Nghiên cứu giải pháp tính toán và cấu tạo cho vách cứng nhà cao tầng bê tông cốt thép liền khối theo một số tiêu chuẩn nước ngoài (tt)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.71 MB, 15 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
ĐOÀN THẾ ANH
KHÓA: 2011-2013
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO
CHO VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG BTCT LIỀN KHỐI
THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN NƯỚC NGOÀI
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số:60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. VŨ NGỌC ANH
2. TS. CAO DUY KHÔI
Hà Nội, năm 2013
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện Luận văn này, tác giả được người hướng dẫn
khoa học là Thầy giáo TS. Vũ Ngọc Anh và TS. Cao Duy Khôi tận tình giúp
đỡ, hướng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành
Luận văn của mình. Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các
Thầy!
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô giáo, các Cán bộ của
khoa Đào tạo Sau đại học, thuộc Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã giúp
đỡ, chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người bạn
đã luôn nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành tốt Luận văn này.
Do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và trình độ của tác giả có hạn,
mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng trong Luận văn sẽ không tránh khỏi những
sai sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô
giáo cùng các bạn đồng nghiệp để Luận văn hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2013
Tác giả Luận văn
Đoàn Thế Anh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học
độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là
trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.
Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2013
Tác giả Luận văn
Đoàn Thế Anh
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 3
MỤC LỤC ......................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LÕI-VÁCH CỨNG TRONG
NHÀ CAO TẦNG BTCT TẠI VIỆT NAM ..................................................... 3
1.1. Kết cấu chịu lực của nhà cao tầng............................................................3
1.1.1. Kết cấu chịu lực dạng khung .......................................................... 4
1.1.2. Kết cấu dạng tường-vách ............................................................... 5
1.1.3. Kết cấu dạng khung-vách ............................................................... 6
1.1.4. Kết cấu dạng ống ............................................................................ 6
1.2. Vách-lõi cứng trong nhà cao tầng ............................................................7
1.2.1. Công năng ...................................................................................... 7
1.2.2. Bố trí vách-lõi cứng trên mặt bằng ................................................ 7
1.2.3. Mô hình tính toán ........................................................................... 9
1.2.4. Cấu tạo vách cứng ........................................................................ 11
1.3. Tải trọng tác dụng lên kết cấu nhà cao tầng ..........................................13
1.3.1. Tải trọng thẳng đứng .................................................................... 13
1.3.2. Tải trọng ngang ............................................................................ 14
1.4. Thực trạng thiết kế kết cấu lõi-vách cứng nhà cao tầng tại Việt Nam .15
1.4.1. Kết luận phần tổng quan .............................................................. 16
1.4.2. Tính cấp thiết của vấn đề ............................................................. 16
1.4.3. Đề xuất nhiệm vụ nghiên cứu ...................................................... 16
CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG
BTCT LIỀN KHỐI THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN NƯỚC NGOÀI ............ 18
2.1. Một số phương pháp tính toán vách phẳng............................................18
2.1.1. Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi ....................................... 19
2.1.2. Phương pháp giả thiết vùng biên chịu mômen............................. 20
2.1.3. Phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác ................................... 21
2.2. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-05 ............................................................23
2.2.1. Vật liệu sử dụng ........................................................................... 23
2.2.2. Tổ hợp tải trọng ............................................................................ 23
2.2.3. Tính toán cốt thép dọc và ngang của vách ................................... 24
2.2.4. Cấu tạo cốt thép vách ................................................................... 29
