Bài giảng kết cấu nhà cao tầng TS nguyễn hữu anh tuấn

21/11/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM
TS. NGUYỄN HỮU ANH TUẤN

KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

30 TIẾT – PHẦN CƠ BẢN

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Bungale S. Taranath (2010). Reinforced Concrete Design of Tall Buildings, CRC Press.
Bungale S. Taranath (1998). Steel, Concrete and Composite Design of Tall Buildings, McGraw-Hill.
Lê Thanh Huấn (2007). Kết cấu nhà cao tầng BTCT, NXB Xây Dựng.
Nguyễn Lê Ninh (2007). Động đất và thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây Dựng.
Triệu Tây An (1996). Hỏi-đáp thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng, NXB Xây Dựng.
TCVN 2737:1995. Tải trọng và tác động.
TCXD 229:1999. Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió.

TCXD 375:2006. Thiết kế công trình chịu động đất.
TCXD 198:1997. Nhà cao tầng-Thiết kế kết cấu BTCT toàn khối.
Wolfgang Schueller (1986), High-Rise Building Structures, Krieger Pub Co.
Mir M. Ali & Kyoung Sun Moon (2007). Structural Developments in Tall Buildings: Curent Trends
and Future Prospects, Architectural Science Review, Vol 50.3.
Anil K. Chopra (1995). Dynamic of Structures – A Primer, Earthquake Engineering Research Institute
Cement and Concrete Association of Australia (2003). Guide to Long-Span Concrete Floors

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

1


21/11/2014

Bài 1. Tổng quan
Bài 2. Các hệ kết cấu sàn BTCT (ôn tập)
Bài 3. Các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang
Bài 4. Khái niệm về động lực học kết cấu nhà nhiều tầng
Bài 5. Tải trọng và tác động. Tải trọng gió
Bài 6. Tác động động đất
Bài 7. Các phương pháp tính toán gần đúng kết cấu nhà nhiều tầng
Bài 8. Tính toán và cấu tạo các bộ phận chịu lực bằng BTCT
Bài 9. Một số chủ đề đặc biệt

BÀI 1

TỔNG QUAN

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

2


21/11/2014

Định nghĩa, quy ước về NCT
Không có quy định duy nhất về chiều cao, số tầng là bao nhiêu thì được gọi
là cao tầng!
Tương quan chiều cao nhà với các công
trình lân cận
Một nhà 14 tầng có thể không được xem là
cao tầng ở một thành phố với nhiều nhà chọc
trời như Chicago hay Hongkong, nhưng nó
được xem là cao ở vùng ngoại ô hay nội
thành của một thành phố ở Việt Nam.
Tỷ lệ
Có nhiều công trình không cao lắm nhưng
lại khá mảnh để có hình dáng như một nhà
cao tầng. Ngược lại, có nhiều công trình có
mặt bằng phần đế rất rộng, có thể không
giống như “nhà cao tầng” mặc dù chúng
có chiều cao khá lớn.

Định nghĩa, quy ước về NCT
Công nghệ liên quan đến chiều cao
Nếu một tòa nhà cần những “công nghệ “
đặc biệt bởi vì chiều cao của nó, ví dụ hệ
thống vận chuyển đặc biệt theo phương
đứng, hay hệ giằng chống tải trọng gió;

thì nó có thể được xem là nhà cao tầng.
Mặc dù cách phân loại nhà dựa theo chiều
cao là không thích hợp lắm, ta có thể xem
nhà từ 14 tầng (50 m) trở lên là cao tầng.
Ngoài ra nhà siêu cao (supertall) là nhà
cao trên 300m, và nhà cực cao (megatall)
là nhà cao trên 600m.
[theo Ủy ban nhà cao tầng quốc tế CTBUH]

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

3


21/11/2014

Định nghĩa, quy ước về NCT
Có quan niệm cho rằng nhà được xem như là cao
khi việc thiết kế kết cấu của nó phải chuyển từ phân
tích tĩnh học sang phân tích động lực học. Ở
phương diện thiết kế kết cấu, có thể xem một công
trình là cao khi tải trọng ngang, đặc biệt là chuyển
vị lệch tầng, có ảnh hưởng đến việc phân tích và
thiết kế kết cấu.
Hoặc một tòa nhà đuợc xem là cao tầng nếu chiều
cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi
công và sử dụng khác với các ngôi nhà thông
thường.

