Nghiên cứu bố trí khung - vách hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH
HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG
NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN
Mã số : 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quang Tùng

Phản biện 1: PGS.TS. Phạm Thanh Tùng
Phản biện 2: PGS. TS. Trần Quang Hưng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công
nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 11 tháng 3
năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
1.1 Đặt vấn đề
Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự bùng nổ dân số, trong
khi diện tích xây dựng lại có hạn, việc lựa chọn giải pháp nhà cao
tầng là xu thế tất yếu. Ngày càng nhiều nhà cao tầng mọc lên ở các
thành phố lớn trên thế giới và trong nước. Mặt khác cùng với sự tiến
bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các công trình xây dựng
trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp
tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp.
Tại Việt Nam do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và xã hội
dẫn đến tại một số thành phố lớn dân số tập trung ngày càng đông
đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại,
khách sạn, … tăng lên đánh kể, trong khi đó quỹ đất xây dựng lại
thiếu trầm trọng. Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố
trí nhiều văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đấy phát
triển kinh tế, giảm chi phí vận hành … Điều này đã thúc đẩy sự hình
thành và phát triển nhà cao tầng.
Đặc trưng chủ yếu của nhà cao tầng là số tầng nhiều, độ cao
lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động của tải trọng ngang. Khi chiều
cao của công trình càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính toán thiết
kế cũng gia tăng theo. Đặc biệt là việc xác định phản ứng của công

trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng
do gió, động đất, ….
Đối với nhà cao tàng, ngoài việc chọn phương án kết cấu đủ
đảm bảo khả năng chịu lực cho công trình, một vấn đề thường phải
đối diện khi thiết kế nhà cao tầng là giải pháp để hạn chế chuyển vị
ngang. Chuyển vị ngang của công trình nếu lớn không chỉ gây cảm
giác khó chịu cho người sử dụng mà còn làm hư hỏng các hạng mục
phụ như của kính, lan can...
1.2 Thực trạng nghiên cứu về việc hạn chế chuyển vị ngang nhà
cao tầng
Hạn chế chuyển vị ngang công trình nhà cao tầng hiện nay đã


2
được nhiều tác giả nghiên cứu với nhiều phương pháp khác nhau như
tác giả Hồ Việt Hùng đã nghiên cứu đề tài: "Hạn chế chuyển vị
ngang cho nhà cao tầng bằng cách sử dụng Outtrigger (dầm
gánh)". Tác giải Nguyễn Hồng Hải nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu
sự làm việc của nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu
tải trọng động đất ở Việt Nam"... Nhìn chung các đề tài này đều đưa
ra giải pháp tăng độ cứng của công trình mà cụ thể là khung và vách
chịu tác dụng của tải trọng ngang và tải trọng thẳng đứng.
Hệ kết cấu chịu lực ngang và lực đứng trong các công trình
cao tầng này chủ yếu là hệ khung và vách/lõi. Tuy nhiên, các nhà cao
tầng hiện nay tại Việt Nam thường có bước cột tương đối lớn trong
khi chiều cao của dầm tương đối nhỏ nhằm đảm bảo chiều cao thông
thủy với một chiều cao tầng thấp nhất. Tuy nhiên, không thể tùy tiện
tăng kích thước vách lõi do ảnh hưởng bởi sơ đồ công năng và kiến
trúc công trình. Vậy nên, cần phải có một sự tính toán, phân phối
khối lượng khung - vách/lõi hợp lý để vừa đảm bảo độ cứng ngang

cho kết cấu, vừa đảm bảo tiết kiệm diện tích sử dụng cũng như chi
phí cho công trình. Đó chính là mục tiêu của đề tài luận văn:
“Nghiên cứu bố trí khung - vách hợp lý để hạn chế
chuyển vị ngang nhà cao tầng bê tông, cốt thép”
2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu đặt ra là sử dụng cùng một tổng thể tích Khung và
Vách được xác định dựa theo các công thức tính toán sơ bộ, cần phải
phân phối hợp lý cho Khung và vách một cách hợp lý để chuyển vị
ngang ở đỉnh công trình là bé nhất.
Một cách chi tiết, cần phải chọn kích thước tiết diện hệ khung và
chiều dày vách cứng, cũng như vị trí có thể cắt giảm vách cứng để bố
trí cột nhằm mục đích tăng độ cứng ngang cho công trình và từ đó có
thể giảm chuyển vị đỉnh cho công trình.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn trong các công
trình cao tầng bê tông cốt thép sử dụng hệ chịu lực Khung - Vách/lõi.
Trong hệ Khung - Vách chịu lực này, hoàn toàn có thể xác định được


