Phân tích động lực học khung 2d chịu tải chu kỳ bằng FEM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THỊ TRÀ MI

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KHUNG 2D
CHỊU TẢI CHU KỲ BẰNG FEM
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 3 9 4 6

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THỊ TRÀ MI

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KHUNG 2D
CHỊU TẢI CHU KỲ BẰNG FEM

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THỊ TRÀ MI

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KHUNG 2D
CHỊU TẢI CHU KỲ BẰNG FEM

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204
Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013

2


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Trần thị Trà Mi
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh:
Nơi sinh: lâm Đồng
Quê quán: Quảng Nam
Dân tộc: kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 443/106A Lê Văn Sỹ - Phường 10 - Quận 3- HCM
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0902322902
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

2. Đại học:

Hệ đào tạo: Đào tạo chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 1/ 2005
Nơi học (trường, thành phố): ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Thiết Kế Máy
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2005-2010

Công ty TNHH Haimy
Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải
Tp.HCM

Nhân Viên phòng kỹ thuật
Giáo Viên giảng dạy môn cơ sở
khoa ôtô

2011- nay

3


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

4


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn của mình đến Thầy hướng dẫn
là PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, người đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành
nên ý tưởng của đề tài, giúp đỡ tôi rất nhiều về cách nhận đònh đúng trong
những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả cũng như
nguồn tài liệu quý báu. Thầy hướng dẫn tận tình và luôn động viên Tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận văn nên luận văn đã đạt được kết quả như mong
muốn.
Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành tới:
-Toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM ,
những người đã dạy và giúp đỡ Tôi trong thời gian học tập tại trường.
- Quý thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, những người đã nhiệt tình
dạy dỗ, truyền đạt cho tôi những kiến thức cơ sở cũng như kiến thức chuyên
ngành vô cùng quý báu..
- Gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt để Tôi học tập và trao dồi
thêm kiến thức.
- Bạn Chương Thiết Tú, Hoàng Trung Hiền đã nhiệt tình giúp đỡ , hỗ
trợ Tôi về tài liệu cũng như kiến thức trong suốt thời gian làm đề tài.
- Cuối cùng, Xin kính chúc toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và các bạn luôn dồi dào sức khỏe, thành công và
hạnh phúc.

TP.HCM , Tháng 04 năm 2013

-IV-


TOÙM TAÉT
Ngày nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật số và công nghệ thông tin,
phương pháp phần tử hữu hạn có những áp dụng hiệu quả trong các bài toán kỹ thuật
đặc biệt là bài toán cơ học kết cấu. Trên cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu
hạn áp dụng cho bài toán động lực học kết cấu, tác giả đã xây dựng lời giải xấp xỉ
cho bài toán khung phẳng. Ứng dụng phương pháp này để xác định trường vận tốc và
biến dạng của vật thể. Bài toán được phân tích trong đề tài là bài toán khung phẳng
chịu tải chu kỳ.
Tác giả sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng thành công chương
trình tích phân số và mô phỏng tự động trường vận tốc và trường biến dạng. Chương
trình này cho kết quả tin cậy so với kết quả tính toán của phẩm mềm Ansys.
Hơn nữa, các bài toán này được phân tích với các thông số khác nhau để có lời
giải tin cậy và hiệu quả.

ABSTRACT
Today, basing on the development of digital and information technology, the finite
element method is the effective application of mathematical techniques, especially,
the problem of structural mechanics. Base on the theory of finite element method
applied to the problem the flow structural mechanics, the authors have developed
approximate solution to the problem the structural mechanics dynamics. Application
of this method to analyze flat frame load cycle …..

The author uses Matlab programming langguage to build successful programs and
simulation analysis of the velocity field and deformation field over the obstacle, this

program results in reliable comparison of the calculated results Ansys sotfware.
Moreover, this problem is analyzed with different parameters to obtain reliable
solution and effect

-V-


MỤC LỤC
Trang

Quyết đònh .........................................................................................................

