Nghiên cứu ứng xử của dầm chuyển trong kết cấu nhà nhiều tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất: luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

HỒ NGỌC LONG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM CHUYỂN
TRONG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG BÊ TÔNG
CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐỒNG NAI, NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

HỒ NGỌC LONG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM CHUYỂN
TRONG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG BÊ TÔNG
CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ NGÀNH: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU
GS.TS. PHAN QUANG MINH

ĐỒNG NAI, NĂM 2019


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và để hoàn thành đề tài nghiên cứu một cách thuận
lợi, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các Thầy/Cô giáo
trường Đại Học Lạc Hồng. Với tình cảm chân thành, tác giả bày tỏ lòng biết ơn trực
tiếp đến Thầy GS.TS Phan Quang Minh, Khoa Sau Đại Học, Khoa Kỹ Thuật Công
Trình – Trường Đại Học Lạc Hồng cùng các Thầy/Cô giáo đã tham gia quản lý, giảng
dạy và giúp đỡ cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có thể
còn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự
chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Sau là xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể cán bộ công nhân viên
chức Trường Đại Học Lạc Hồng. Kính chúc các Thầy các Cô tràn đầy hạnh phúc,
thành đạt và dồi dào sức khỏe để tiếp tục là người chèo đò đưa nguồn tri thức đến với
những thế hệ sinh viên.
Trân trọng cảm ơn!
Đồng Nai, ngày 03 tháng 9 năm 2019
Tác giả

Hồ Ngọc Long


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả : Hồ Ngọc Long
Sinh ngày: 02/6/1972
Quê quán: Nghệ An
Nơi công tác: Công ty Cổ phần Cấp nước Đồng nai

Tác giả xin cam đoan công trình nghiên cứu với đề tài ‘‘Nghiên cứu ứng xử
của dầm chuyển trong kết cấu nhà nhiều tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng
động đất’’ đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các số liệu, kết quả được
nêu trong trong luận văn là trung thực và chưa được công bố một nơi nào khác. Các
thông tin được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Kết quả tính toán dựa trên các tiêu chuẩn
xây dựng hiện hành. Nếu không đúng như những điều nêu ở trên, tác giả xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình.
Đồng Nai, ngày 03 tháng 9 năm 2019
Tác giả

Hồ Ngọc Long


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Kết cấu dầm chuyển với những đặc điểm cấu tạo hình học và khả năng chịu lực
được sử dụng trong các kết cấu nhà cao tầng BTCT, đáp ứng được yêu cầu về mặt
công năng, có thể là giải pháp tương đối tốt trong một số trường hợp đòi hỏi cần hệ
kết cấu chuyển vượt nhịp lớn giữa các tầng trên và tầng dưới của tòa nhà.
Do dầm chuyển phải nhận tải trọng rất lớn từ cột hay vách cứng ở phía trên
truyền xuống dầm nên dạng phá hoại do lực cắt thường hay xảy ra với dầm chuyển,
nên cần phải đặc biệt quan tâm đến tính toán chịu cắt khi thiết kế loại dầm này. Sự
phân bố ứng suất ở bên trong vùng nén không còn như giả thiết đã được sử dụng, giả
thiết tiết diện phẳng không còn phù hợp với dầm chuyển. Vì vậy khi tính toán dầm
chuyển cần lưu ý tới đặc điểm này.


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC HÌNH VẼ
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ DẦM CHUYỂN VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
.....................................................................................................................................3
1.1 Lý do sử dụng dầm chuyển trong kết cấu bê tông cốt thép ........................... 3
1.2 Khái niệm về dầm cao .................................................................................... 3
1.2.1 Lịch sử phát triển lý thuyết tính toán dầm cao ........................................3
1.2.2 Tình hình sử dụng dầm chuyển bê tông cốt thép trong xây dựng ...........5
1.3 Tình hình sử dụng thép cường độ cao trong các công trình bê tông cốt thép 9
1.3.1 Thuộc tính của thép cường độ cao ASTM 1035 ...................................10
1.3.2 Ảnh hưởng việc sử dụng thép cường độ cao trong kết cấu BTCT ........11
1.4 Động đất và tác động của động đất lên kết cấu nhà cao tầng ...................... 14
1.4.1 Khái niệm về động đất ...........................................................................15
1.4.2 Nguồn gốc .............................................................................................15
1.4.3 Đặc điểm động đất .................................................................................17
1.4.4 Thang đo động đất .................................................................................19
1.4.5 Tác động của động đất tới nền đất và công trình xây dựng ..................21
1.5 Kết luận chương 1 ........................................................................................ 22
Chương 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN DẦM CHUYỂN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG
ĐẤT ...........................................................................................................................23
2.1 Khái niệm và công năng của dầm chuyển ................................................... 23
2.1.1 Khái niệm dầm chuyển ..........................................................................23
2.1.2 Công năng của dầm chuyển...................................................................23
2.1.3 Ưu điểm và khuyết điểm của dầm chuyển ............................................23
2.1.4 Các loại dầm chuyển BTCT ..................................................................24
2.2 Các phương pháp tính toán dầm chuyển ...................................................... 24
2.2.1 Tính toán kết cấu theo tiêu chuẩn ACI 318-2002 .................................24