3
tổng thể tích của hệ Khung (cột+dầm) và Vách được sử dụng để làm
kết cấu chịu lực cho công trình.
4. Nội dung thực hiện
 Lý thuyết:
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán độ cứng của hệ khung và
vách trong công trình bê tông cốt thép.
- Nghiên cứu ảnh hưởng hệ khung và hệ vách đến chuyển vị
tổng thể của công trình.
- Đưa ra nhận định sơ bộ về việc bố trí hệ khung-vách nhằm
hạn chế chuyển vị đỉnh của công trình.

 Tính toán:
- Nghiên cứu bố trí tỷ lệ khung - vách nhằm hạn chế chuyển vị
đỉnh công trình bằng phần mềm Etabs.
- Nhận xét, đánh giá kết quả.
5. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về nhà cao tầng bê tông cốt thép.
Chương 2: Chuyển vị ngang của công trình có sơ đồ khung
giằng dưới tác dụng của tải trọng ngang.
Chương 3: Nghiên cứu hạn chế chuyển vị ngang công trình
bằng phương pháp phân phối độ cứng khung - vách.
Kết luận và kiến nghị.


4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Trong chương này, tác giả đề cập đến sự làm việc của hệ chịu
lực trong nhà cao tầng, cụ thể là sự tương tác giữa khung và vách
trong kết cấu khung giằng chịu lực của toàn công trình. Sự phát triển
của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đó việc nghiên
cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được
thực hiện. Đối với nhà cao tầng, chuyển vị ngang của nhà gây ra
nhiều tác động có hại đến kết cấu và đến sự làm việc của công trình,
do đó một số phương pháp hạn chế chuyển vị ngang cũng được
nghiên cứu trong chương này.
1.1 . Kết cấu nhà cao tầng và xu hƣớng phát triển
1.1.1 Hệ kết cấu của nhà cao tầng
1.1.2 Sự làm việc của hệ kết cấu
1.1.3 Xu hướng phát triển của nhà cao tầng
1.2 Ảnh hưởng của chuyền vị ngang đến sự làm việc của công trình

1.3 Các phƣơng pháp hạn chế chuyển vị ngang công trình
1.3.1 Bố trí Outrigger
1.4 Phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý (tăng độ
cứng cho bản thân công trình)
1.5 Kết luận chƣơng 1
Những nghiên cứu ở chương 1 cho thấy, nhà nhiều tầng phải
chịu ảnh hưởng rất lớn bởi tác động của tải trọng ngang, công trình
càng cao thì ảnh hưởng của tải trọng ngang càng lớn và do đó chuyển
vị ngnag công trình càng đáng kể. Yêu cầu tăng độ cứng ngang, giảm
chuyển vị là một vấn đề luôn được đặt ra cho việc thiết kế. Và hệ kết
cấu luôn biến đổi không ngừng để thỏa mãn vấn đề này. Ngày nay
việc sử dụng hệ khung - vách kết hợp là giải pháp kết cấu hiệu quả
để tăng độ cứng ngang cho công trình. Đồng thời để tăng tải trọng
ngang hiệu quả nhằm đảm bảo cho kiến trúc, công năng sử dụng và
hiệu quả kinh tế khi thiết kế cần phải phân phối, bố trí độ cứng ngang
hợp lý. Sự làm việc của hệ kết cấu này sẽ được trình bày cụ thể trong
chương 2.