Yêu cầu đối với thiết kế kết cấu NCT

•
•

•

•

•

•
•

Yếu tố quan trọng: tải trọng ngang
Hạn chế chuyển vị ngang. Nếu chuyển vị ngang lớn tăng nội lực do độ
lệch tâm của trọng lượng; hư hỏng các bộ phận phi kết cấu; khó bố trí
thiết bị; người có cảm giác khó chịu và hoảng sợ
Yêu cầu chống động đất: không hư hại khi động đất nhẹ; hư hại các bộ
phận không quan trọng khi động đất vừa; có thể hư hại nhưng không sụp
đổ khi động đất mạnh
kết cấu cần có độ dẻo và khả năng tiêu tán năng
lượng động đất
Giảm nhẹ trọng lượng bản thân
giảm tải trọng xuống móng; giảm tải
động đất kinh tế, an toàn
Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng vì kết cấu vốn có độ siêu tĩnh
cao quan tâm tương tác kết cấu thượng tầng –nền đất
Khả năng chịu lửa cao, dễ thoát hiểm
Yêu cầu độ bền, tuổi thọ cao

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

4


21/11/2014

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

5


21/11/2014

Sơ bộ chọn hệ kết cấu

Thép

Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan

Sơ bộ chọn hệ kết cấu

Bê tông

Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

6

21/11/2014

Bố trí kết cấu
Hình dạng mặt bằng
•
•
•
•

đơn giản, nên đối xứng, tránh dùng MB trải dài hoặc có các cánh mảnh.
MB hình chữ nhật: L/B ≤ 6 (với cấp phòng chống động đất ≤ 7).
MB gồm phần chính và các cánh nhỏ: chiều dài cánh và chiều rộng cánh nên
thỏa l/b ≤ 2 (với cấp phòng chống động đất ≤ 7).
Với cấp động đất 8 và 9: yêu cầu khắc khe hơn [tham khảo TCXD 198:1997]
B
L

l
b

b
l

Bố trí kết cấu
Bố trí mặt đứng
•
•
•

Đều hoặc thay đổi đều, giảm dần kích thước dần lên phía trên

Tránh mở rộng tầng trên hoặc nhô ra cục bộ bất lợi khi động đất
Không nên thay đổi trọng tâm và tâm cứng theo tầng nhà
H

B

H
B

Giới hạn tỷ số chiều cao/chiều rộng nhà (H/B)

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

(TCXD 198:1997)

7


21/11/2014

Bố trí kết cấu
Khe nhiệt, khe lún, khe khán chấn
•
•
•

•

•

Hạn chế dùng khe: cấu tạo móng khó khăn, xô đẩy giữa các khối khi công
trình dao động do động đất
Kết cấu khung-vách BTCT toàn khối: khoảng cách cho phép giữa hai khe co
giãn là 45m (tường ngoài liền khối) hoặc 65m (tường ngoài lắp ghép).
Khe lún: dùng khi có lệch tầng lớn, khi địa chất thay đổi phức tạp. Có thể
không dùng khe lún nếu công trình tựa trên nền cọc chống vào đá hoặc tầng
cuội sỏi; hoặc việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiện độ chênh lún giữa các
bộ phận nằm trong giới hạn cho phép.
Nhà có cánh dạng chữ L, T, U, H, Y … thường hay bị hư hỏng hoặc bị đổ
khi gặp động đất mạnh ⇒ bố trí khe kháng chấn tách rời phần cánh ra khỏi
công trình. Các khe kháng chấn phải đủ rộng để khi dao động các phần của
công trình đã được tách ra không va đập vào nhau
Chiều rộng của khe lún và khe kháng chấn
dmin = V1 + V2 + 20mm
V1, V2 là chuyển dịch ngang cực đại của 2 khối, tại đỉnh của khối thấp hơn