Lý lòch cá nhân ................................................................................................. I
Lời cam đoan .................................................................................................. II
Lời cảm ơn ..................................................................................................... III
Tóm tắt ........................................................................................................... IV
Mục lục ........................................................................................................... V

Chương 1 : Tổng quan

1

1.1 Đặt vấn đề.

1

1.2 Tính khoa học, thực tiễn của đề tài

2

1.3 Nhiệm vụ của đề tài.

2

1.4 Phương pháp nghiên cứu.

2

1.5 Xác đònh thuật ngữ

3

Chương 2: Tổng quan về kết cấu khung phẳng.

4

2.1 Tổng quan về nhà để xe

4

2.1.1 Nhà xe xếp chồng

4

2.1.2 Hệ thống nhà xe nổi.

5

2.1.2.1 Hệ thống lưu thông dọc

5

2.1.2.2 Hệ thống lưu thông ngang

6

2.1.3 Hệ thống nhà xe nổi

8

2.2 Tổng quan về kết cấu nhà cao tầng
2.2.1 Phân loại hệ thống xây dựng theo vật liệu làm kết cấu

8
8

2.2.1.1

kết cấu gạch đá

8

2.2.1.2

Kết cấu thép

10

-VI-

2.2.1.3

Kết cấu bê tơng cốt thép

12

2.2.2 Phân loại hệ thống xây dựng theo sự làm việc của kết cấu
2.2.2.1

Kết cấu khung

14

2.2.2.2

Kết cấu tường chống trượt

15

2.2.2.3

Kết cấu khung - Kết cấu tường chống trượt

17

Chương 3 : Cơ sở lý thuyết phương pháp PTHH cho kết cấu khung phẳng
3.1. Dạng bài tốn cơ học.

18

3.2. Thiết lập phương trình vi phân động lực học.

21

3.3. Ứng dụng phương pháp PTHH để phân tích bài tốn khung phẳng.