5
CHƢƠNG 2
CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CÔNG TRÌNH CÓ SƠ ĐỒ
KHUNG – GIẰNG DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
NGANG
Trong chương này, tác giả đi sâu nghiên cứu sự làm việc của kết
cấu khung – giằng chịu lực trong nhà cao tầng. Công trình được xét
sẽ chịu tác dụng của tải trọng ngang, dưới tác dụng của tải trọng này
khung và vách cứng trong kết cấu chịu lực sẽ có chuyển vị khác nhau
và do đó sẽ có sự tương tác. Chính điều này ảnh hưởng đến ứng xử
của toàn công trình. Chuyển vị ngang của công trình có kết cấu đơn

giản, cấu tạo đồng đều từ trên xuống cũng sẽ được trình bày và qua
đó nêu lên các phương pháp bố trí khung – vách cứng để có thể hạn
chế chuyển vị ngang công trình.
2.1. Sự làm việc của công trình cao tầng có sơ đồ khung – giằng
2.1.1. Kết cấu khung – giằng
2.2. Tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng
2.2.1. Tải trọng gió
2.2.2. Tải trọng động đất
2.3. Sự tƣơng tác trong hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng
ngang
2.4. Phƣơng pháp tính toán gần đúng cho hệ khung - vách chịu
tải trọng ngang
2.5. Đề xuất phƣơng án hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng
2.5.1. Giảm tác dụng của tải trọng ngang lên công trình
2.5.2. Tăng mô men quán tính của vách cứng
2.5.3. Thay đổi tỷ số độ cứng  H
2.6. Cắt vách cứng ở những tầng cao và bố trí độ cứng khung tại
những tầng đó
2.7. Tăng lực tƣơng tác đỉnh công trình QH
2.8. Kết luận chƣơng 2
Qua phân tích như trên nhận thấy qui luật đường cong chuyển
vị khi hệ chịu tải trọng phân bố đều thì chuyển vị ngang công trình
phụ thuộc rất nhiều vào độ cứng αH và sự tương tác khung - vách


6
trong công trình. Khi độ cứng αH của công trình có độ cứng lớn,
chuyển vị ngang nhỏ, biểu đồ chuyển vị gần như là đường thẳng theo
chiều cao (hình 17). Khi độ cứng của công trình có độ cứng nhỏ hơn,
chuyển vị ngang lớn, biểu đồ chuyển vị gần như là đường cong theo

chiều cao.
Như vậy, giá trị αH càng nhỏ, dạng chuyển vị ngang của hệ
khung giằng gần với biến dạng uốn của kết cấu vách. Giá trị αH càng
lớn, ảnh hưởng tương tác của khung đến hệ là đáng kể, dạng chuyển
vị ngang của hệ gần với biến dạng cắt của kết cấu khung. Với nhà
cao tầng nước ta hiện nay phổ biến được thiết kế có hệ kết cấu
khung giằng, hệ vách lõi được thiết kế chịu phần lớn tải trọng, nên
qui luật chuyển vị ngang của hệ gần với qui luật chuyển vị ngang của
vách, phù hợp với các dạng đường cong K1.
Để tối ưu hóa chuyển vị ngang công trình cần tăng độ cứng
cho công trình, dồng thời khi sử dụng hệ khung-vách thì cũng cần
quan tâm đến điểm uốn (như hình 17) để tại đó vách không còn tác
dụng và chúng ta cắt vách để giảm bớt chi phí cho công trình, nếu
trong trường hợp cần thiết thì khối lượng bê tông vách cứng ta có thể
bổ sung cho hệ kết cấu khung nhằm tăng độ cứng cho khung từ vị trí
cắt vách đến đỉnh công trình.


7
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG CÔNG
TRÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN PHỐI ĐỘ CỨNG
KHUNG - VÁCH
3.1. Mô hình phân tích
Xét công trình bê tông cốt thép có quy mô 20 tầng, chiều cao
tầng 3,6m, khoảng cách giữa các cột  8m . Lõi cứng nằm ở tâm
công trình. Tải trọng tác dụng lên công trình bao gồm trọng lượng
bản thân

g , hoạt tải sử dụng q  300 daN / m2 , tải trọng gió

W0  95daN / m2 và tải trọng động đất. Công trình có cấp dẻo
trung DCM, hệ số tầm quan trọng

 1  1,25 ,

chịu gia tốc nền

agr  0,9869 m / s 2 . Vật liệu sử dụng là bê tông B25, cốt thép dọc
CII. Kích thước tiết diện dầm, cột và vách được xác định theo giá trị
tải trọng tác dụng và thay đổi theo chiều cao công trình.