2.2.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo (Strut and tied)....................................32
2.3 Phương pháp phổ phản ứng tính toán động đất ........................................... 47
2.4 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 54
Chương 3: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ DẦM CHUYỂN TRONG KẾT CẤU NHÀ
NHIỀU TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT .............55
3.1 Công trình nghiên cứu.................................................................................. 55
3.2 Xác định tải trọng ......................................................................................... 59
3.2.1 Tĩnh tải...................................................................................................59
3.2.2 Hoạt tải ..................................................................................................62
3.2.3 Tổ hợp nội lực .......................................................................................63
3.3 Tính toán công trình không xét đến tải trọng động đất ................................ 63
3.4 Tính toán công trình có xét đến tải trọng động đất ...................................... 68
3.5 Phân tích và nhận xét ................................................................................... 76
3.6 Kết luận chương 3 ........................................................................................ 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thang đo động đất theo độ Richter ..........................................................19
Bảng 1.2: Thang đo Medvedev-Sponheuer-Karnik ..................................................20
Bảng 2.1: Các loại đất nền đất theo TCVN 9386:2012 ............................................48
Bảng 2.2: Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi .........................51
Bảng 2.3: Giá trị các tham số mô tả phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng .....52
Bảng 3.1: Đặc trưng tiết diện dầm chuyển ................................................................57
Bảng 3.2: Tải trọng sàn phòng, hành lang ...............................................................60
Bảng 3.3: Tải trọng sàn Penhouse .............................................................................60
Bảng 3.4: Tải trọng cầu thang ...................................................................................60
Bảng 3.5: Tải trọng mái bê tông cốt thép ..................................................................61
Bảng 3.6: Tải trọng mái kính ....................................................................................61

Bảng 3.7: Tải trọng tường xây gạch đặc ...................................................................61
Bảng 3.8: Tải trọng tường xây gạch rỗng .................................................................62
Bảng 3.9: Tải trọng vách kính ...................................................................................62
Bảng 3.10: Hoạt tải tính toán ....................................................................................62
Bảng 3.11: Tổ hợp tải trọng tính toán .......................................................................63
Bảng 3.12: 12 Mode dao động ..................................................................................63
Bảng 3.13: Tính toán lực động đất theo phương X và Y ..........................................68
Bảng 3.14: Gía trị lực động đất theo phương X ........................................................69
Bảng 3.15: Gía trị lực động đất theo phương Y ........................................................70


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Thí nghiệm trên một dầm chuyển lớn .........................................................4
Hình 1.2: Dầm chuyển ................................................................................................6
Hình 1.3: Công nhân đang thi công dầm chuyển ........................................................6
Hình 1.4: Dầm chuyển ................................................................................................7
Hình 1.5: Thi công dầm chuyển ..................................................................................8
Hình 1.6: Đối với vùng chịu động đất, thép được bố trí dày đặt tại nút khung ..........9
Hình 1.7: Biểu đồ quan hệ ứng suất và biến dạng của thép cường độ cao và thép
thường .......................................................................................................................10
Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và tải trọng.....................................................12
Hình 1.9: Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng của các loại thép .............................14
Hình 1.10: Cấu tạo của trái đất..................................................................................15
Hình 1.11: Vận động kiến tạo mảng .........................................................................16
Hình 1.12: Dạng truyền sóng Love ...........................................................................18
Hình 1.13: Dạng truyền sóng Rayleigh .....................................................................18
Hình 2.1: Sự phá hoại do uốn....................................................................................25
Hình 2.2: Biểu đồ phân bố ứng suất ..........................................................................26
Hình 2.3: Quỹ đạo ứng suất ......................................................................................26
Hình 2.4: Sơ đồ tính toán dầm chịu uốn cho dầm .....................................................27

Hình 2.5: Mặt cắt thể hiện cánh tay đòn moment (jd) ..............................................28
Hình 2.6: Dạng phá hoại do cắt .................................................................................29
Hình 2.7: Các vùng B và D của dầm bê tông ............................................................33
Hình 2.8: Các vùng không liên tục hình học - Các vùng không liên tục về hình học
...................................................................................................................................34
Hình 2.9: Mô hình giàn ảo nhịp đơn giản trong dầm chuyển ...................................35
Hình 2.10: Các thanh chống chịu nén ảo ..................................................................36
Hình 2.11: Mô tả các loại nút trong mô hình giàn ảo. C là lực nút chịu nén
(compression) T là lực nút chịu kéo (tension). .........................................................37
Hình 2.12: Các vùng nút thuỷ tĩnh ............................................................................38
Hình 2.13: Các vùng nút trong phần giao nhau của các cấu kiện .............................39
Hình 2.14: sơ đồ giàn ảo tối ưu cho dầm chuyển nhịp đơn. .....................................41