24

3.3.1. Khái niệm về phương pháp PTHH.

25

3.3.2. Các bước tiến hành khi giải một bài tốn bằng
phương pháp PTHH.

26

3.3.3. Các hàm nội suy.

27

3.3.3.1. Nội suy Lagrange.

27

3.3.3.2. Nội suy Hermit cho phần tử hai nút
3.3.4. Phân tích phần tử hữu hạn cho bài tốn khung phẳng.

28

29

3.3.4.1. Xác định ma trận độ cứng cho phần tử khung phẳng.

29

3.3.4.2. Xác định ma trận khối lượng cho phần tử khung phẳng.

35

3.4. Phân tích mode của hệ khơng giảm chấn.

38

3.5. Các phương pháp tích phân số dùng để giải phương trình vi phân chuyển động
của kết cấu Cầu Dây Văng.

42

3.5.1. Phương pháp sai phân trung tâm.

42

3.5.2. Phương pháp Newmark.

45

3.5.3. Biến đổi Fourier

49

Chương 4: Thiết kế giao diện với Matlab

56

4.1 Giới thiệu chung về ngôn ngữ lập trình Matlab

56

-VII-


4.2 Tổng quan về cách thiết kế giao diện

57

4.3 Tạo giao diện cho bài toán

64

Chương 5: Bài toán áp dụng

70

5.1 Lưu đồ phân tích các bước cho bài toán dầm – khung

70

5.2 Kết quả tính khung (3 tầng)

71

5.2.1 Phân tích tónh

76

5.2.2 Phân tích động học

79

5.2.3 Phân tích động lực học

82

Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển

83

6.1 Kết luận

83

6.2 Hướng phát triển

84

TÀI LIỆU THAM KHẢO

-VIII-

Chương I: Tổng quan

Chương I

TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:
Phương pháp PTHH (FEM-Finite element method) là một trong
những phương pháp số rất có hiệu quả để giải các bài tốn bởi các phương trình vi
phân cùng các điều kiện biên cụ thể của từng bài tốn, đặc biệt những bài tốn trong
cơ học kết cấu.
Trong thời gian đầu phương pháp PTHH có nhiều ứng dụng rộng rãi trong
các bài tốn cơ học. Những năm gần đây, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính
số, phương pháp PTHH có những áp dụng hiệu quả trong bài tốn cơ học.
Trên tế giới, việc ứng dụng phương pháp PTHH vào tính tốn cho cơ học kết
cấu đã trở nên phổ biến từ những năm 1950. Cụ thể nó được thể hiện trong “ Early
finite element research at berkeley của tác giả Ray W.Clough và Edwark L.Wilson.
bên cạnh đó phương pháp PTHH ngày càng được sử dụng rộng rãi với sự trợ giúp
của máy tính thơng qua các chưong trình như : ANSYS, SAP 2000, SAMCEF,…
Ở Việt Nam, một số nghiên cứu thành cơng trong lĩnh vực này có thể kể đến
như:
 Chẩn đốn dầm đàn hồi có nhiều vết nứt. [15]
 Nhận dạng vết nứt trong kết cấu dầm khung. [16]


Nhận dạng vết nứt trong kết cấu giàn khoan. [17]



Nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến tần số dao động của kết cấu dầm

khung.[18]



Nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến đặc trưng động lực học của kết cấu
tấm mỏng. [19]



Nghiên cứu sự phát triển vết nứt trên chi tiết cơ khí bằng FEM và Wavelet.
[20]

1.2 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:

Trà Mi

1


Chương I: Tổng quan

Trong thực tế, một kết cấu khung, ngoài tải cố định tác dụng lên trên khung,
khung còn chịu chính tải bản thân, cũng như các tải ngẫu nhiên như gió, động đất,
…. Các loại tải này rất quan trọng trong tính toán, thiết kế khung. Xác định trường
ứng suất và biến dạng của vật thể là cần thiết và có tính ứng dụng trong thực tế.
Việc tính toán này nhằm giúp ta hiểu rõ hơn sự tác đông qua lại giữa tải tác dụng và
kết cấu khung, thiết kế một cách hiệu quả kết cấu khung đó. Vì vậy, tác giả quyết
định chọn đề tài “ Phân tích động lực học khung 2D chịu tải chu kỳ bằng FEM “.
1.3 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN:
 Sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn - FEA (Finite Element

Analysis) kết hợp với ngôn ngữ Matlab viết chương trình tính toán động học,
động lực học tìm tần số dao động riêng của các mode dao động, đáp ứng
chuyển vị và vận tốc của từng nút.
 Mô phỏng động học và động lực học bài toán.
 Cuối cùng, tác giả sẽ đưa ra các kết luận về kết quả thực hiện, nêu lên các
vấn đề đã giải quyết được, các vấn đề còn tồn đọng chưa được giải quyết và
đề xuất hướng phát triển của đề tài.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Để đề tài đạt được kết quả như mong muốn, tác giả phải nghiên cứu các kiến
thức về cơ học lý thuyết có liên quan kết hợp với các phần mềm tính toán và mô
phỏng, cụ thể như sau:
-

Tìm hiểu về lý thuyết khung phẳng.

-

Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn cho kết cấu
khung phẳng.

-

Tìm hiểu về phần mềm Matlab để sử dụng nó như một công cụ hỗ trợ trong
quá trình tính toán. Đặc biệt là tìm hiểu về cấu trúc và sơ đồ phần tử hữu hạn
với Matlab.

-

Tìm hiểu về chương trình Ansys để tiến hành mô phỏng các bài toán, từ đó
có cơ sở để kiểm tra kết quả tính toán.

Traø Mi

2


Chương I: Tổng quan

Bên cạnh nội dung trên, việc nghiên cứu về phương pháp tính và cơ học kết cấu
là rất cần thiết vì những kiến thức đó là một phần công cụ hỗ trợ trong quá trình
thực hiện đề tài.
1.5 XÁC ĐỊNH THUẬT NGỮ:
Tong đề tài này, một số thuật ngữ được dùng với ý nghĩa như sau :
PP PTHH

- Phương pháp phần tử hữu hạn.

d i , d

- Các chuyển vị và vận tốc nút.

fi , f 

- Tải trọng nút trên phần tử.

i, j, k, l

- Các ký hiệu chỉ số.

x, y

- Hệ tọa độ Đề các.