Hình 1: Hệ kết cấu khung giằng
a- Mặt bằng, b- Sơ đồ 3D


8
Mục tiêu của nghiên cứu là với mặt bằng công trình đã có,
tổng thể tích bê tông sử dụng cho công trình là không đổi, cần phải
phân phối lượng bê tông này cho hệ khung – lõi một cách hợp lý
nhất để tăng hiệu quả trong việc hạn chế chuyển vị ngang công trình.
Bài toán được thực hiện qua nhiều bước:
- Bước 1: Lựa chọn sơ bộ kích thước tiết diện khung / vách
theo các công thức kinh nghiệm, từ đó có được tổng thể tích bê tông
công trình.
- Bước 2: Theo như phân tích ở chương 2, giá trị  H phụ
thuộc vào tỷ lệ kích thước khung/vách. Giá trị này tỷ lệ nghịch với
chuyển vị ngang công trình. Vậy nên trong bước này, ta giả thiết
tổng thể tích bê tông là không đổi, lựa chọn lại kích thước tiết diện
dầm / cột theo tiêu chí cực đại hóa giá trị  H .

- Bước 3: Xác định được cao trình mà từ đó trở lên trên có thể
giảm bớt thể tích lõi cứng.
- Bước 3: Sử dụng các kích thước tiết diện đã được lựa chọn
lại trong bước 2, mô hình 3D kết cấu công trình với toàn bộ các tải
trọng tác dụng (Tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió, tải trọng động đất).
- Bước 4: Phân tích chuyền vị ngang công trình theo các
trường hợp khác nhau.
3.1.1. Chọn sơ bộ tiết diện dầm, cột, vách cứng:
 Sơ bộ chọn kích thƣớc dầm
+ Chiều cao dầm: h=

1
.ld (Trong đó : md=8  12 đối với dầm
md

chính).

1 1 
h     .600  75  50 cm Chọn h=65cm.
 8 12 
+ Chiều rộng tiết diện dầm: b=(0,3  0,5)h  Chọn b=30cm.
Vậy ta chọn kích thước dầm chính 30x65cm2 cho toàn hệ dầm
và không đổi trong toàn công trình để tính thể tích bê tông dầm.
 Chọn sơ bộ kích thƣớc tiết diện cột
Cột thường là cấu kiện chịu nén lệch tâm, thường có tiết diện


9
hình chữ nhật, tuy nhiên để đơn tại công trình mình đang xét mỗi
nhịp dầm chính và dầm phụ có nhịp là 6m nên không xét đến độ lệch

tâm vì vậy ta chọn cột vuông có h=b.
Tiết diện cột thường được chọn sơ bộ theo công thức gần đúng
trước khi thiết kế cụ thể, và theo các điều kiện ổn định sau:
λb =

l0
     31 .
b

Trong đó:

l0: Chiều cao tính toán của cột: l0 = 0,7.h
λ: Bán kính giới hạn đối với cột nhà:[ λb]= 31

Sơ bộ xác định kích thước cột theo công thức: Ac  k .

N ;
Rb

hc =(1,5  3)bc.
Trong đó :
k=(1,2  1,5): Hệ số kể đến momen uốn trong cột, lấy tùy vị trí
của cột trong nhà và cột biên như: Cột trong nhà lấy bằng 1,2, cột
biên lấy bằng 1,35, cột góc nhà chịu tải gió theo hai phương lấy bằng
1,5. Chọn k=1,5.
N : lực nén tác dụng lên cột xác định theo diện tích truyền tải.
Rb : cường độ chịu nén của bêtông. Bê tông B20 có Rb =
11,5MPa
Do chưa có số liệu cụ thể nên lấy: N= (11,2).n.Fs(T).
Trong đó: + (1  1,2)T/m2: Tải trọng (tĩnh tải + hoạt tải) của

dầm, sàn, tường trung bình trên 1m2 tầng.
+ n: số tầng mà cột đó phải chịu.
+ Fs: Tổng diện tích các tầng tác dụng trong phạm vi
quanh cột.