Bố trí kết cấu
Công trình Mexico City: một tầng nhà bị phá hoại hoàn toàn khi hai khối
nhà, có chiều cao và đặc trưng động lực học khác nhau, va đập vào nhau.
Sự chuyển động của nền đất gây nên những dao động khác nhau giữa các
khối công trình, tại những nơi có sự gián đọan kết cấu.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

8


21/11/2014

Bố trí kết cấu
Bậc siêu tĩnh, cách thức phá hoại
•
•

Thiết kế kết cấu với bậc siêu tĩnh cao có thể chỉ bị phá hoại ở một số
cấu kiện mà không sụp đổ khi chịu tải ngang lớn
Thiết kế sao cho khớp dẻo xảy ra ở dầm sau đó mới tới cột, phá hoại cấu
kiện xảy ra trước phá hoại nút, dầm bị phá hoại uốn trước khi phá hoại cắt

cột chảy dẻo trước dầm

dầm chảy dẻo trước cột

Nên làm cột khỏe hơn
dầm, và nút khung
khỏe hơn cột/dầm

Bố trí kết cấu
Phân bố độ cứng và cường độ theo phương ngang
• Bố trí độ cứng và cường độ đều đặn và đối xứng trên mặt bằng, tâm cứng

•
•
•

•
•
•

nên trùng hoặc gần trùng với tâm khối lượng để giảm thiểu biến dạng
xoắn do tải trọng ngang.
Bố trí hệ thống chịu lực ngang chính theo cả hai phương.
Các vách cứng theo phương dọc không không nên bố trí chỉ ở một đầu
nhà mà nên bố trí ở khu vực giữa nhà hoặc cả ở giữa nhà và hai đầu nhà.
Khoảng cách giữa các vách cứng: không quá 5B và 60m (cho công trình
không kháng chấn), 4B và 50m (kháng chấn cấp ≤7), 3B và 40m (kháng
chấn cấp 8), 2B và 30m (kháng chấn cấp 9).
Không nên chọn vách có khả năng chịu tải lớn nhưng số lượng ít; mà nên
phân đều ra trên mặt bằng
mỗi đơn nguyên có ít nhất có 3 vách cứng, trục ba vách không được đồng
quy
Chiều dày vách ≥ 150 mm và ≥ 1/20 chiều cao tầng

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

9


21/11/2014

Bố trí kết cấu

Bố trí kết cấu
Phân bố độ cứng và cường độ theo phương đứng
•

Tránh thay đổi độ cứng đột ngột. Độ cứng của kết cấu ở tầng trên phải không
nhỏ hơn 70% độ cứng của kết cấu ở tầng dưới kề với nó. Nếu 3 tầng giảm độ
cứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50% .

•

Trong trường hợp độ cứng kết cấu bị
thay đổi đột ngột, ví dụ khi giảm số
lượng cột/vách ở tầng dưới thì cần có
các giải pháp kỹ thuật đặc biệt.