Hình 2.15: Mô hình giàn ảo cho dầm chuyển nhịp đơn ............................................41
Hình 2.16: Mô hình giàn ảo cho dầm chuyển nhịp liên tục ......................................42
Hình 2.17: Góc nghiêng của các thanh chống ..........................................................43
Hình 2.18: Bề rộng thanh chống tại vùng nút thuỷ tĩnh C-C-T. ...............................47
Hình 2.19: Dạng phổ của phản ứng đàn hồi..............................................................50
Hình 2.20: Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại đất nền từ A đến E (Độ cản 5%). ....51
Hình 3.1: Sơ đồ hệ kết cấu không gian .....................................................................55
Hình 3.2: Mặt bằng tầng 3.........................................................................................56
Hình 3.3: Mặt bằng dầm chuyển cao độ 40.4m ........................................................57
Hình 3.4: Mặt bằng kết cấu .......................................................................................58
Hình 3.5: Mô hình không gian dầm chuyển cao độ 40.4m .......................................59
Hình 3.6: Moment dầm chuyển trục L trường hợp tuyến tính không xét động đất ..64
Hình 3.7: Lực cắt dầm chuyển trục L trường hợp tuyến tính không xét động đất....64
Hình 3.8: Moment dầm chuyển trục 2A trường hợp tuyến tính không xét động đất65
Hình 3.9: Lực cắt dầm chuyển trục 2A trường hợp tuyến tính không xét động đất .65
Hình 3.10: Moment dầm chuyển trục 7 trường hợp tuyến tính không xét động đất 66

Hình 3.11: Lực cắt dầm chuyển trục 7 trường hợp tuyến tính không xét động đất ..66
Hình 3.12: Moment dầm chuyển trục 8 trường hợp tuyến tính không xét động đất 67
Hình 3.13: Lực cắt dầm chuyển trục 8 trường hợp tuyến tính không xét động đất ..67
Hình 3.14: Chuyển vị ứng với dạng dao động riêng theo phương X và phương Y ..71
Hình 3.15: Moment dầm chuyển trục L trường hợp tuyến tính có xét động đất ......72
Hình 3.16: Lực cắt dầm chuyển trục L trường hợp tuyến tính có xét động đất ........72
Hình 3.17: Moment dầm chuyển trục 2A trường hợp tuyến tính có xét động đất ....73
Hình 3.18: Lực cắt dầm chuyển trục 2A trường hợp tuyến tính có xét động đất .....73
Hình 3.19: Moment dầm chuyển trục 7 trường hợp tuyến tính có xét động đất .......74
Hình 3.20: Lực cắt dầm chuyển trục 7 trường hợp tuyến tính có xét động đất ........74
Hình 3.21: Moment dầm chuyển trục 8 trường hợp tuyến tính có xét động đất .......75
Hình 3.22: Lực cắt dầm chuyển trục 8 trường hợp tuyến tính có xét động đất ........75
Hình 3.23: Moment trong dầm chuyển trục L đỡ vách không liên tục .....................76
Hình 3.24: Lực cắt dầm chuyển trục L đỡ vách không liên tục ................................76
Hình 3.25: Moment trong dầm chuyển trục 2A đỡ cột .............................................77
Hình 3.26: Lực cắt dầm chuyển trục 2A đỡ cột ........................................................78


Hình 3.27: Moment trong dầm chuyển trục 7 đỡ vách liên tục ................................79
Hình 3.28: Lực cắt dầm chuyển trục L đỡ vách liên tục ...........................................79
Hình 3.29: Moment trong dầm chuyển trục 8 không có cấu kiện bên trên...............80
Hình 3.30: Lực cắt dầm chuyển trục 8 không có cấu kiện bên trên..........................80


1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, với sự mở cửa của nền kinh tế đất nước, ngành xây
dựng ở Việt Nam hiện nay đang phát triển rất mạnh và đa dạng. Cùng với sự phát triển
của nền kinh tế, tốc độ đô thị hóa ngày phải càng cao để đáp ứng được việc tăng dân số,

mọi người đều đổ dồn về các đô thị, các thành phố lớn để sinh sống, học tập và làm việc
nên các công trình nhiều tầng được xây dựng nhiều tại các thành phố lớn.
Từ những nhu cầu thực tế đó, đòi hỏi các kỹ sư xây dựng phải nghiên cứu thiết kế
các công trình có không gian lớn ở các tầng bên dưới để phục vụ cho các nhu cầu sinh
hoạt công cộng như: siêu thị, bãi để xe, văn phòng đại diện. Còn các tầng bên trên, các
phòng có không gian nhỏ hơn phù hợp với nhu cầu về phòng ở khách sạn hay căn hộ gia
đình.
Một trong những giải pháp kết cấu có thể đáp ứng được yêu cầu thiết kế để tạo
được không gian lớn ở các tầng bên dưới và không gian nhỏ hơn ở các tầng trên đó là
kết cấu “Dầm chuyển” để đỡ các vách cứng hay các cột trong nhà nhiều tầng.
Tuy nhiên việc áp dụng tính toán công trình kết cấu bê tông cốt thép đặc biệt là
dầm chuyển chịu tải trọng động đất vẫn còn gặp nhiều hạn chế. Vì vậy cần phải đưa ra
phương pháp tính toán phù hợp dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành và so sánh với kết quả
thí nghiệm đã có.
2. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn
Làm rõ phương pháp tính toán dầm chuyển có tác động của tải trọng động đất.
Do hiện nay ở nước ta chưa có tiêu chuẩn hay các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính
thức nào về tính toán và thiết kế dầm chuyển (dầm cao) BTCT có tác động của tải trọng
động đất trong các công trình cao tầng dân dụng, việc thiết kế thường được tính toán
với hệ số an toàn tổng thể lớn hoặc theo các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành của nước
ngoài. Vì vậy đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu và làm rõ khả năng chịu lực của dầm
chuyển (dầm cao) khi chịu tải trọng lớn (khi sử dụng dầm chuyển để gánh đỡ các cột,
vách và các cột, vách này đỡ nhiều tầng ở phía bên trên dầm chuyển) có tác động của tải
trọng động đất từ đó kiến nghị phương pháp tính toán và thiết kế cho loại dầm này.