2.3. Tiêu chuẩn Anh BS 8110-97 ..................................................................31
2.3.1. Vật liệu sử dụng ........................................................................... 31
2.3.2. Tổ hợp tải trọng ............................................................................ 31
2.3.3. Tính toán cốt thép dọc và ngang của vách ................................... 32
2.3.4. Cấu tạo cốt thép vách ................................................................... 38
2.4. Ví dụ tính toán ........................................................................................38
2.4.1. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-05 .................................................. 39
2.4.2. Tiêu chuẩn Anh BS 8110-97 ........................................................ 46
2.5. Nhận xét, so sánh kết quả tính toán cốt thép vách.................................55
CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ GIẢI PHÁP
CẤU TẠO VÁCH CỨNG ÁP DỤNG TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO
TẦNG TẠI VIỆT NAM.................................................................................. 57
3.1. Yêu cầu chung ........................................................................................57
3.2. Đề xuất tính toán vách theo tiêu chuẩn Việt Nam .................................57
3.2.1. Phương pháp tính toán ................................................................. 57
3.2.2. Vật liệu sử dụng ........................................................................... 57
3.2.3. Tính toán cốt thép dọc .................................................................. 58
3.2.4. Tính toán cốt thép ngang .............................................................. 60
3.3. Ví dụ tính toán ........................................................................................62
3.3.1. Tính toán cốt thép dọc .................................................................. 63
3.3.2. Tính toán cốt thép ngang .............................................................. 69
3.3.3. Nhận xét kết quả tính toán ........................................................... 70
3.4. Đề xuất các giải pháp cấu tạo .................................................................74
3.4.1. Bố trí cốt thép dọc ........................................................................ 74
3.4.2. Bố trí cốt thép ngang .................................................................... 76
3.4.3. Bố trí cốt đai ................................................................................. 77
3.4.4. Giải pháp cấu tạo chống động đất ................................................ 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 80
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 81
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A
Diện tích toàn bộ tiết diện ngang của bê tông
Ab
Diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu nén
Abt
Diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu kéo
Ac
Diện tích toàn bộ tiết diện ngang vùng bụng của vách
Ap, At
Diện tích toàn bộ tiết diện ngang vùng biên phải, biên trái của vách
As
Diện tích cốt thép dọc chịu kéo theo BS 8110-97
Asc
Diện tích tiết diện của cốt thép chịu nén
Ast
Diện tích tiết diện của cốt thép chịu kéo
Av
Tiết diện cốt thép chịu cắt trên một đơn vị dài dọc theo phương
chiều cao vách
Bp, Bt
Chiều rộng vùng biên phải, biên trái của vách
BTCT
Bê tông cốt thép
c
Hình chiếu tiết nghiêng theo TCVN 5574:2012
d
Chiều cao hiệu dụng của tiết diện khi tính toán chịu cắt
Es
Mô đun đàn hồi của cốt thép
f ’c
Cường độ tiêu chuẩn về nén của bê tông theo ACI 318-05
fcu
Cường độ đặc trưng của bê tông theo BS 8110-97
fy
Giới hạn chảy của cốt thép
h0
Chiều cao làm việc của tiết diện
Hw
Chiều cao của vách
l0
Chiều cao tính toán của cấu kiện chịu nén
Lw
Chiều rộng của vách
M
Mômen
N
Lực dọc
Nb
Lực dọc tác dụng lên vùng bụng vách
Nc
Lực dọc trong bê tông vùng nén
Ni
Lực dọc tác dụng vào phần tử thứ i
Ns
Lực dọc trong cốt thép
Pgh
Khả năng chịu nén giới hạn của tiết diện bê tông
Pt, Pp
Cặp ngẫu lực đặt tại vùng biên của vách
Q
Lực cắt
Qb
Khả năng chịu cắt của bê tông theo TCVN 5574:2012
qsw
Nội lực trong cốt thép ngang trên một đơn vị chiều dài dọc theo
phương chiều cao vách
Rb
Cường độ tính toán về nén của bê tông
Rbt
Cường độ tính toán về kéo của bê tông
Rs
Cường độ tính toán về kéo của cốt thép
Rsc
Cường độ tính toán về nén của cốt thép
Rsw
Cường độ tính toán về kéo của cốt thép ngang
tw
Chiều dày của vách
Vc
Khả năng chịu cắt của bê tông theo ACI 318-05
vc
Ứng suất cắt thiết kế cho vật liệu bê tông theo BS 8110-97
v'c
Ứng suất chịu cắt của bê tông trên mặt cắt bất kỳ theo BS 8110-97
Vs
Khả năng chịu cắt của cốt thép theo ACI 318-05
Vu
Lực cắt theo ACI 318-05
yc
Khoảng cách từ trọng tâm bê tông vùng nén đến trục trung hòa.
yi
Khoảng cách từ tâm phần tử thứ i đến trục chính
ys
Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép đến trục trung hòa.