Brunswick Building (Chicago): loads in
the closely spaced perimeter columns
are transferred through the transfer
beam to the widely spaced columns at
ground level
/>
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

10


21/11/2014

Các tiêu chí kiểm tra kết cấu BTCT
•

Tính toán và cấu tạo các cấu kiện theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

•

Kiểm tra ổn định chống lật cho nhà có H/B > 5:
moment gây lật: do tải trọng ngang (gió, động đất)

moment chống lật: do 90% tĩnh tải và 50% hoạt tải sử dụng
hệ số an toàn chống lật: ≥ 1.5

•

•

Kiểm tra độ cứng: chuyển vị ngang đỉnh nhà và chuyển vị lệch tầng
Khung BTCT:

f/H ≤ 1/500

Khung-vách:

f/H ≤ 1/750

Tường BTCT:

f/H ≤ 1/1000

Kiểm tra độ dao động:

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

amax ≤ 150 mm/s2

11


21/11/2014

BÀI 2
CÁC HỆ KẾT CẤU SÀN BTCT
PHỔ BIẾN
(ÔN TẬP)

Tổng quan
Chọn giải pháp ván khuôn đơn giản khi
lắp dựng và tháo dỡ, có tính tái sử dụng
cao. Chọn giải pháp sàn hợp lý trong
nhà cao tầng có vai trò quan trọng vì:
• Mỗi sàn tiết kiệm được một ít thì cả
công trình nhiều tầng có thể tiết
kiệm rất đáng kể.
• Trọng lượng sàn có ảnh hưởng đến
việc thiết kế các cấu kiện chịu lực
đứng như vách/tường, cột, hệ móng.
Khối lượng công trình cũng ảnh
hưởng đến đặc điểm chịu tải trọng
động của công trình.
• Chiều cao hệ kết cấu sàn ảnh hưởng
đến chiều cao tầng.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

12


21/11/2014

Sàn không dầm
Flat plate – không có mũ cột hay bản đáy
BTCT thường:
nhịp 6-8 m
(D x 30 cho nhịp biên và D x 32
cho nhịp giữa của sàn liên tục)
BTCT ứng suất trước:
nhịp 8-12m
(D x 37 cho nhịp biên và D x 40
cho nhịp giữa của sàn liên tục, với
D là chiều dày sàn).

Sàn không dầm
Flat plate – không có mũ cột hay bản đáy
Ưu điểm:
• Ván khuôn đơn giản, trần phẳng
• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản
• Chiều cao hệ kết cấu sàn tối thiểu, có thể giảm chiều cao tầng
Nhược điểm:
• Vượt nhịp trung bình
• Là một bộ phận của khung cứng (dầm tương đương)
ảnh hưởng đến
khả năng chịu tải ngang.
• Để chống xuyên thủng sàn phẳng, có thể cần cốt thép chịu cắt (shear
heads, shear reinforcement) cho sàn hoặc phải tăng tiết diện cột
• Độ võng dài hạn có thể lớn
• Có thể không thích hợp để đỡ các vách ngăn bằng vật liệu giòn (như
tường gạch)
• Có thể không thích hợp cho tải trọng nặng

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

13


21/11/2014

Sàn không dầm
Flat slab – có bản đáy (drop panel)

Dùng Drop panels để tăng khả năng chống xuyên thủng tại vị trí sàn gần cột
• BTCT thường: nhịp 9.5m (D x 32 cho nhịp biên và D x 36 cho nhịp giữa của
sàn liên tục)
• BTCT ứng suất trước: nhịp 12m (D x 40 cho nhịp biên và D x 45 chi nhịp giữa
của sàn liên tục, D là chiều dày sàn không kể drop panel)

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

14


21/11/2014

Sàn không dầm
Flat slab – có bản đáy (drop panel)
Ưu điểm:
• Ván khuôn đơn giản
• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản
• Chiều cao kết cấu tối thiểu
• Thường không cần cốt thép chịu cắt cho vùng sàn gần cột

Nhược điểm:
• Vượt nhịp trung bình
• Thường không thích hợp để đỡ vách ngăn bằng vật liệu giòn
• Drop panels có thể ảnh hưởng đến việc bố trí các hệ thống kỹ thuật có kích
thước lớn
• Việc bố trí lỗ theo phương đứng phải tránh vùng sàn xung quanh cột
• Với sàn phẳng BTCT thường độ võng của dải giữa nhịp có thể lớn.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