N

a

a

a

10

a

N
l1

l2

a

Hình 2: Diện tích chịu tải của cột
Vậy N=1.n.Fxq
Chọn tiết diện cột trong khoảng: hc=(1,5÷ 3) bc.
Sau khi chọn tiết diện cột phải thoả mãn độ mảnh theo cả hai

a

phương, với cột tiết diện chữ nhật λb=

l0
l
≤31 hoặc λb= 0 ≤120; r=
b
r

a

a

J
;
F
Trong đó : lo=0,7.H
H : chiều cao hình học của cột.
b : bề rộng cột.
Ta có: n=20, Fs=6x6=36m2.  N = 1x20x36 = 720Tm.

l1

 Ac  1, 2 x

720l2x1000
 7513 cm2
115

Vậy chọn cột vuông tiết diện 80x80 cm2.
 Chọn sơ bộ kích thƣớc vách cứng
Theo TCVN 1998 (TCXD 198-1997) quy định độ dày vách
không nhỏ hơn một trong hai giá trị sau: 150mm

ht
3600

 180mm
20
20


11
Với ht: là chiều cao tầng điển hình.
Sơ bộ chọn tiết vách dày 20cm.
Kết quả chọn sơ bộ kích thước tiết diện khung / vách được thể
hiện trong Bảng bên dưới.
Bảng 1: Bảng tổng hợp thể tích bê tông:
Tiết diện

b(m) h(m) Số lƣợng Cao/Dài/Khoảng cách Vb (m3)

Cột 800x800

0.8 0.8

20

3.6

46.08

Dầm 300x650

0.3 0.65

16

6

18.72

VáchX 200x3000 0.2

3

2

2

2.40

VáchY 200x3000 0.2

3

2

0

2.40

Tổng cộng

69.60

Kích thước tiết diện của các kết cấu chịu lực chính trong công
trình được chọn theo các công thức sơ bộ cho công trình cao tầng bê
tông cốt thép: Tiết diện dầm bxh=300x650 mm2, tiết diện cột
bxh=800x800 mm2, chiều dày vách t=200 mm. Tổng thể tích bê tông
được dùng cho công trình là V=69.60m3. Qua phân tích sơ bộ phản
ứng dao động của công trình, nhận thấy chu kỳ dao động T=1.992s,
nằm trong khoảng hợp lý 0.06n≤T=1.992s≤0.1n. Vậy việc lựa chọn
kích thước tiết diện các cấu kiện của công trình này hoàn toàn phù
hợp cho việc thiết kế công trình.
Tuy nhiên, bài toán đặt ra là việc chọn kích thước tiết diện
như thế đã đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang công trình chưa. Vậy
nên, mục tiêu của bài toán này là từ thể tích bê tông V=69.60m3, từ
các kích thước sơ bộ của công trình, lựa chọn lại các kích thước tiết
diện dầm, cột và bố trí vách hợp lý để giảm thiểu chuyển vị ngang
của công trình.
3.1.2. Lựa chọn kích thước tiết diện khung hợp lý
Để lựa chọn kích thước tiết diện dầm và cột hợp lý, giả thiết
tổng thể tích bê tông cần thiết cho công trình là không đổi V=
69,6m3, giữ nguyên sự bố trí vách cứng chịu lực, như vậy muốn tăng


12
kích thước tiết diện dầm thì phải giảm kích thước tiết diện cột và

ngược lại.
Từ công thức biểu diễn quan hệ giữa chuyển vị ngang công
trình với các đại lượng liên quan, ta có thể biểu thị quan hệ giữa
K H   H theo biểu đồ bên dưới:
yH 

wH 4
8

4
EI
 H 

2
  H sinh  H  1
(cosh  H  1)   H sinh  H  0,5  H  
 cosh  H




ể

ị ỉ

ệ ữ



yH   H

Qua biểu đồ này ta nhận thấy rằng, khi  H thay đổi từ 0 đến
Hình 3: Biểu đồ quan hệ giữa