φ
Hệ số giảm cường độ của vật liệu khi chịu nén theo ACI 318-05
φb
Hệ số giảm cường độ của vật liệu khi chịu kéo theo ACI 318-05
γc
Hệ số an toàn của vật liệu bê tông theo BS 8110-97
γm
Hệ số tính đến sự khác biệt giữa giá trị thực tế và giá trị thí nghiệm
theo BS 8110-97
γs
Hệ số an toàn của vật liệu thép theo BS 8110-97
ϕ
Hệ số kể đến ảnh hưởng của uốn dọc
λ
Hệ số độ mảnh
μ
Hàm lượng cốt thép
μmax
Hàm lượng cốt thép tối đa
μmin
Hàm lượng cốt thép tối thiều
σsi
Ứng suất trong thanh cốt thép thứ i
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao ............................... 4
Hình 1.2. Hệ kết cấu chịu lực dạng khung ........................................................ 5
Hình 1.3. Kết cấu chịu lực dạng tường - vách .................................................. 6
Hình 1.4. Sơ đồ hệ khung - vách ....................................................................... 6
Hình 1.5. Vách đối xứng chỉ về độ cứng ........................................................... 8
Hình 1.6a. Vách bố trí đối xứng........................................................................ 9
Hình 1.6b. Lõi bố trí chịu uốn theo hai phương ............................................... 9
Hình 1.6c. Lõi bố trí đối xứng ........................................................................... 9
Hình 1.7. Mô hình hóa vách cứng ................................................................... 10
Hình 1.8. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................... 10
Hình 1.9. Xử lý lỗ cửa nhỏ .............................................................................. 13
Hình 2.1. Nội lực tác động lên vách ............................................................... 18
Hình 2.2. Minh họa cách chia phần tử ........................................................... 19
Hình 2.3. Mặt cắt và mặt đứng vách ............................................................... 20
Hình 2.4. Trình tự xây dựng biểu đồ tương tác .............................................. 22
Hình 2.5. Biểu đồ biến dạng, ứng suất theo ACI ............................................ 26
Hình 2.6. Mặt cắt vách có gia cường vùng biên ............................................. 30
Hình 2.7. Biểu đồ biến dạng, ứng suất theo BS .............................................. 35
Hình 2.8. Minh họa cách chia phần tử ........................................................... 39
Hình 2.9. Bố trí cốt thép vách ......................................................................... 41
Hình 2.10. Minh họa cách chia phần tử ......................................................... 41
Hình 2.11. Bố trí cốt thép vách ....................................................................... 43
Hình 2.12. Biểu đồ tương tác theo ACI ........................................................... 44
Hình 2.13. Biểu đồ tương tác theo ACI ........................................................... 45
Hình 2.14. Minh họa cách chia phần tử ......................................................... 46
Hình 2.15a. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 1 và trường hợp 3 ............. 48
Hình 2.15b. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 2 ........................................ 48
Hình 2.16. Minh họa cách chia phần tử ......................................................... 49
Hình 2.17a. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 1 và trường hợp 3 ............. 50
Hình 2.17b. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 2 ........................................ 50
Hình 2.18. Biểu đồ tương tác theo BS ............................................................. 51
Hình 2.19. Biểu đồ tương tác theo BS ............................................................. 52
Hình 2.20. Biểu đồ tương tác theo BS ............................................................. 53
Hình 2.21. Biểu đồ tương tác theo BS ............................................................. 54
Hình 3.1. Biểu đồ biến dạng, ứng suất theo TCVN......................................... 60
Hình 3.2. Minh họa cách chia phần tử ........................................................... 63
Hình 3.3a. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 1 .......................................... 65
Hình 3.3b. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 2 .......................................... 65
Hình 3.3c. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 3 .......................................... 65
Hình 3.4. Minh họa cách chia phần tử ........................................................... 66
Hình 3.5a. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 1 và trường hợp 3 ............... 67
Hình 3.5b. Bố trí cốt thép vách cho trường hợp 2 .......................................... 67
Hình 3.6. Biểu đồ tương tác theo TCVN ......................................................... 68
Hình 3.7. Mặt cắt vách có gia cường vùng biên ............................................. 78
1
MỞ ĐẦU
• Lý do lựa chọn đề tài:
- Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và nhà siêu cao tầng đang bùng nổ
mạnh mẽ ở Việt Nam, đặc biệt ở các khu đô thị lớn như thành phố Hà Nội và
thành phố Hồ Chí Minh. Tuy nhiên giải pháp kết cấu khung BTCT toàn khối
không đáp ứng được yêu cầu chịu tải trọng ngang lớn, yêu cầu về chuyển vị
nên giải pháp sử dụng kết cấu vách cứng - lõi cững BTCT toàn khối cho các
công trình cao tầng và siêu cao tầng là tối ưu.
