu về
nhà ở, dịch vụ, các công trình công cộng nên vấn đề thiết kế, thi công nhà cao tầng
đã bắt đầu du nhập vào Việt Nam.
Qua gần 20 năm phát triển, hiện nay có thể nói nhà cao tầng đang trong giai
đoạn phát triển rầm rộ ở nớc ta.
ở
nớc ta hiện nay quy mô, chiều cao của nhà cao
tầng cũng rất đa dạng, nó phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, tổng mức đầu t của các
nhà đầu t, quy định của Sở quy hoạch kiến trúc các địa phơng

Các chung c
thuần tuý cao từ 15-30 tầng nh khu đô thị mới Trung Hoà Nhân Chính, khu đô thị
mới Nam Trung Yên , khu đô thị mới Bắc Linh Đàm Các hỗn hợp văn phòng cho
thuê và chung c thờng cao từ 20-34 tầng nh khu đô thị mới Trung Hoà Nhân
Chính, khu đô thị mới Mỹ Đình, toà nhà Thuận Kiều (Thành Phố Hồ Chí Minh)
Thậm chí có các toà nhà đang xây dựng cao tới 65 tầng (toà nhà Landmark -Liễu

Giai -Hà Nội ), cao tới 70 tầng (toà nhà Keangnam - đờng Phạm Hùng - Hà Nội)
Tuy nhiên mỗi hình thức kiến trúc hay mỗi hệ kết cấu nó thờng chỉ phù hợp với
một dạng công năng, nhu cầu sử dụng cụ thể.
Một thực tế đang tồn tại đó là xu hớng nhà ở hỗn hợp, đó là trong nhà cao tầng
sử dụng các tầng hầm làm garage để xe, một vài tầng tiếp theo để làm dịch vụ nhà
hàng, siêu thị cần những không gian lớn. Mặt khác tại các căn hộ cũng cần có
những không gian hiệu quả hơn. Và nh vậy không phải hệ kết cấu nào cũng có thể
phù hợp một cách hiệu quả với vấn đề nói trên. Hệ kết cầu có sử dụng dầm cao đỡ
cột, đỡ vách tỏ ra rất u việt trong vấn đề này.
Kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu đợc dùng phổ biến nhất trong ngành
xây dựng hiện nay. Lý thuyết tính toán và thiết kế các loại cấu kiện bê tông cốt thép
cơ bản nh dầm, cột, bản sàn đợc đề cập trong rất nhiều tài liệu chuyên ngành và
đợc quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam cũng nh của nớc ngoài.

11

Việc nghiên cứu tính toán các cấu kiện dầm có chiều cao lớn với nhiều mô hình
và phơng pháp đã đợc thực hiện, ứng dụng nhiều ở Đức và các nớc Châu Âu.
Những kết quả nghiên cứu bằng phơng pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng mô hình
chống-giằng đã đợc ghi nhận và từng bớc đa vào tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê
tông cốt thép của ACI - Hoa Kỳ. Tuy nhiên trong thực tế, việc tính toán thiết kế theo
phơng pháp này còn ít đợc thảo luận trong các tài liệu của Việt Nam và cha đợc
đề cập tới trong tiêu chuẩn thiết kế công trình bê tông cốt thép TCVN 5574:1991.
Xuất phát từ những lý do trên mà tác giả lựa chọn và nghiên cứu đề tài này.
2. Mục đích nghiên cứu:
Từ việc nghiên cứu đề tài, tác giả mong muốn bổ sung nâng cao kiến thức và
tìm hiểu sâu hơn về kết cấu dầm cao trong nhà cao tầng. Qua đó có cái nhìn đầy đủ
hơn về dầm cao, từ phạm vi sử dụng, đến lựa chọn phơng án tính toán cấu tạo sao
cho hiệu quả nhất.
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tợng nghiên cứu trong phạm vi luận văn là dầm cao BTCT một nhịp, chịu
tải tập trung. Về mặt lý thuyết tác giả sử dụng các nghiên cứu của phơng pháp số,
các tài liệu thiết kế kết cấu theo tiêu chuẩn ACI. Còn trong tính toán thực hành có sử
dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap-v9.03 để tính toán cho các cấu kiện dầm cao.
4. Nội dung nghiên cứu:
Dùng phơng pháp phần tử hữu hạn để tìm trạng thái ứng suất, biến dạng của
một số cấu kiện dầm cao một nhịp, nhiều nhịp, không khoét lỗ, có mở lỗ. Sau đó vẽ
các quy luật phân bố ứng suất - biến dạng. Từ trờng ứng suất - biến dạng của dầm
cao, tính toán và cấu tạo thép hợp lý, so sánh, đánh giá kết quả.
Trong phơng pháp chống - giằng, đa ra mô hình mô tả chịu lực. Tính toán nội
lực với các dạng dầm cao nh trong phơng pháp phần tử hữu hạn, sau đó tính toán
và bố trí cốt thép.
So sánh u nhợc điểm của 2 phơng pháp trên trong từng trờng hợp, và nêu
nên phạm vi ứng dụng của từng phơng pháp.