B

- Ma trận tính biến dạng.

Di

- Chuyển vị nút toàn cục.

F

- Vectơ tải toàn cục.

Ke

- Ma trận độ cứng phần tử.

K

- Ma trận độ cứng toàn cục.

Me

- Ma trận khối lượng phần tử,

M

- Ma trận khối lương toàn cục.

Ni , N 

- Các hàm dạng trên phần tử.



- Ứng suất.



- Biến dạng.

Traø Mi

3


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG
Nhà thép có mặt tại thị trường Việt Nam từ đầu những năm 90- thế kỷ XX, đến
nay ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các loại nhà cơng nghiệp và
dân dụng ở nước ta. Ưu điểm vượt trội của nhà kết cấu thép là vượt khơng gian lớn,
tiến độ xây dựng nhanh, khơng ồn, khơng bụi và rất kinh tế…Đặc biêt đáp ứng độ
vững bền về mọi u cầu vẻ đẹp kiến trúc của cơng trình.
Mặc dù kết cấu thép ở Việt Nam mới phát triển nhưng chắc chắn sẽ được phổ
cập trong tương lai gần. Vì những ưu điểm có thể khắc phục những hạn chế so với

khi sử dụng kết cấu bê tơng cốt thép, tường gạch trong xây dựng nhà cao tầng.
Các cơng trình kiến trúc, xây dựng, kệ kho cơng nghiệp, thang nâng, cầu trục,
nhà ga, sân bay… đều sử dụng khung thép.
2.1 Tổng quan về nhà để xe :
Nhà để xe tự động dành cho ơtơ là một hệ thống đỗ xe tự động dưới sự kiểm
sốt của máy tính cùng các thiết bị hỗ trợ khác như: cảm biến, camera, máy móc…
Xe ơ tơ được lái vào khu vực vào ra của hệ thống. Sau khi đã đỗ xe đúng vị
trí, người lái xe tắt máy, phanh an tồn khi đỗ xe và bước ra khỏi xe. Trong q
trình đó, hệ thống sensor phân tích kích thước xe và lựa chọn được vị trí đỗ xe thích
hợp. Khi người lái xe đã ra phía ngồi, hệ thống cơ điện sẽ chuyển động và đưa xe
đến vị trí thích hợp..
Ngồi ra, nhà đỗ xe đặc biệt này còn có thể được xây dựng ở những khu đất
trống, ở giữa khoảng trống của các tòa nhà và thậm chí có thể được xây dựng ngầm
dưới đất, tùy thuộc vào khơng gian và kiến trúc của từng thành phố. Bên cạnh đó,
xây dựng hệ thống đỗ xe kiểu này có thể giúp giảm lượng khí thải và lượng tiêu thụ
nhiên liệu do người lái khơng phải lái xe loanh quanh để tìm chỗ.
2.1.1 Nhà xe xếp chồng: có 2 kiểu

SVTH

4


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

-

Kiểu 1: khung 2 chân dùng khí nén truyền động.

Hình 2.1 Mẫu 2 tầng dùng khí nén

-

Kiểu 2: khung 4 chân dùng bộ truyền cơ khí, khí nén hoặc kết hợp cả 2 để

truyền động.

Hình 2.2 Mẫu 2 tầng truyền động bằng cơ khí
Cả hai đều có 1 mâm chứa xe ở tầng trên, và di chuyển lên xuống để xe
chạy vào, ra. Đây là hình thức đơn giản,dễ lắp đặt, dễ sử dụng, bảo trì đơn giản
2.1.2 Hệ thống nhà xe nổi
2.1.2.1

SVTH

Hệ thống lưu thơng dọc (dạng tháp)

5


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

Là hệ thống đỗ xe tự động dạng tháp nhiều tầng. Có thể là tháp nằm bên
ngoài hoặc nằm bên trong tòa nhà, vận hành êm và an toàn. Điều khiển đơn giản với
màn hình cảm ứng.
Mỗi tầng 2 mâm chứa xe nằm hai bên thang. Đây là loại hệ thống có thể lấy
xe nhanh nhất kể cả số lượng xe nhiều.
Hệ thống đỗ xe tự động này tiết kiệm diện tích đất hẹp, phía sau hoặc bên
hông nhà cao tầng . Lắp đặt nhanh chóng và có thể tháo dỡ di chuyển khi cần.