15


21/11/2014

Sàn có dầm
Sàn sườn BTCT là hệ kết cấu sàn truyền thống, có thể chịu lực một hoặc hai
phương, thường không dùng ứng lực trước cho hệ sàn này.
Ưu điểm:
• Có thể vượt nhịp lớn
Nhược điểm:
• Ván khuôn phức tạp hơn so với sàn không dầm
• Chiều cao hệ dầm sàn lớn
• Tăng chiều cao tầng nhà
• Có thể phải tạo lỗ xuyên qua dầm khi bố trí đường ống

Sàn có dầm bẹt
Hệ này có các dầm với chiều cao nhỏ nhưng chiều rộng lớn (band beams). Có thể
dùng BTCT ứng lực trước cho band beams (căng sau) trong khi vẫn dùng BTCT
thường cho sàn. Cũng có thể dùng sàn composite concrete/metal decking.

•

BTCT thường: nhịp vào
khoảng Dx22 cho band
beams rộng 1200mm, và
Dx26 cho band beams rộng
2400mm; có thể vượt nhịp
đến 12m. D là tổng chiều
dày sàn-dầm bẹt.

•

BTCT ứng lực trước: nhịp
vào khoảng Dx24 cho band
beams rộng 1200mm, và
Dx28 cho band beams rộng
2400mm.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

16


21/11/2014

Sàn có dầm bẹt
Ưu điểm:
• Ván khuôn tương đối đối đơn giản
• Dầm thấp cho phép các hệ thống kỹ thuật
chạy dưới sàn

• Giảm chiều cao hệ kết cấu sàn và chiều
cao tầng nhà
• Có thể vượt nhịp lớn
• Tiết kiệm thời gian và giá thành
Nhược điểm:
• Độ võng dài hạn lớn có thể phải cần
ứng lực trước (căng sau)
• Có thể cần các lỗ kỹ thuật xuyên dầm

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

17


21/11/2014

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

18


21/11/2014

BÀI 3

CÁC HỆ THỐNG KẾT CẤU CHỊU
TẢI TRỌNG NGANG

Mở đầu
Chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng:

• Với tải trọng đứng: ngoài việc dùng vật liệu nhẹ thì khó có cách nào khác để
giảm ảnh hưởng của tải trọng đứng.
• Với tải trọng ngang: có thể giảm ảnh hưởng của tải trọng ngang bằng cách áp
dụng một số nguyên lý khi bố trí kết cấu:
Để chịu tốt moment lật do tải ngang, bố trí các cấu kiện thẳng đứng càng
xa tâm hình học của công trình càng tốt.
Lợi dụng các cấu kiện chịu moment lật đó để chịu tải trọng đứng luôn
Giảm thiểu khả năng xuất hiện lực kéo dọc trục trong các cấu kiện BTCT
khi chịu tải ngang
Liên kết các cấu kiện đứng để tận dụng tối đa khả năng chịu tải ngang của
các khung biên theo chu vi công trình.
Ví dụ, kết cấu ống (Tube structures) gồm có các cột đặt gần nhau theo
chu vi nhà, liên kết với nhau bởi các dầm có chiều cao lớn, gần như
đáp ứng các các nguyên lý trên.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

19


21/11/2014

Mở đầu
Gợi ý lựa chọn hệ thống kết cấu cho nhà cao tầng BTCT

HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT
•

Sàn phẳng hai phương được đỡ bởi cột, không có dầm, chiều cao nhà thường
không quá 10 tầng để bảo đảm chuyển vị ngang, ít được dùng trong vùng chịu

động đất mạnh.

•

Ứng xử của sàn phẳng khi chịu tải ngang:
Phân phối tải ngang đến các cấu kiện đứng, tỷ lệ với độ cứng của chúng.
Hạn chế chuyển vị dọc trục và góc xoay của cột và tường. Lúc này sàn
làm việc như dầm bẹp bản rộng.