2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Đối tượng : Dầm chuyển trong kết cấu nhà nhiều tầng bê tông cốt thép chịu tải
trọng động đất.

4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu của luận văn
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết (giải tích kết hợp với mô hình
bằng phương pháp phần tử hữu hạn) gồm các hướng sau:
- Mô hình kết cấu để tìm nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm
Etabs 16, Sap 2000.
- Tính toán kết cấu dầm chuyển BTCT theo tiêu chuẩn ACI 318 – 2002 của Hoa
Kỳ.
- Tính toán kết cấu dầm chuyển theo mô hình giàn ảo (Strut and tie Model).
Từ những phương pháp nêu trên, tìm hiểu nghiên cứu và sử dụng các kết quả thực
nghiệm và mô hình phá hoại cũng như các phương pháp tính toán đã được công nhận và
ứng dụng ở nước ngoài, từ đó kiến nghị chấp nhận áp dụng vào việc xây dựng ở Việt
Nam.
5. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận văn
Nghiên cứu có thể làm tài liệu thiết kế cho các kỹ sư thiết kế, các cán bộ giáo viên
cũng như sinh viên chuyên nghành xây dựng có nhu cầu nghiên cứu và học hỏi.
6. Bố cục của luận văn
Chương 1: Tổng quan về dầm chuyển và tải trọng động đất.
Chương 2: Mô hình tính toán dầm chuyển chịu tải trọng động đất.
Chương 3: Khảo sát đánh giá dầm chuyển trong kết cấu nhà nhiều tầng bê tông
cốt thép chịu tải trọng động đất.


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ DẦM CHUYỂN VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.1 Lý do sử dụng dầm chuyển trong kết cấu bê tông cốt thép
Trong những năm gần đây, nhu cầu nhà ở đã trở thành vấn đề cấp bách trong xã
hội, đặc biệt trong các đô thị lớn như thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội. Các tòa nhà
cao tầng đã được xây dựng mạnh mẽ trong thời gian qua để giải quyết nhu cầu trên. Cùng
với sự phát triển mạnh mẽ về nhà cao tầng là sự đa dạng trong kiến trúc nhà cao tầng, sự

thay đổi lưới cột cũng đã dần thành một xu hướng để đáp ứng những đòi hỏi thẩm mỹ
cao của kiến trúc, chính vì vậy việc đưa ra hệ kết cấu phù hợp là điều cấp thiết. Dầm
chuyển như là giải pháp hữu hiệu nhất để giải quyết vấn đề trên, ngoài ra dầm chuyển
ngày nay còn sử dụng trong hệ kết cấu móng hoặc các công trình ngoài khơi. Tuy nhiên
sự làm việc của dầm chuyển khác hoàn toàn so với dầm thông thường nên việc tính toán
dầm chuyển còn gặp nhiều khó khăn. Mô hình thanh chống giằng (STM) là phương pháp
tính toán cho ra kết quả hợp lí nhất đối với dạng kết cấu dầm chuyển và lần đâu tiên được
đưa vào tiêu chuẩn CSA, ngày nay thì phương pháp tính toán này đã cập nhập hầu hết
vào tất cả các tiêu chuẩn hiện hành như ACI, Eurocode…vv. Phương pháp tính toán này
sẽ được đề cập chi tiết trong chương 2
1.2 Khái niệm về dầm cao
1.2.1 Lịch sử phát triển lý thuyết tính toán dầm cao
Lý thuyết tổng quan về tính toán dầm chuyển bê tông cốt thép đã được trình bày và
tổng kết bởi Albritton (1965), Hiệp hội Xi măng và Bê tông (C&CA 1969), Hiệp hội
Nghiên cứu và Thông tin Công nghệ Xây dựng (CIRIA 1977). Sau đó đã được nghiên
cứu bổ sung bởi Tang và Wong (1987), Chemrouk (1988). Những nghiên cứu đầu tiên
này đã chỉ ra rằng hầu hết các dầm chuyển làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Tất nhiên,
ngày nay các nghiên cứu dựa trên mô hình đàn hồi dễ dàng được thực hiện bằng phương
pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn (Coates và cộng sự 1988, Zienkiewicz và
Taylor 1989). Tuy nhiên, một bất lợi quan trọng của nghiên cứu dựa trên mô hình đàn
hồi là các giả thiết về vật liệu đồng chất, đẳng hướng và tuân theo định luật Hooke. Vì
vậy, cần phải tiến hành các nghiên cứu có xét đến trạng thái phi đàn hồi (đặc biệt là các


4
dạng hay cơ chế phá hoại) của dầm cao, trong đó cách nghiên cứu tốt nhất là nghiên cứu
thực nghiệm.
Trong những thập niên 1960, hệ thống có thể thí nghiệm đến tải trọng giới hạn
được thử nghiệm bởi Paiva & Siess (1965) và Loenhardt & Walther (1966). Những thử
nghiệm này đã đạt được một bước tiến lớn trong nghiên cứu về dầm cao.