12

5. Hớng kết quả nghiên cứu:
Phơng pháp Phần tử hữu hạn là cơ sở để xây dựng các phần mềm tính toán kết
cấu hiện nay nh Sap, Etab,

Về lý thuyết tính toán phơng pháp này rất cồng
kềnh, phức tạp và khó có thể giải quyết bằng tay nếu có nhiều phần tử. Nhng ngày
nay với sự trợ giúp của máy tính, các phần mềm chuyên ngành thì đây là phơng
pháp u việt có thể giải quyết tất cả và trọn vẹn các bài toán kết cấu công trình.
Phơng pháp chống giằng giúp cho các kĩ s kết cấu có một cái nhìn đầy đủ và
toàn diện về quá trình làm việc của dầm cao. Tuy nhiên đây là cách tính mang nhiều
tính lý thuyết và chỉ dừng ở mức độ giải quyết các kết cấu dầm cao đơn giản. Đối
với các trờng hợp phức tạp hơn ( dầm nhiều nhịp, có mở lỗ,

) phơng pháp này
cha có lời giải cụ thể.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài tổng kết quá trình nghiên cứu, tính toán dầm cao bê tông cốt thép. Qua
đó phần nào giúp ngời thiết kế có cái nhìn đợc đầy đủ hơn về dầm cao - một loại
cấu kiện ngày càng xuất hiện nhiều hơn trong giải quyết các bài toán về nhà cao
tầng hiện nay. Công việc tính toán các kĩ s chủ yếu đợc thực hiện bằng các phần
mềm chuyên ngành (theo phơng pháp phần tử hữu hạn ), nhng khi triển khai trên
bản vẽ thi công thì những nội dung của phơng pháp chống - giằng sẽ giúp cho việc
bố trí thép đợc rõ ràng, kinh tế.










13

Phần II:

nội dung luận văn

Chơng 1:
Tổng quan hệ thống kết cấu nhà cao tầng
Và dầm cao bê tông cốt thép

1.1. Tổng quan hệ thống kết cấu nhà cao tầng.
1.1.1. Các cấu kiện chịu lực cơ bản: [1]
Các cấu kiện chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao tầng bao gồm:
- Cấu kiện dạng thanh
: cột, dầm, thanh chống, giằng.
- Cấu kiện dạng phẳng
: Tấm tờng, tấm sàn (tấm phẳng hoặc tấm có sờn).
- Cấu kiện dạng hộp.
Trong nhà cao tầng, sàn các tầng, ngoài khả năng chịu uốn do tải trọng thẳng
đứng, còn phải có độ cứng lớn để không bị biến dạng trong mặt phẳng khi truyền tải
trọng ngang vào cột, vách, lõi nên còn gọi là những sàn cứng (tấm cứng).
1.1.2. Các hệ kết cấu nhà cao tầng.
Tuỳ theo chiều cao của công trình, hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng có nhiều
phơng án cấu tạo khác nhau. Nhiệm vụ thiết kế kết cấu là lựa chọn ra một giải pháp
kết cấu hợp lý nhằm thoả mãn những yêu cầu nói trên, riêng về tính toán kết cấu cần
bảo đảm trớc hết là cờng độ và chuyển vị ngang tại đỉnh công trình cũng nh các
gia số chuyển vị ngang giữa các mức sàn tầng. Về cơ bản, hệ kết cấu nhà cao tầng
chia ra các loại chính nh sau:
1.1.2.1. Hệ kết cấu cơ bản: [1] , [8]
a. Hệ khung chịu lực:
Hệ kết cấu khung đợc tạo thành từ các cấu kiện đứng (cột) và các cấu kiện nằm
ngang (dầm), chúng liên kết cứng với nhau tại điểm giao nhau (nút) (
hình 1.1.a).
Trong các nhà khung, các khung phẳng lại liên kết với nhau qua các dầm ngang
tạo thành khung không gian có mặt bằng vuông, chữ nhật, tròn hay đa giác (
hình
1.1.b, c, d, e)