Tương thích biến dạng giữa sàn và
tường khi chịu tải trọng ngang. Khó
cấu tạo cốt thép sàn khi có tập trung
ứng suất lớn.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

20


21/11/2014

HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT

Flat slab with drop panels

Flat plate

Two-way waffle system

HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT

Phương pháp khung tương đương:
Thay sàn bằng hệ dầm hai phương.
Tiêu chuẩn ACI cho phép lấy chiều rộng hiệu
quả (effective width) w của dầm tương đương
bằng ½(w1 + w2) cho cả tải đứng và tải ngang.
Các kỹ sư đề nghị lấy w = ¼ (w1 + w2) khi tính
khung-sàn chịu tải trọng ngang thì an toàn hơn.

w1

w2

Khi giải khung, cần xem xét ảnh hưởng của
vết nứt trong sàn, sự tập trung và phân bố cốt
thép trong bề rộng dải sàn,vv… đến độ cứng
của các cấu kiện. Tuy nhiên, việc tính chính
xác sự suy giảm độ cứng là vấn đề khó khăn.
Việc chỉ kể ¼ bề rộng dải sàn vào độ cứng của
dầm tương đương thường là chấp nhận được.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

21


21/11/2014

HỆ SÀN PHẲNG, VÁCH CỨNG và CỘT
Với nhà cao hơn 10 tầng có thể dùng hệ sàn phẳng được đỡ bởi vách cứng và
cột. Các vách cứng có thể có dạng phẳng, hở , kín hoặc kết hợp giữa các dạng

đó. Vách phẳng sẽ làm việc tương tự như thanh công-xon mảnh, vách hở thì có
ứng xử phức tạp hơn.
Trong hầu hết các công trình căn hộ và khách sạn cao tầng thì phần tải trọng
ngang được chịu bởi hệ khung (sàn-cột) chỉ bằng khoảng 10-20% phần tải trọng
ngang được chịu bởi hệ vách cứng.

HỆ KHUNG CỨNG
•

•

•

•
•

Hệ khung cứng gồm cột liên kết cứng với dầm theo cả hai phương, chịu toàn
bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang. So với hệ vách cứng, hệ khung nói
chung là không cứng bằng, nhưng có độ dẻo cao hơn và do đó mức độ bị phá
hoại do động đất có thể ít hơn.
Hệ khung có ưu điểm về mặt kiến trúc là thuận tiện bố trí không gian bên
trong nhà cũng như các ô trống ở mặt ngoài nhà, vì không có các tường cứng
chịu lực.
Hệ khung cứng thuần túy có thể dùng cho nhà cao đến 25 tầng. Khi khung
được kết hợp với vách cứng để tăng độ cứng ngang và giảm chuyển vị thì
nhà có thể cao đến 50 tầng.
Độ cứng ngang của khung phụ thuộc vào khả năng chống uốn của dầm, cột
và nút khung; và cả độ cứng dọc trục của cột khi khung có chiều cao lớn.
Với công trình có yêu cầu kháng chấn, cần đặt cốt đai ngang với khoảng cách
nhỏ trong vùng nút khung_ là vùng chịu lực cắt lớn, để khống chế vết nứt

nghiêng và sự tách bóc bê tông, cũng như để tăng độ dẻo cho khung.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