( Nguồn: Reinforced Concrete Deep Beams, Kông & Kubik (1991))
Hình 1.1: Thí nghiệm trên một dầm chuyển lớn
Trong cuối những năm 1960 của thế kỷ trước, một chương trình dài hạn đã được
khởi xướng bởi GS.Kong và hiện vẫn tiếp tục được nghiên cứu tại Đại học Newcastle
upon Tyne (nơi GS Kong làm việc), thí nghiệm phá hoại đã được thực hiện trên hơn 490
dầm cao, trong đó bao gồm các mẫu dầm có trọng lượng 4,5 T (Hình 1.1) và các dầm có
độ mảnh lớn với tỷ lệ chiều cao (h)/chiều rộng dầm (b) (hay h/b) lên đến 67 (Kong và
cộng sự 1986, Kong & Kubik 1991).


5
Các giải pháp của vấn đề dầm chuyển sử dụng khái niệm dẻo đã được báo cáo bởi
Nielsen (1971), Braestrup & Nielsen (1983). Nghiên cứu của Kong và Robins (năm
1971) đã chỉ ra rằng cốt thép bố trí xiên trong sườn dầm đã đạt hiệu quả đối với dầm cao.
Điều này cũng đã được khẳng định thêm bởi Kong và Singh (1972). Kong và cộng sự
(1972a), người cũng đã đề xuất một phương pháp so sánh sự ảnh hưởng của số lượng
các loại cốt thép trong sườn dầm (Kong và cộng sự 1972b.).
Năm 1973 Kong và Sharp đã tìm ra cường độ và cách thức phá hoại của dầm
chuyển có thêm lỗ mở, từ đó họ đã đề xuất ra công thức tính toán tải trọng giới hạn, sau
đó đã được chỉnh sửa lại vào những năm 1977 và 1978. Cũng trong năm 1973 Robins và
Kong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dự đoán tải trọng giới hạn và sự hình thành
các vết nứt trong dầm cao, đến năm 1977 Taner và cộng sự đã chỉ ra rằng phương pháp
phần tử hữu hạn sẽ cho kết quả tốt nhất khi áp dụng cho dầm chuyển có cánh. Đến năm
1974, Kong và Singh đã nghiên cứu khả năng làm việc và sự phá hoại của dầm chuyển
dưới tác dụng của tải trọng lặp. Năm 1982, Garcia là một trong những người đầu tiên
thực hiện các thí nghiệm về sự mất ổn định trên một loạt các dầm chuyển bê tông có độ
mảnh lớn, sau đó đã được Kong và cộng sự tiếp tục thí nghiệm vào năm 1986. Năm
1987, Mau và Hsu áp dụng các lý thuyết mô hình giàn để tính toán cho dầm cao. Năm
1988, Kotsovos đã nghiên cứu toàn diện dầm chuyển với nguyên nhân cơ bản là sự phá

hoại do cắt.
1.2.2 Tình hình sử dụng dầm chuyển bê tông cốt thép trong xây dựng
1.2.2.1 Trên thế giới
Trên thế giới dầm cao bê tông cốt thép được sử dụng nhiều ở các thành phố lớn
như Mỹ, Hong Kong, Malaysia, Singapore, Bangkok (Thái Lan) v.v. Dưới đây là hình
ảnh một số kết cấu dầm caobê tông cốt thép được thi công ở Chicago - Mỹ, (Hình 1.2),
ở Malaysia (Hình 1.3) và ở Bangkok (Hình 1.4). Có thể nói, dầm chuyển thường được
sử dụng khi vượt các không gian lớn trong các tòa nhà đa chức năng.


6

( Nguồn: Behavior of High-Performance Steel as Shear Reinforcement for Concrete
Beams, tòa nhà The Legacy at Millennium Park - Chicago - Mỹ (2007))
Hình 1.2: Dầm chuyển

( Nguồn: Behavior of High-Performance Steel as Shear Reinforcement for Concrete
Beams, Tòa nhà Grand Hyatt Kuala Lumpur - Kuala Lumpur – Malaysia (2012) )
Hình 1.3: Công nhân đang thi công dầm chuyển


7

( Nguồn: Behavior of High-Performance Steel as Shear Reinforcement for Concrete
Beams, tòa nhà ideo MORPH 38 - Bangkok - Thái Lan (2012))
Hình 1.4: Dầm chuyển
1.2.2.2 Ở Việt Nam
Có thể nói hệ dầm chuyển thuộc lớp đầu tiên được áp dụng trong tòa nhà của Khách
sạn Melia Hà Nội năm 1997. Tại thời điểm này các dạng kết cấu còn ít được sử dụng ở
nước ta.