Hình 2.3 Mẫu nhà xe dạng tháp

SVTH

6


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

2.1.2.2 Hệ thống lưu thông ngang:
Là hệ thống đỗ xe tự động mà số xe chứa ở mỗi tầng nhiều nhất.
Nếu nhà xe chỉ có 1 vị trí để xe vào và ra thì mỗi tầng không cần khoảng
trắng vì có cụm cơ cấu đảm nhận công việc này.
Nếu nhà xe chỉ có nhiều vị trí xe vào và xe ra thì mỗi tầng cần một khoảng
trắng để sàn xe như trò chơi xếp hình.
Số xe mỗi tầng phụ thuộc vào diện tích nhà xe. Và nó có thể đặt ngoài trời
hoặc trong nhà.

Hình 2.4 Mẫu nhà xe dạng sàn ngang

SVTH

7


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

2.1.3 Hệ thống nhaø xe ngầm

Hình 2.5 Mẫu nhà xe ngầm

Hệ thống nhà xe ngầm là hệ thống đỗ ôtô nhiều tầng đặt ngầm dưới đất. Tác
động của hệ thống đối với môi trường xung quanh rất ít. Có thể bố trí nhà gửi xe
ngầm trong khu vực đông đúc, gần các tòa nhà hiện hữu, bên dưới hoặc gần các
công trình mới.
Hệ thống nhà xe ngầm là sự kết hợp giữa lưu thông dọc (đưa xe xuống hầm) và
lưu thông ngang (đưa xe đến vị trí đậu xe).
Điều khiển bằng màn hình cảm ứng, dễ vận hành.
Phụ thuộc diện tích, mỗi tầng chứa số lượng xe khác nhau
2.2

SVTH

Toång quan veà kết cấu nhà cao tầng :

8


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

Việc lựa chọn hệ thống xây dựng nhà cao tầng, việc lựa chọn vật liệu làm kết
cấu, loại hình kết cấu và phương pháp thi công để thực hiện kết cấu chủ thể của
ngôi nhà nhằm làm nó trở thành một sản phẩm xây dựng có công năng sử dụng nhất
định, có chiều cao và hình khối phù hợp và thoả mãn những điều kiện công trình
được thiết kế ra.
Những nhà làm việc, cửa hàng thương nghiệp cao tầng hoặc các nhà cao tầng đa
năng, yêu cầu nhưng không gian lớn để hoạt động, có thể bố trí một cách linh hoạt.
Đối với những nhà hành chính, văn phòng làm việc, lớp học, phòng bệnh, các loại
phòng hội thảo khoa học, nghiên cứu lại yêu cầu những không gian hoạt động thích
hợp.
Những nhà cao tầng dùng làm nhà máy công nghiệp, kho tàng...yêu cầu

những không gian lớn rộng rãi.
Những yêu cầu khác nhau đối với những sản phẩm xây dựng có các công
năng sử dụng khác nhau trên một mức độ rất lớn - quyết định sự lựa chọn hệ xây
dựng nhà cao tầng.
Chiều cao của nhà cao tầng cũng có ảnh hưởng rất lớn tới việc lựa chọn hệ thống
xây dựng. Do chuyển vị nằm ngang của các tầng sàn sinh ra dưới tác dụng của tải
trọng nằm ngang của ngôi nhà tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc 4 của chiều cao ngôi nhà,
nên khi lựa chọn hệ thống xây dựng của những ngôi nhà cao tầng, ta phải xem xét
một cách chu đáo và tỉ mỉ yêu cầu thoả mãn độ cứng.
Điều kiện thiên nhiên và điều kiện thi công khác nhau cũng ảnh hưởng tới sự
lựa chọn hệ thống xây dựng nhà cao tầng. Khi xây dựng ở những vùng có động đất,
lại càng phải nhấn mạnh tính tổng thể toàn khối của kết cấu nhà. Ngoài ra, các điều
kiện hiện trường cụ thể của công trình, phương pháp và công nghệ thi công quen
thuộc của địa phương cũng như trình độ trang bị của đơn vị nhà thầu cũng có tác
động đến sự lựa chọn hệ thống xây dựng nhà cao tầng.
2.2.1 Phân loại hệ thống xây dựng theo vật liệu làm kết cấu
2.2.1.1