4.0, yH thay đổi rất lớn, và qua đó ảnh hưởng lớn đến chuyển vị
ngang của công trình.
Và ngoài ra,  H càng lớn thì yH càng bé, và do đó chuyển vị
ngang của công trình sẽ càng bé. Vậy mục tiêu đặt ra là phải bố trí hệ
khung sao cho  H lớn nhất. Khi đó chuyển vị công trình sẽ được
hạn chế đến mức tối đa.
Giả sử tải trọng ngang tác dụng lên công trình là phân bố đều
và có giá trị 100 kN/m, ta lập được bảng khảo sát sự thay đổi chuyển
vị ngang đỉnh y(H) theo sự bố trí kích thước tiết diện dầm và cột như


13
bên dưới.
Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y(H) theo kích thước tiết
diện khung được thể hiện trong Bảng bên dưới:
Bảng 2: Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y(H)
ế

ệ

ộ

ế

ệ

ầ

Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y(H) theo kích thước tiết diện
khung là khá phức tạp:
- Tiết diện cột quá lớn thì tiết diện dầm sẽ bé và ngược lại,
không đảm bảo cho việc tăng độ cứng của khung, và như vậy không
hạn chế được chuyển vị ngang của công trình;
- Tương quan về độ cứng của dầm và cột hợp lý thì sẽ đảm
bảo độ cứng ngang cho khung và như vậy giúp hạn chế chuyển vị
ngang công trình. Cụ thể, nếu chọn tiết diện dầm bxh =
300x1190mm2, tiết diện cột bxh = 650x650mm2, chuyển vị ngang
đỉnh của công trình sẽ bé nhất y(H)=0.05m.
Tuy nhiên, việc lựa chọn kích thước tiết diện khung còn phải
đảm bảo yêu cầu về kiến trúc và cấu tạo công trình, do đó tác giả đề
xuất chọn kích thước tiết diện dầm bxh = 300x850mm2 và tiết diện
cột bxh = 750x750mm2 để tiến hành các phân tích tiếp theo.
3.1.3. Xác định cao độ có thể hạn chế thể tích vách cứng
Với kích thước tiết diện khung đã được lựa chọn và sự bố trí


14
vách cứng trên công trình, áp dụng phương trình (2.23)
























 
 













ta tính được độ cao z=48.2m mà từ đó trở lên ta có thể hạn chế
kích thước vách cứng.
3.1.4. Phân tích chuyển vị ngang của công trình bằng phương
pháp phần tử hữu hạn
Trong phần này mô hình công trình bằng phần mềm
Etabs2015 để phân tích chuyển vị công trình dưới tác dụng của trọng
lượng bản thân, hoạt tải sử dụng và tải trọng gió (gió động và gió
tĩnh). Việc bố trí vách cứng và kích thước tiết diện khung ảnh hưởng
lớn đến đặc trưng dao động của công trình, và do đó cũng sẽ ảnh
hưởng đến tải trọng động tác dụng lên công trình, gây hiệu ứng thứ
cấp đến việc kiểm soát chuyển vị ngang công trình. Một số trường
hợp được phân tích như sau:
- Trường hợp 1: Cột 800x800 mm2, dầm 300x650 mm2.
- Trường hợp 2: Cột 750x750 mm2, dầm 300x850 mm2.
- Trường hợp 3: Cột 750x750 mm2, dầm 300x850 mm2,
cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên.
- Trường hợp 4: Cột 750x750 mm2, dầm 300x850 mm2,
cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên và tăng tiết diện
các dầm từ tầng 14 trở lên thành 350x900mm2.