- Hệ kết cấu vách cứng - lõi cứng có những ưu điểm như: Khả năng
chịu tải trọng ngang lớn, độ cứng lớn, chuyển vị ngang nhỏ. Vách - lõi vừa
làm chức năng tường chịu lực lại vừa làm chức năng tường bao che đồng thời
làm chức năng giao thông theo phương đứng. Vách - lõi cũng có thể chịu tải
trọng đứng rất tốt mà tiết diện mỏng lại có thể dùng làm vách ngăn, tiết kiệm
diện tích sử dụng.
- Việc nghiên cứu về cấu tạo và tính toán hệ kết cấu vách cứng - lõi
cứng BTCT toàn khối nói chung đã có nhiều tác giả quan tâm, nghiên cứu và
đưa ra chỉ dẫn về cấu tạo, tính toán cho loại kết cấu này. Tuy nhiên, tiêu
chuẩn thiết kế kết cấu xây dựng của Việt Nam đối với hệ kết cấu vách - lõi
BTCT toàn khối chưa được ban hành, gây khó khăn cho các nhà thiết kế và
xây dựng khi lựa chọn sử dụng kết cấu này. Vì vậy, việc nghiên cứu đề xuất
tính toán và giải pháp cấu tạo cho vách cứng nhà cao tầng BTCT liền khối
theo một số tiêu chuẩn nước ngoài hoàn toàn có ý nghĩa thực tiễn.
• Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu các tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo vách cứng nhà cao tầng
theo một số tiêu chuẩn nước ngoài.
- Thực hành tính toán vách đặc BTCT tiết diện chữ nhật theo một số
tiêu chuẩn nước ngoài.
2
- Nghiên cứu đề xuất tính toán và giải pháp cấu tạo cho vách cứng đặc
tiết diện chữ nhật nhà cao tầng BTCT liền khối theo một số tiêu chuẩn nước
ngoài.
• Đối tượng nghiên cứu
- Vách cứng đặc tiết diện chữ nhật trong kết cấu nhà cao tầng BTCT
liền khối.
• Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu, tính toán vách đặc (không có lỗ) tiết diện chữ nhật trong
kết cấu nhà cao tầng BTCT liền khối theo một số tiêu chuẩn nước ngoài.
• Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các tài liệu, các tiêu chuẩn tính toán
vách cứng đặc tiết diện chữ nhật trong kết cấu nhà cao tầng BTCT liền khối.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên máy tính: Sử dụng phần mềm tính toán.
• Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Nghiên cứu phương pháp tính toán vách đặc BTCT tiết diện chữ nhật
theo tiêu chuẩn Việt Nam
- Góp phần đề xuất tính toán, giải pháp cấu tạo cho vách cứng trong kết
cấu nhà cao tầng BTCT liền khối theo tiêu chuẩn Việt Nam.
- Là tài liệu tham khảo cho sinh viên, cán bộ nghiên cứu và tham khảo
trong công tác thiết kế.
THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
A. Kết luận
1. Trong hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có quy định cụ thể về thiết
kế kết cấu vách cứng BTCT.
2. Các phương pháp tính toán vách cứng được xem xét trong luận văn là
phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi, phương pháp vùng biên chịu mômen
và phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác. Bản chất là quy vách cứng về
các cấu kiện cơ bản, rồi căn cứ tiêu chuẩn cụ thể để tính toán cốt thép cho các
cấu kiện cơ bản đó. Do đó, các phương pháp này có thể sử dụng với TCVN
khi tính toán vách đặc BTCT.
3. So sánh kết quả tính toán cốt thép trên cùng một dữ liệu đầu vào theo
ba tiêu chuẩn ACI 318-05, BS 8110-97 và TCVN 5574-2012 cho thấy, hàm
lượng cốt thép dọc và ngang tính theo TCVN nhỏ hơn các Tiêu chuẩn còn lại.
Ngoài quan điểm khác nhau về hệ số an toàn vật liệu, các tiêu chuẩn nước
ngoài có đưa thêm hệ số suy giảm cường độ, làm giảm đáng kể khả năng chịu
lực tính toán của cấu kiện. Do vách là cấu kiện chịu lực quan trọng, khi
TCVN chưa có quy định cụ thể, trước mắt luận văn đề xuất sử dụng thêm hệ
số suy giảm cường độ tham khảo từ tiêu chuẩn nước ngoài để tính toán vách
theo TCVN (ϕ = 0.56-0.8).
4. Trên cơ sở tham khảo các Tiêu chuẩn ACI 318, BS 8110-97 và một số
tài liệu hướng dẫn thiết kế vách cứng, luận văn đã đề xuất một số hướng dẫn
cấu tạo và bố trí cốt thép cho vách cứng tiết diện đặc.
B. Kiến nghị và phương hướng nghiên cứu tiếp
1. Cần tiếp tục nghiên cứu tính toán vách cứng có lỗ và có lỗ theo tiêu
chuẩn Việt Nam, trong đó cần phải nghiên cứu mối quan hệ giữa hệ số ảnh
hưởng của uốn dọc ϕ với tỉ lệ chiều cao trên bề dày vách Lw/tw.
2. Tiếp tục xây dựng hệ thống tiêu chuẩn tính toán và giải pháp cấu tạo
cho các cấu kiện của nhà cao tầng tại Việt Nam một cách đồng bộ và theo xu
hướng hội nhập Quốc tế.
81
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
1. Nguyễn Đình Cống (2007), Tính toán thực hành cấu kiện bê tống cốt
thép theo TCXDVN 356:2005, NXB Xây dựng, Hà Nội.
2. Lê Thanh Huấn (2009), Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Hà Nội
3. Cao Duy Khôi (2012), Thiết kế kết cấu lõi-vách BTCT, Hà Nội
4. Võ Mạnh Tùng, Nguyễn Tuấn Trung, Một số phương pháp tính cốt
thép cho vách phẳng bê tông cốt thép, Bộ môn Công trình Bê tông cốt thép –
Đại học Xây dựng Hà Nội, Hà Nội.
5. Công ty tư vấn Xây dựng dận dụng Việt Nam (2004), Cấu tạo bê tông
cốt thép, Nhà Xuất bản Xây dựng
6. TCVN 2737:1995, Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế, Bộ Khoa
học Công nghệ.
7. TCVN 5574:2012, Kết cấu Bê tông và Bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn
thiết kế, Bộ Khoa học Công nghệ.
8. TCVN 9386-1:2012, Thiết kế Công trình chịu động đất – Phần 1, Quy
định chung, tác động động đất và quy định đối với kết cấu nhà, Bộ Khoa học
Công nghệ.
Tiếng Anh
9. American Concrete Institue, ACI 381-05, Building Code Requirements
For Structural Concrete.
10. British Standards Institution, BS8110 (1997), Structural Use of
Concrete.
11. Structural and Earthquake Engineering Software (1997), ETAB Shear
Wall Design Manual.