14

b) c)
d)
a)
e)
cột
dầm
nút
b) c)a)









Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ khung chịu lực
Dới tác dụng của tải trọng (gồm tải trọng đứng và tải trọng ngang) thì khung
chịu lực đợc nhờ vào khả năng chịu cắt và chịu uốn của các thanh
(hình 1.2)
.
Khả năng chịu lực của khung phụ thuộc không những vào khả năng chịu tải riêng
biệt của các cấu kiện thanh mà còn phụ thuộc vào độ cứng liên kết nút khung.

Chuyển vị ngang tổng thể của khung cứng gồm hai phần riêng biệt:
- Chuyển vị ngang do uốn khung, khi ta coi khung nh một thanh công son.
Chuyển vị ngang nói trên có đợc là do sự dãn dài và co ngắn của các cột khi chịu
momen lật (nó chiếm khoảng 20% tổng chuyển vị ngang của toàn nhà)
(hình 1.3.b)

.
- Chuyển vị ngang do uốn các thanh thành phần. Chuyển vị này có đợc là do lực
trợt đứng, lực trợt ngang tác dụng lên cột, dầm gây ra mô men uốn trong chúng
(nó chiếm khoảng 80% tổng chuyển vị ngang của toàn nhà, trong đó 65% do biến
dạng dầm, 15% do biến dạng cột)
(hình 1.3.c).







Hình 1.2 Hình 1.3: Chuyển vị ngang của khung

15

Về tổng thể, biến dạng ngang của khung cứng thuộc loại biến dạng cắt. Để tăng
độ cứng ngang của khung, có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một số nhịp trên
suốt chiều cao của nhịp (
hình 1.4.a)
và thêm các dàn ngang
(hình 1.4.b)
nếu cần. Độ
cứng có thể tăng 30%.

Hình 1.4
Hệ kết cấu khung có khả năng tạo ra các không gian lớn, linh hoạt, thích hợp với
các công trình công cộng. Hệ kết cấu khung có sơ đồ làm việc rõ ràng dễ kiểm soát
trong khâu tính toán thiết kế.
Nhợc điểm chính là ở chỗ do độ cứng kháng uốn thấp theo phơng ngang dẫn
đến kém hiệu quả khi chiều cao của công trình là lớn. Trong thực tế, kết cấu khung
bê tông cốt thép đợc sử dụng cho các công trình có chiều cao đến 20 tầng (đối với
động đất cấp 7); 15 tầng (đối với động đất cấp 8); 10 tầng (đối với động đất cấp 9).
b. Hệ tờng chịu lực:
Trong hệ kết cấu này các cấu kiện thẳng đứng chịu lực của nhà là các cấu kiện
tờng phẳng. Căn cứ vào cách bố trí các tấm tờng chịu tải trọng đứng (làm gối tựa
cho sàn) mà nhà đợc chia thành các sơ đồ sau:
Tờng dọc chịu lực
: Hệ tờng phẳng đặt dọc theo chiều dài nhà
(Hình 1.5.a)
Tờng ngang chịu lực
: Hệ tờng phẳng đặt theo phơng cạnh ngắn ngôi nhà
Tờng ngang và tờng dọc cùng chịu lực
:
(Hình 1.5.c)



Hình 1.5: Các sơ đồ tờng chịu lực

a) b)

a) b) c)

16

Trong nhà có tờng chịu lực, khi có tải trọng ngang tác động vào ngôi nhà thì các
tờng song song với phơng tác dụng của tải trọng đợc coi là các tờng cứng và
ngoài việc chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng nó còn chịu lực trợt do tải trọng
ngang gây ra.
Cách ứng xử của tờng cứng khi chịu tải trọng ngang lớn phụ thuộc vào dạng
mặt bằng của tờng, lực quán tính xuất hiện khi tờng bị uốn.