 




15

Hình 4: Mặt bằng khung giằng (cột 800x800)

Hình 5: Mặt bằng khung giằng (cột 750x750)

16

Hình 6: Mặt bằng tầng 1-13(vị trí chuẩn bị cắt vách)

Hình 7: Mặt bằng tầng 14 - 20 (vị trí đã cắt vách và tăng tiết diện
dầm)


17

Hình 8: Mô hình 3D công trình đã cắt vách
 Phân tích đặc trƣng dao động công trình
Các kết quả phân tích và so sánh các trường hợp mô hình như
trên, ta có bảng tổng hợp chu kỳ T(s) và chuyển vị ngang cơ bản ở
đỉnh công trình


18
Bảng 3: Tổng hợp chu kỳ T(s) và chuyển vị ngang cơ bản yH (mm)
Tiêu chí so sánh
Trƣờng hợp 1 Trƣờng hợp 2 Trƣờng hợp 3 Trƣờng hợp 4
Chu kỳ T(s)
1.992
1.818
1.808
1.817
Chuyển vị ngang dao động yH (mm)
-43.3

-42.7
-43.12
-41.944

Các đặc trưng dao động công trình có sự thay đổi đáng kể trước và sau
khi lựa chọn kích thước tiết diện khung hợp lý cho công trình. Chu
kỳ dao động công trình trong trường hợp 2 giảm 9.5% so với trường
hợp 1. Chuyển vị ngang dao động giảm khoảng 1%, tuy nhiên điều
này cũng ảnh hưởng đến tải trọng ngang tác dụng lên công trình.
 So sánh tải trọng gió động tác dụng lên công trình
Tải trọng gió tĩnh chỉ phụ thuộc vào áp lực gió, đặc trưng
hình học của công trình chứ không phụ thuộc vào độ cứng cũng như
đặc trưng dao động công trình, vậy nên tải trọng gió tĩnh là không
đổi theo các trường hợp tính toán.
Tuy nhiên, tải trọng gió động phụ thuộc nhiều vào đặc trưng
dao động và khối lượng công trình nên rõ ràng sẽ có nhiều sự biến
động.
Bảng 4: Tải trọng gió động và khối lượng công trình
Tiêu chí so sánh
Tổng tải trọng gió động F(kN)
Khối lượng khung vách M(t)

Trƣờng hợp 1 Trƣờng hợp 2 Trƣờng hợp 3 Trƣờng hợp 4
1394.88
1247.08
1385.24
1385.01
7720.4666 7720.4666 7510.48613 7718.2516

Tải trọng gió động tác dụng lên công trình là ít nhất trong

trường hợp 2, khi tối ưu hóa tiết diện khung. Giá trị này không đổi
nhiều lắm khi so sánh trường hợp quy chiếu (trường hợp 1) và 2
trường hợp còn lại. Trường hợp 3 và 4 là hai trường hợp có giảm yếu
vách cứng, do đó đặc trưng dao động có suy giảm, việc tổng tải trọng
gió tăng trở lại cũng là hợp logic. Chênh lệch giá trị tải trọng gió
động cho trường hợp có lợi nhất (Trường hợp 2) và trường hợp bất
lợi nhất (Trường hợp 1) là 11,7%. Chênh lệch này là đáng kể và sẽ
ảnh hưởng không nhỏ đến ứng xử cũng như nội lực công trình.
 So sánh tải trọng động đất tác dụng lên công trình
Tương tự như thành phần động của tải trọng gió, tải trọng
động đất phụ thuộc rất lớn vào đặc trưng dao động của công trình.


19
Tuy nhiên sự biến thiên tổng lực cắt đáy do động đất lại không đồng
điệu với thành phần động của tải trọng gió.
Tổng lực cắt đáy lớn nhất cho trường hợp 2, là trường hợp đã
tối ưu kích thước tiết diện khung. Chênh lệch tổng lực cắt đáy giữa
các trường hợp tối ưu (TH2, 3, 4) lần lượt là 7%, 3% và 6%.
Bảng 5: Tải trọng gió động và khối lượng công trình
Tiêu chí so sánh
Trƣờng hợp 1 Trƣờng hợp 2 Trƣờng hợp 3 Trƣờng hợp 4
Chu kỳ T(s)
1.992
1.818
1.808
1.817
Chuyển vị ngang dao động yH (mm)
-43.3
-42.7