Năm 2003, tòa nhà 34 tầng được khởi công xây dựng tại Khu đô thị Trung Hoà Nhân Chính cũng sử dụng giải pháp kết cấu dầm cao. Toà nhà 34 tầng là toà nhà cao
nhất hiện nay (tòa nhà Keang Nam và một số tòa khác cao hơn nhưng đang thi công) tại
Hà Nội với chiều cao 136m, diện tích xây dựng 3500 m2, tổng diện tích xây dựng 80000
m2. Trong đó có 1 tầng hầm diện tích 5000 m2, 2 tầng dịch vụ văn phòng có diện tích
6000 m2, 31 tầng ở với diện tích xấp xỉ 60000 m2 và 1 tầng nhà hàng được bố trí tại tầng
34. Đây là công trình siêu cao tầng (hơn 100 m) đầu tiên, vì vậy từ khâu thiết kế đến
khâu thi công giám sát chất lượng đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho
dự án nghiêm ngặt. Dầm chuyển được đặt ở tầng kỹ thuật với kích thước chiều rộng
b=1800 ÷ 2700mm, chiều cao h=2150mm, sàn dày 300mm. Khối lượng bêtông
>3500m3, dầm sàn bê tông liền khối đổ một lần không để mạch ngừng.


8
Toà nhà cao cấp WESTA cao 28 tầng và 3 tầng hầm; Địa điểm xây dựng: Khu đô
thị Mỗ Lao - Hà Đông - Hà Nội; Chủ đầu tư: Công ty cổ phần cơ khí xây dựng số 18
(COMA 18) được thiết kế năm 2009 (Đơn vị thiết kế: Trung tâm Tư vấn Kiến trúc và
Đầu tư Xây dựng).
Công trình: 29T2 cụm nhà ở cao tầng hỗn hợp xây dựng trên lô N05, khu đô thị
đông nam đường Trần Duy Hưng (Cầu Giấy, Hà Nội) cũng sử dụng giải pháp kết cấu
dầm cao.
Chung cư cao tầng 16B Nguyễn Thái Học, Hà Đông, Hà Nội cao 28 tầng và 2 tầng
hầm; Chủ đầu tư: Công ty xây dựng 319 Bộ Quốc Phòng; (Đơn vị thiết kế: Công ty Cổ
phần Tư vấn Đô thị Việt Nam -VINACITY). Hệ dầm chuyển có tiết diện 1x1m, vượt
nhịp 10,7m được đặt ở tầng 03 (cao độ +10,800m).
Toà nhà Dolphin Plaza gồm 4 toà tháp cao 28 tầng, chia thành 2 khối, được nối với
nhau bởi khối đế 3 tầng; Địa điểm xây dựng: 28 Trần Bình, Mỹ Đình, Từ Liêm, Hà Nội;
Chủ đầu tư: Công ty cổ phần TID được thiết kế bởi Công ty tư vấn DP Architects - DPA
(Singapore) và Công ty Tư vấn Đại học Xây dựng Hà Nội. Dầm chuyển ứng lực trước
có chiều cao 3m vượt nhịp lớn nhất là 28,4 m đặt ở sàn tầng 4 (cao độ +32,125m). Hình
1.5 công nhân đang hoàn thiện phần bê tông dầm cao

( Nguồn: Tạp chí xây dựng, tòa nhà Dolphin Plaza (2008))
Hình 1.5: Thi công dầm chuyển


9
Ở thành phố Hồ Chí Minh, nhiều công trình sử dụng hệ dầm - sàn chuyển, ví dụ
như dự án Kenton do Singapore thiết kế v.v.
Như vậy, có thể nói dầm chuyển bê tông cốt thép đã và đang được sử dụng rộng rãi
ở nước ta.
1.3 Tình hình sử dụng thép cường độ cao trong các công trình bê tông cốt thép
Việc sử dụng các vật liệu thông thường như bê tông cường độ thường, thép cường
độ thường cho nhà cao tầng dẫn đến kích thước của các cấu kiện không hợp lí về mặt
kiến trúc, ảnh hưởng đến tính chất làm việc dẻo của cấu kiện và đặc biệt là sự phân bố
thép dày đặt tại các vị trí nút khung như hình vẽ 1.6. Sự bố trí thép dày đặt như hình vẽ
1.6 tại nút khung không chỉ gây khó khăn trong thi công mà còn gây ảnh hưởng lớn đến
chất lượng và tốc độ xây dựng của công trình. Chính vì vậy việc sử dụng thép cường độ
cao là nhu cầu cấp thiết để giải quyết vấn đề trên. Đã có nhiều nghiên cứu về sự làm việc
của thép cường độ cao trong vật liệu bê tông cốt thép Aoyama (2001), Ramadoss và cộng
sự (2008.), Mast và cộng sự (2008), Sumpter và cộng sự (2009); Zhen và cộng sự (2009)
và Shahrooz và cộng sự (2010), vv…

( Nguồn: Flexural Strength Design of Concrete Beams Reinforced with High Strength
Steel Bars)
Hình 1.6: Đối với vùng chịu động đất, thép được bố trí dày đặt tại nút khung
Hiện đã có nhiều loại thép cường độ cao có mặt trên thị trường như thép SD 685,
SD785, SD 980 được phát triển tại Nhật Bản với cường độ chảy dẻo của thép lên đến
hàng ngàn Mpa, ngoài ra một loại thép cường độ cao phổ biến khác là thép ASTM
A1035 có cường độ chảy dẻo lên đến 1200 Mpa được phát triển tại Mỹ.