Hình 1.6: Các dạng tờng cứng thông dụng
Trong hệ kết cấu tờng chịu lực thì bản thân các tờng hay bị khoét lỗ để phục
vụ cho giao thông (cửa thang máy, cửa đi, cửa sổ). Chính kích thớc, vị trí các lỗ
cửa này nó ảnh hởng tới sự làm việc của tờng. Nhng nếu nh khối lợng lỗ cửa,
kích thớc lỗ cửa là không lớn lắm thì có thể coi nh tờng đặc. Và các lỗ cửa nên
tạo ra trên một đờng thẳng.
c. Hệ có lõi cứng chịu lực:
Lõi có vỏ hộp rỗng, tiết diện kín hoặc hở.
ở
sơ đồ này, nó là bộ phận duy nhất
nhận toàn bộ tải trọng đứng và ngang tác động lên công trình và truyền chúng xuống
nền. Phần không gian bên trong lõi sẽ bố trí các thiết bị vận chuyển theo phơng
đứng ( thang máy, cầu thang ), các đờng ống kỹ thuật: cấp thoát nớc, điện
Hình dạng, số lợng, cách bố trí các lõi cứng chịu lực trong mặt bằng nhà rất đa
dạng. Sau đây là một vài loại bố trí lõi cứng
(Hình 1.7)

.
Nhà có thể lõi tròn, hình chữ nhật, tam giác và có thể kín hay hở. Nhà có một lõi
hay nhiều lõi, lõi nằm trong nhà, theo chu vi nhà hoặc ngoài nhà.



Hình 1.7

17

Lõi cứng có thể xem nh một công son lớn thẳng đứng. Trong lõi sẽ phát sinh ra
các ứng suất do uốn, cắt và xoắn tơng tự nh ở thành hộp kín.
Phản ứng ở lõi khi chịu tải trọng ngang phụ thuộc vào hình dáng, độ cứng và mức
độ đồng nhất của nó cũng nh hớng tác động của tải trọng. Thờng thì dọc theo
chiều cao có nhiều lỗ cửa, biến dạng tổng thể của lõi cứng phụ thuộc vào kích thớc
và số lợng các lỗ cửa.
Đối với nhà chỉ có một lõi cứng, tuỳ thuộc vào cách truyền tải sàn vào lõi mà có
thể chia thành các sơ đồ sau đây: Công son, ê ke, giá đỡ và treo.
ở
sơ đồ công son, bản sàn đợc ngàm trực tiếp vào lõi tựa hoặc treo vào các dầm
công son nhô ra từ lõi có chiều cao đúng bằng một tầng. Những ứng suất xuất hiện
trong lõi do uốn và trợt gây ra tơng tự nh ứng suất trong hộp kín không bị biến
dạng trong mặt phẳng của cấu kiện.
ở
sơ đồ eke khác với sơ đồ công son, các dầm đỡ sàn liên kết lại với nhau tạo
thành các dầm tờng công son lớn. Do độ cứng lớn của các dầm này nên sơ đồ êke
làm việc tốt hơn sơ đồ trớc. Đối với nhà có nhiều lõi, tuỳ theo cách giải quyết gối
tựa sàn mà phân thành các sơ đồ sau: dầm công son, cầu và giá đỡ.
Hệ kết cấu lõi cứng đợc dùng cho các công trình xây dựng trong vùng có điều
kiện địa chất phức tạp (xử lý nền móng trong phạm vị hẹp). Ngoài ra khi có động

đất, do nhà có độ cứng ngang bé nên tải trọng do động đất gây ra có độ lớn nhỏ hơn
so với các công trình thuộc các hệ kết cấu khác có cùng kích thớc.
d. Hệ hộp chịu lực:

Hộp trong nhà cũng giống nh lõi, hợp thành từ các tờng đặc hoặc có lỗ cửa.
Hộp ngoài biên có diện tích mặt phẳng lớn, đợc tạo thành từ các cột có khoảng
cách nhỏ liên kết với nhau bởi các thanh ngang hoặc thanh chéo có chiều cao lớn
theo phơng ngang hoặc chéo tạo nên những mặt nhà dạng khung - lới, có hình
dáng phù hợp với các giải pháp kiến trúc mặt đứng.
Trong phần tính toán ngời ta giả thiết rằng: khi chịu tải trọng ngang, những kết
cấu phía bên ngoài đợc xem nh một thanh công son kín hoàn chỉnh có mặt cắt