-44
-42.8
Tổng lực cắt đáy công trình Sb (kN)
2331.2
2483.6
2407.8
2466.9

Bảng 6: Tải trọng động đất - Trường hợp 1
ầ

ườ

ợ

ườ

ợ

ườ

ợ

ườ

ợ

Hình 9: Chuyển vị ngang yz(mm) tại từng mức sàn của công trình
Từ kết quả so sánh ta nhận thấy:
- Việc chọn kích thước tiết diện dầm và cột hợp lý (trường

hợp 2, y(H)=39.1mm) giúp giảm 19.5% chuyển vị ngang tại đỉnh
công trình so với việc lựa chọn kích thước dầm và cột theo các công
thức sơ bộ (trường hợp 1, y(H)=48.6mm);
- Việc cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên mà không bổ
sung độ cứng cho khung tại những tầng này (trường hợp 3,


20
y(H)=39.2mm) không làm thay đổi đáng kể chuyện vị tầng, tuy
nhiên nó lại giúp giảm đáng kể khối lượng công trình. Cụ thể có thể
giảm 209t, tương đương với 2.72% tổng khối lượng khung-vách;
- Việc cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên và bổ sung độ
cứng cho khung (trường hợp 4, y(H)=38mm) góp phần làm giảm
thêm chuyển vị đỉnh công trình. So với trường hợp 1, chuyển vị
ngang công trình trong trường hợp này giảm 21.8%.
Trong thực tế, để đơn giản trong tính toán thiết kế và thi công
công trình, chỉ cần chọn kích thước khung vách hợp lý và cắt giảm
vách tại các tầng cao (trường hợp 3) để đảm bảo hạn chế chuyển vị
ngang công trình và tiết kiệm vật liệu. Có thể không cần phải bổ
sung độ cứng cho khung tại những tầng trên như trương hợp 4, điều
này không giúp giảm nhiều chuyển vị ngang công trình so với trường
hợp 3 mà gây phức tạp trong thi công, tăng khối lượng công trình và
lãng phí vật liệu.
3.2. Kết luận
Đối với công trình cao tầng, bài toán hạn chế chuyển vị ngang
công trình dưới tác dụng của tải trọng ngang có ý nghĩa quan trọng.
Nghiên cứu đã đưa ra được các phân tích giải tích cho việc chọn kích
thước tiết diện khung hợp lý cho công trình cao tầng bê tông cốt
thép. Từ một cao trình nhất định, sự hiện diện của vách cứng không
còn nhiều ý nghĩa cho việc giảm chuyển vị ngang cho công trình,

việc cắt giảm vách cứng cho những tầng cao là điều cần thiết. Các
phép mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn góp phần làm rõ
hơn các công thức giải tích trong việc lựa chọn kích thước tiết diện
khung và bố trí vách cứng trong công trình.


21
KẾT LUẬN
Các nghiên cứu trong luận văn đã cho thấy, nhà nhiều tầng
phải chịu ảnh hưởng rất lớn bởi tác động của tải trọng ngang, công
trình càng cao thì chuyển vị ngang càng lớn. Yêu cầu giảm chuyển vị
ngang là một vấn đề luôn được đặt ra cho việc thiết kế.
Qua phân tích sự làm việc của kết cấu, thì chuyển vị ngang
công trình phụ thuộc rất nhiều vào độ cứng công trình EI và tỷ lệ độ
cứng khung vách αH.
Nghiên cứu đã đưa ra được các phân tích giải tích cho việc
chọn kích thước tiết diện khung hợp lý cho công trình cao tầng bê
tông cốt thép. Từ một cao trình nhất định, sự hiện diện của vách
cứng không còn nhiều ý nghĩa cho việc giảm chuyển vị ngang cho
công trình, việc cắt giảm vách cứng cho những tầng cao là điều cần
thiết. Các phép mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn góp
phần làm rõ hơn các công thức giải tích trong việc lựa chọn kích
thước tiết diện khung và bố trí vách cứng trong công trình.


DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1. Nguyễn Văn Quang, Nguyễn Quang Tùng, “Giảm chuyển vị
ngang nhà cao tầng nhờ phân bổ hợp lý độ cứng khung-vách”,

Tạp chí Xây dựng, vol. 01/2018, no. ISSN 0886-0762, 2018.