10
1.3.1 Thuộc tính của thép cường độ cao ASTM A1035
Đã có nhiều nghiên cứu so sánh thuộc tính của thép cường độ cao với thép thông
thường. El-Hacha and Rizkalla (2002) đã tiến hành thí nghiệm đối với thép ASTM
A1035 bằng cách kéo 3 loại thép có đường kính khác nhau (12.7 mm, 19 mm, 25.4 mm).
Kết quả thí nghiệm cho thấy Module đàn hồi của thép cường độ cao bằng với thép cường
độ thông thường là 200000 Mpa. Tuy nhiên thép cường độ cao ASTM A1035 không có
điểm chảy dẻo và đường biến dạng từ biến, chính vì vậy việc xác định cường độ chảy
dẻo của thép cường độ cao được lấy tương ứng với biến dạng dư tỉ đối là 0.2%, 0.5%,
0.7%. Giá trị cường độ chảy dẻo trung bình đạt được đối với ba phương pháp lần lượt là
818 Mpa, 750 Mpa, và 851 Mpa. Biến dạng tại vị trí chảy dẻo đối với biến dạng dư tỉ
đối 0.2% là 0.0062 mm/mm. Ứng suất lớn nhất đạt đến 1190 Mpa tương ứng tại biến
dạng 0.05 mm/mm. Tại thời điểm thanh thép chịu kéo bị phá hoại, biến dạng đạt được
là 0.12 mm/mm. Đường so sánh ứng suất và biến dạng của thép cường độ cao được thể
hiện trong hình 1.7

( Nguồn: Investigation into the Structural Performance of MMFX Reinforcing)
Hình 1.7: Biểu đồ quan hệ ứng suất và biến dạng của thép cường độ cao và thép
thường


11
Năm 2002, Vijay và đồng nghiệp dựa trên kết quả thí nghiệm kéo thép cường độ
cao đã đưa ra công thức xác định quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đối với thép cường
độ cao có đường kính  4 và  8 như sau:

  1131,084 1  e182,058  đối với thép có đường kính  4
  1192, 662 1  e168  đối với thép có đường kính  8

Trong đó: σ: ứng suất kéo trong cốt thép (MPa)
: biến dạng của thép
Tuy nhiên, Vijay et al (2002) cho rằng cần phải có nhiều nghiên cứu hơn để đưa ra
phương trình ứng suất biến dạng cho thép cường độ cao.
Năm 2003, Yotakhong đã đưa ra công thức xác định quan hệ ứng suất biến dạng
của thép cường độ cao  6 như sau:
  1220, 238 1  e185 

(1-1)

Trong đó: σ: ứng suất kéo trong cốt thép (MPa)
: biến dạng của thép
Năm 2008, Mast cùng với cộng sự đã đưa ra công thức xác định ứng suất và biến
dạng của thép cường độ cao mà bỏ qua yếu tố đường kính của từng loại thép:
ASTM A1035- Grade 100 (Mast et. al., 2008)

 s  0.00241
0.00241   s  0.06

f s  29000 s (ksi)
f s  170 

0.345
(ksi)
 s  0.00104

(1-2)

1.3.2 Ảnh hưởng việc sử dụng thép cường độ cao trong kết cấu BTCT
Việc sử dụng thép cường độ cao góp phần làm giảm số lượng thép trong kết cấu,

dẫn đến giảm đi sự dày đặt cốt thép trong cấu kiện, giúp cho quá trình thi công lẫn chất
lượng của công trình tốt hơn. Chính vì những ưu điểm của thép cường độ cao, đã có
nhiều nghiên cứu về ứng xử của thép cường độ cao về khả năng chịu uốn, nén và cắt so
với thép thông thường. Năm 2002, Ansley đã tiến hành nén bốn loại dầm bê tông cốt
thép sử dụng thép cường độ cao để nghiên cứu ứng xử của thép ASTM 1035. Từ quan
hệ chuyển vị và tải trọng như hình vẽ 1.8, họ cho rằng ứng xử của dầm sử dụng thép


12
cường độ cao tương tự như thép thông thường trước khi thép thông thường chảy dẻo
nguyên nhân bởi sự khác nhau về thuộc tính của hai loại thép này. Ngoài ra họ nhận thấy
rằng khả năng chịu uốn của dầm khi sử dụng thép cường độ cao thay thế trực tiếp cho
thép thông thường, tăng lên mà vẫn đảm bảo được tính chất phá hoại dẻo của kết cấu.