22


21/11/2014

HỆ KHUNG CỨNG

Nội lực và biến dạng trong khung cứng

HỆ KHUNG CỨNG
Đặc trưng biến dạng của khung
Do liên kết giữa dầm và cột là cứng, khung sẽ không thể có chuyển vị ngang
nếu không có sự uốn của dầm và cột. Do đó, độ cứng ngang của khung phụ
thuộc phần lớn vào độ cứng chống uốn của các cấu kiện, và phụ thuộc một ít
vào độ cứng dọc trục (kéo/nén) của cột. Để đơn giản, ta hãy so sánh:
- Một cây cột công-xon: chuyển vi ngang của cột chủ yếu là do biến dạng
uốn, chỉ một phần nhỏ của chuyển vị ngang là do biến dạng cắt. Trong
tính toán, thậm chí có thể bỏ qua biến dạng cắt, trừ khi cột khá ngắn.
- Một khung cứng: cả hai thành phần biến dạng do uốn (cantilever bending
component) và do cắt (frame racking component) đều quan trọng.
Với khung không quá cao, chuyển vị ngang do hiệu ứng uốn thường không
vượt quá 10%–20% chuyển vị do hiệu ứng cắt. Do đó biểu đồ biến dạng
tổng thể của khung thường sẽ gần giống với biểu đồ biến dạng cắt.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

23


21/11/2014

HỆ KHUNG CỨNG
Tương tự hóa biến dạng
uốn trong khung cứng
với biến dạng uốn của
vách cứng:
Moment lật sẽ được
chịu bởi lực dọc trong
các cột

Tương tự hóa chuyển vị
ngang do biến dạng cắt của
khung cứng với chuyển vị
ngang do biến dạng cắt của
vách cứng
(một tầng điển hình)

HỆ KHUNG CỨNG
Chuyển vị ngang tổng của một khung cứng thường gồm các thành phần sau:
- biến dạng công-xon do biến dạng dọc trục cột (15%–20%).
- Biến dạng cắt của khung do uốn dầm (50%–60%).
- Biến dạng cắt của khung do uốn cột (15%–20%).
Biến dạng của nút khung cũng có đóng góp vào chuyển vị ngang tổng, nhưng
thành phần này thường không đáng kể. Thông thường, giải pháp hiệu quả và
kinh tế nhất để giảm chuyển vị ngang là tăng độ cứng chống uốn của dầm.
Để xem xét nên điều chỉnh tiết diện dầm hay cột để giảm chuyển vị ngang thì

có thể dựa vào tỷ số độ cứng đơn vị của dầm và cột tại một nút điển hình:
߰=∑

ூ೎ộ೟ ⁄௛

ூ೏ầ೘ ⁄௅

• ψ >> 0.5, điều chỉnh dầm
• ψ << 0.5, điều chỉnh cột
• ψ ≈ 0.5, điều chỉnh cả dầm và cột

L và h lần lượt là nhịp dầm và chiều cao tầng.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

24


21/11/2014

HỆ KHUNG CỨNG
131mm

KHUNG CƠ BẢN

82mm

TĂNG CHIỀU CAO
DẦM THÊM 100mm

114mm

TĂNG MỖI CẠNH
CỘT THÊM 100mm

67mm

TĂNG TIẾT DIỆN CẢ
DẦM VÀ CỘT

Ví dụ (SAP2000): chuyển vị ngang của khung BTCT 15 tầng, cao 45m, 3 nhịp × 6m

HỆ KHUNG CỨNG
Nguyên tắc cột khỏe-dầm yếu
Nếu khung có cột yếu thì chuyển vị ngang
lớn do tác động động đất có xu hướng tập
trung ở một hay một số ít tầng, dễ dẫn đến cơ
cấu sụp đổ. Cần thiết kế cột khỏe-dầm yếu để
có thể dàn trải biến dạng không đàn hồi ra
nhiều tầng nhà. Khi cột khỏe thì chuyển vị
lệch tầng cũng có xu hướng phân bố đều đặn
theo chiều cao nhà. Nếu xét thêm tải trọng
đứng thì cột phải gánh trọng lượng của các
tầng bên trên trong khi dầm chỉ gánh một
tầng thôi. Do đó, cột bị phá hoại sẽ nguy
hiểm hơn nhiều hơn so với dầm bị phá hoại.
Theo ACI, tại một nút khung, khả năng
chống uốn của cột nên lớn hơn khả năng
chống uốn của dầm ít nhất là 20%.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan

25