SVTH

Kết cấu gạch đá

9


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

Ưư điểm của kết cấu gạch đá là vật liệu sẵn có gần nơi xây dựng, giá thành
hạ, tính bền vững cao, nhưng nhược điểm là cường độ khối xây thấp, độ dẻo kém,
bất lợi đối với việc chống lún và kháng chấn.

Trong những thập kỷ 60, 70 của thế kỷ trước, chúng ta xây nhiều tầng phần
lớn là kết cấu gạch đá và gạch cốt thép, một số ít nhà cao tầng từ 8 đến 11 tầng thì
xây bằng kết cấu hỗn hợp khung bê tông cốt thép và tường bằng khối xây gạch và
gạch đá cốt thép.
Những kiến trúc cao tầng thời cổ đại như những tháp hải đăng tại thành phố
Alexandri của Ai Cập, các tháp chùa cao tại Hà Nam, Vân Nam, Trung Quốc là
những công trình cổ tồn tại hàng ngàn năm trước đây. Ở nước ta cũng có những
tháp cao đến 13 tầng, xây từ năm 1121 như tháp Sùng Thiện diên linh là một điển
hình của kết cấu gạch đá cao tầng.

Hình 2.6 Tháp Chàm – Ninh Thuận
2.2.1.2

Kết cấu thép
Nhà cao tầng của thời kỳ cận đại là sản phẩm của sự phát triển công nghiệp

gang thép của thế kỷ thứ 19. Năm 1801, ngôi nhà đầu tiên cao 7 tầng làm bằng kết
cấu khung dầm - cột thép được xây dựng trong nhà máy dệt ở Manchester Anh
Quốc – năm 1854, tại Hoa Kỳ ra đời tháp hải đăng bằng thép. Sau năm 1883, ở

SVTH

10


Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

Chicago và một số nơi khác ở Hoa Kỳ, người ta xây dựng những ngôi nhà từ 10
tầng trở lên bằng thép.
Ưu điểm của kết cấu thép là cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén, cường

độ chống xoắn đều rất tốt, tính năng kháng chấn dẻo dai, độ chính xác trong chế tạo
tại các nhà máy cao, tốc độ lắp ráp nhanh, tiết kiệm nhân công, hiện trường thi công
gọn ghẽ văn minh, đặc biệt thích hợp với việc xây dựng nhà siêu cao và nhà hoặc
công trình có khẩu độ lớn.

Hình 2.7 Tòa nhà hoàn toàn bằng khung thép
Theo số liệu thống kê của nước ngoài, trên thế giới ngày nay cứ 100 ngôi nhà
siêu cao quá 212 m thì sẽ có 65 ngôi nhà làm bằng kết cấu hỗn hợp thép, còn lại 12
ngôi nhà nữa làm bằng kết cấu bê tông cốt thép; trong đó có 11 ngôi nhà cao nhất
cao từ 296 đến 443 m đều làm bằng kết cấu thép và kết cấu thép – bê tông cốt thép.
Ở Nhật Bản, 100 ngôi nhà cao nhất đều làm bằng kết cấu thép. Ở Trung Quốc từ
năm 1985 trở lại đây, có 11 ngôi nhà cao tầng làm bằng kết cấu thép và kết cấu hỗn
hợp thép – bê tông cốt thép phân bố tại Bắc Kinh, Thượng Hải và Thâm Quyến,
trong đó cóa 8 ngôi nhà siêu cao mà chiều cao vượt quá 100 m. Ngôi nhà cao nhất
là cao ốc Kinh quảng tại Bắc Kinh cao 208 m. Gần đây cao ốc Ngân hàng Trung

SVTH

11