18

~1,5m
~1,5m
hình hộp. Phần hộp ngoài chịu toàn bộ hay phần lớn tải trọng gió tác động vào công
trình. Về kết cấu hộp đợc chia ra làm các loại kết cấu chính.
Hộp có dạng lới không gian không thanh chéo:
Hệ kết cấu này thực chất đợc phát triển từ hệ kết cấu cổ điển khung cứng trong
nhà cao tầng. Hộp phía ngoài đợc tạo ra bởi hệ thống lới cột và dầm rất dày
(hình
1.8)
. Sơ đồ loại này nâng cao đợc độ cứng theo phơng ngang và độ cứng khi chịu
xoắn cũng nh hạn chế đợc độ võng theo mặt bằng phía trong nhà.
Tuy nhiên đặc trng làm việc thực tế của hệ kết cấu này nằm trung gian giữa sơ
đồ biến dạng của ngôi nhà nh công son chịu uốn và hệ khung đơn giản. Các mặt
của hộp song song với hớng gió, có tác dụng làm việc nh những khung cứng
nhiều nhịp, nó làm việc độc lập ứng với độ võng nhất định của dầm đỡ. Độ võng này
gây ra do méo hệ vì trợt hay còn gọi là sự vênh khi trợt. Khi đó các cột và dầm bị

uốn. Thực chất nó làm việc giống nh đối với kết cấu khung cứng (độ võng theo
phơng ngang đợc xác định bởi hai thành phần gồm một phần do uốn khung khi ta
xem chúng làm việc nh một thanh công son, phần thứ hai là do dầm và cột bị uốn).
ảnh hởng của sự vênh tiết diện đến sự làm việc của hộp kín chính là có sự phân
phối phi tuyến tải trọng dọc trục đến các cột, chính vì vậy mà cột góc chịu tải trọng
nhiều hơn cột giữa
(hình 1.9).







Hình 1.8: Hộp tờng có dạng mạng Hình 1.9
lới không có thanh chéo.

19

Ngoài ra thì dạng tổng thể của ngôi nhà ở dạng kết cấu này không còn giống nh
chiếc dầm công son chịu uốn nữa vì biến dạng trợt đã tăng lên. Sơ đồ kết cấu dạng
này chỉ phù hợp cho những ngôi nhà cao đến 60 tầng (đối với kết cấu khung bê tông
cốt thép) và 80 tầng (đối với kết cấu khung thép).
Hộp có dạng mạng lới không gian có thanh chéo:
Nhợc điểm của kết cấu hộp thứ nhất (hộp có dạng mạng lới không gian không
có thanh chéo) là độ mềm của dầm đỡ.
Độ cứng của nó sẽ thực sự nâng cao khi ta đặt thêm các thanh chéo. Khi đó lực
trợt sẽ đợc cả hai thành phần cùng tham gia chịu đó là các thanh bao xung quanh
và các thanh chéo. Các thanh chéo chịu các lực dọc. Và giờ đây khi đã làm giảm
đợc biến dạng trợt thì công trình lại làm việc nh một mô hình công son chịu uốn.

Nó thể hiện qua chuyển vị ngang của ngôi nhà: Vỏ hộp ngoài dạng mạng lới
không gian không có thanh chéo
(hình 1.10 a)
; Vỏ hộp ngoài dạng mạng lới không
gian có thanh chéo
(Hình 1.10 b).









Hình 1.10a Hình 1.10b
Hộp có mạng lới bằng cột và các thanh chéo:
Hệ này có đợc là do ta đa thêm các thanh chéo vào lới chữ nhật của cột và
dầm. Cùng với các dầm đỡ, các thanh chéo đảm bảo độ cứng khi chịu tải trọng
ngang. Các thanh chéo không những chịu phần lớn tải trọng gió mà còn đóng vai trò
nh những công son chịu tải trọng đứng.
Hệ kết cấu này có khả năng phân bố tải trọng tập trung cho toàn bộ công trình.
Các dầm đỡ chịu tải trọng thẳng đứng giữa các cột và đóng vai trò ngăn cản biến

20

dạng trong mặt phẳng của sàn. Do vậy mà nó làm tăng lên hiệu quả của các thanh
chéo chính nhờ sự phân bố tải trọng tập trung. Nó phù hợp với các công trình rất cao
tới 100 tầng (đối với khung bằng thép).
Hộp mạng lới bằng các cấu kiện đặt theo các đờng chéo:

Trong hệ kết cấu này các thanh chéo đợc đặt sát nhau, không hề có cấu kiện
thẳng đứng. Và nh vậy các thanh chéo đóng vai trò chịu toàn bộ tải trọng thẳng
đứng giống nh các cột nghiêng. Nó làm tăng độ cứng khi công trình chịu tải trọng
ngang.
Tuy nhiên hệ kết cấu này có một đặc điểm đó là việc truyền tải trọng xuống
móng công trình không đợc tốt và hiệu quả nh cột thẳng đứng, hơn nữa hệ kết cấu
này gây khó khăn cho việc tạo ra các ô cửa sổ. Vì vậy hệ kết cấu này về sau gần nh
không còn đợc áp dụng nữa.
1.1.2.2. Hệ kết cấu hỗn hợp.
a. Hệ khung tờng chịu lực:
Hệ này có hai sơ đồ sau:
Sơ đồ giằng:
Khi các liên kết giữa cột và dầm là khớp.
ở
sơ đồ này, khung chỉ
chịu một phần tải trọng thẳng đứng tơng ứng với diện tích truyền tải đến nó, còn
toàn bộ tải trọng ngang do hệ tờng chịu lực chịu, sự làm việc của nhà tơng tự nh
hệ tờng chịu lực khi chịu tải trọng ngang.
Sơ đồ khung - giằng:
Khi các cột liên kết cứng với dầm.
ở
sơ đồ này khung cùng
tham gia chịu tải trọng đứng và ngang với tờng. Tính chất làm việc của sơ đồ này
tơng tự nh hệ khung cứng có giằng đứng.


b. Hệ khung - lõi chịu lực:
Cũng đợc chia làm hai sơ đồ làm việc giống với sơ đồ khung - tờng chịu lực.
Một trờng hợp cột liên kết khớp với dầm, một trờng hợp là liên kết cứng.
c. Hệ khung - hộp chịu lực:

Hệ này có thể đợc thiết kế theo hai sơ đồ nh các hệ hỗn hợp trên.
ở
sơ đồ
giằng với khung khớp, tải trọng ngang sẽ gây ra các chuyển vị dọc khác nhau giữa
cột bên trong và hộp bên ngoài. Độ chênh lệch chuyển vị dọc sẽ làm cho các vách

21

ngăn bị nứt và gây rối loạn các liên kết. Để tránh hiện tợng này cần phải thiết kế
thêm các dàn ngang ở một số cao trình nhà nh hệ khung chịu tải. Các dàn cứng
ngang này cũng sẽ làm tăng hiệu quả của hệ hỗn hợp sơ đồ khung giằng khi khung
cứng tham gia chịu tải trọng ngang với vỏ hộp.
e. Hệ hộp - tờng chịu lực:
ở
hệ hỗn hợp này, các tấm tờng chịu tải đợc bố trí bên trong hộp và cũng tham
gia chịu tải (đứng và ngang) cùng với vỏ hộp. Hệ này có các sơ đồ sau: hộp - tờng
ngang chịu tải, hộp - tờng dọc chịu tải và hệ hộp - tờng dọc, ngang chịu tải.
f. Hệ hộp - lõi chịu lực:
Hệ này còn có tên là ống trong ống.
ở
hệ hỗn hợp này các hộp (ngoài) và lõi
(trong) đều tham gia chịu tải trọng đứng và ngang. Các bản sàn liên kết hai bộ phận
chịu lực này lại và chúng sẽ làm việc nh một hệ duy nhất khi tải trọng ngang xuất
hiện.
Tính chất phản ứng của hệ ống trong ống khi chịu tải trọng ngang tơng tự nh
hệ khung - giằng. Từ
(hình 1.11)
cho thấy phần hộp ngoài chịu phần lớn tải trọng
ngang ở phía trên nhà, trong khi đó phần lõi cứng lại chịu phần lớn tải trọng ngang ở
phía dới nhà.

Hình 1.11
g. Hệ tờng - lõi chịu lực:
Trong hệ kết cấu này phần lõi chịu lực đợc bố trí bên trong nhà còn các tấm
tờng đợc bố trí ngoài nhà, vừa làm nhiệm vụ phân chia không gian vừa làm nhiệm


22

B
B
L L
Sàn tầng điển hình
Ba khối kín bộ phận đáy
L L
vụ chịu tải. Tính chất làm việc của hệ hỗn hợp này tơng tự nh trong các hệ thành
phần.
Ngoài các hệ hỗn hợp nói trên, trong thực tế còn có thể gặp các hệ tạo thành từ
ba hoặc thậm chí bốn hệ cơ bản. Ví dụ: hệ hộp khung - lõi chịu lực, hệ hộp khung -
tờng chịu lực
1.1.2.3. Hệ kết cấu tạo không gian lớn.
a. Hệ kết cấu khung đỡ vách.
Hệ kết cấu vách cứng với không gian mở là sự làm việc chung của hệ vách cứng
(ngàm vào móng) và hệ khung. Tại không gian mở hệ vách cứng và hệ khung cùng

làm việc kháng tải trọng ngang. Do hệ khung vách ở tầng trệt hình thành không gian
lớn, để đáp ứng với các yêu cầu công năng kiến trúc, mấy năm gần đây, dới tầng
trệt thì làm kinh doanh bách hoá, các tầng trên làm nhà, văn phòng cho thuê, khách
sạn đã đợc ứng dụng tơng đối rộng rãi. Cơ bản có thể phân thành 2 loại sau:
- Hệ kết cấu dạng tờng:
Tầng trệt là hệ khung và vách cứng (ngàm vào móng)
hợp thành không gian lớn, bộ phận ở trên là những vách cứng thông thờng, vách
cứng kiểu xơng cá, một ít vách dọc theo chiều dài kết cấu v.v
(hình 1.12).









Hình 1.12
- Hệ kết cấu dạng lõi:
Bộ phận đáy là sự kết hợp giữa hệ khung và lõi cứng
(ngàm vào móng), bộ phận trên là những hệ vách cứng tạo thành không gian nhỏ
hoặc lớn
(hình 1.13)
.


23

Hình 1.13
Một số yêu cầu về bố trí các loại hình kết cấu tờng lực cắt không gian mở tầng
trệt nh sau:
- Trong hệ kết cấu loại này cần phải có một số vách cứng , tức là không đợc
dùng toàn bộ chỉ có hệ khung chịu lực ở tầng trệt.
- Loại kết cấu này dùng thích hợp cho các công trình có độ cao là:
+ Thiết kế không có động đất là 120m.
+ Khi thiết kế có động đất: với 6 độ (Rich-ter) là 120m - đến 40 tầng, 7 độ là
100m - đến 30 tầng, 8 độ là 80m- đến 25 tầng, 9 độ thì không nên sử dụng.
- Loại kết cấu này nên tuân thủ một số nguyên tắc thiết kế cơ bản của hệ kết
cấu vách cứng kết hợp khung, nh quy tắc đơn giản tìm lực mặt bằng kháng tải
trọng ngang phải bố trí theo 2 phơng đồng, thời phải liên tục v.v
b. Hệ kết cấu có hệ thống dầm cao:
Khi các tầng bên dới đợc sử dụng với mục đích cần những không gian lớn, các
cột đợc bố trí tha còn các tầng bên trên lới cột đợc bố trí dày thì hệ kết cấu có
sử dụng dầm cao tỏ ra hữu hiệu.
Bớc cột bị thay đổi cùng sự xuất hiện của dầm cao với độ cứng rất lớn làm cho
sự làm việc của kết cấu trở nên phức tạp. Hệ kết cấu cần đợc tính toán theo sơ đồ
không gian. Khi chịu tác động của tải trọng ngang, các cột đỡ dầm chuyển chịu các
momen rất lớn và thờng bị phá hủy ở vị trí này. Để khắc phục, cần tăng độ cứng
của cột phía dới dầm cao hoặc cấu tạo liên kết khớp ở vị trí giữa dầm cao và cột
nhằm chịu các biến dạng xoay lớn.
Hệ kết cấu có hệ thống dầm cao dần trở nên phổ biến trong kết cấu nhà cao tầng.
Dầm cao làm việc không nh các dầm thờng khác. Cách tính phổ biến hiện nay là
dùng mô hình chống-giằng, hay phơng pháp phần tử hữu hạn.

Sàn tầng điển hìnhLõi kín bộ phận đáy