( Nguồn: Investigation into the Structural Performance of MMFX Reinforcing, Ansley
(2002))
Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và tải trọng
Cùng thời điểm này, Galloway and Chajes (2002) cũng nghiên cứu về việc áp dụng
loại vật liệu thép cường độ cao bằng cách tiến hành thí nghiệm các mẫu dầm chịu tác
dụng tải trọng tập trung ở giữa nhịp, họ cho rằng sau khi thép cường độ cao bị chảy dẻo,
dầm vẫn còn có khả năng gánh thêm lực nguyên nhân vì quan hệ ứng suất biến dạng của
thép cường độ cao không có đường từ biến mà sau thời điểm chảy dẻo cường độ của
thép vẫn tiếp tục gia tăng, ngoài ra họ còn cho rằng việc thay thế trực tiếp thép cường độ
cao với thép thông thường có nguy cơ gây ra dầm bị phá hoại dòn thay vì phá hoại dẻo.
Cùng quan điểm này, McNally (2005) cho rằng thép cường độ cao làm cho ứng xử của


13
kết cấu bê tông cốt thép ít dẻo hơn so với thép thông thường vì không có điểm chảy dẻo,
ngoài ra dầm sử dụng thép cường độ cao hình thành vết nứt rộng hơn so với thép thông

thường vì vậy việc sử dụng thép cường độ cao thay thế cho thép thông thường cần phải
tiếp tục được nghiên cứu.
Gần đây nhất, Mast cùng cộng sự (2008) and Shahrooz cùng cộng sự (2009) đưa
ra phương pháp thiết kế dầm chịu uốn sử dụng thép cường độ cao ASTM A1035. Trong
bài nghiên cứu của Mast cùng cộng sự (2008), họ đã đưa ra đường quan hệ ứng suất biến
dạng đơn giản cho thép cường độ cao gồm hai đường thẳng tuyến tính tương tự như thép
thông thường với module đàn hồi là 200000 Mpa, cường độ chảy dẻo là 690 Mpa . Đối
với Shahrooz cùng cộng sự (2009), họ cho rằng khi hàm lượng cốt thép bố trí ít hơn 3%,
quan hệ ứng suất biến dạng của thép là hai đường tuyến tính với cường độ chảy dẻo được
xác định tại điểm có biến dạng bằng 0.0035 hoặc 0.005. Trường hợp hàm lượng cốt thép
hơn 3% , và cường độ bê tông lớn hơn 69 Mpa, cường độ chảy dẻo thép được xác định
tại biến dạng bằng 0.0035. Họ cùng cho rằng việc sử dụng đường cong ứng suất biến
dạng đơn giản của thép cường độ cao cho ra kết quả hợp lí khi thiết kế theo tiêu chuẩn
ACI 318, ngoài ra Shahrooz còn cho rằng việc sử dụng thép cường độ cao cũng đem lại
ứng xử dẻo cho kết cấu.
Tại Nhật Bản đã phát triển dự án sử dụng thép cường độ cao cho tòa nhà cao tầng
chịu tải trọng động đất trong năm năm, bắt đầu từ năm 1988 (Aoyama, 2001). Dự án này
được gọi là “ New RC”, với 4 mục tiêu chính: Thứ nhất nghiên cứu về thép cường độ
cao và bê tông cường độ cao, thứ hai thí nghiệm các vật liệu mới này, tiếp đến là mô
hình hóa độ cứng và cường độ của vật liệu và cuối cùng xác định khả năng áp dụng của
chúng vào công trình chịu tải trọng động đất. Là một phần của dự án, thép cường độ cao
được sử dụng cho cốt thép dọc và đai với các loại thép USD 685A, USD 685B, USD
980. Các loại thép này có đường cong quan hệ ứng suất biến dạng tương tự như thép
thông thường Grade 60, tuy nhiên lại có cường độ chảy dẻo rất lớn hơn cả 100 Mpa như
thể hiện trong hình vẽ 1.9


14

( Nguồn: Investigation into the Structural Performance of MMFX Reinforcing)

Hình 1.9: Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng của các loại thép
Thép cường độ cao ngoài việc sử dụng làm cốt dọc còn có thể sử dụng làm cốt đai
chịu cắt. Năm 2009, Sumpter và đồng sự làm nghiên cứu khả năng chịu cắt của dầm khi
sử dụng thép cường độ cao làm cốt đai và so sánh với thép thông thường, họ nhận thấy
rằng chiều rộng vết nứt nhỏ hơn so với thép thông thường ngoài ra cường độ trong thép
cường độ cao chưa vượt qua được cường độ chảy dẻo như đối với thép thông thường.
Ngoài ra Aoyama (2001) còn cho rằng thép cường độ cao khi sử dụng trong cột chịu nén
góp phần làm tăng cường khả năng hạn chế nở ngang, cường độ chịu nén của bê tông
tăng lên. Aoyama cũng đưa ra giới hạn khoảng cách bé nhất khi sử dụng thép cường độ
cao làm cốt đai trong cột là sáu lần đường kính thép. Đối với cấu kiện bê tông cốt thép
chịu nén, Stephan và đồng sự (2003) cho rằng có thể sử dụng thép cường độ cao cho cột
khi chịu tải trọng động đất, tuy nhiên ứng xử dẻo của kết cấu bị giới hạn.Vì vậy việc sử
dụng thép cường độ cao cho hệ kết cấu ứng xử dẻo cần phải được xem xét, ngoài ra
nghiên cứu còn cho rằng việc sử dụng thép cường độ cao làm cốt đai trong cột có nhiều
hiệu quả, làm giảm nguy cơ mất ổn định của cột và góp phần tăng cường khả năng chịu
nén.
1.4 Động đất và tác động của động đất lên kết cấu nhà cao tầng
Là một trong nhưng hiện tượng của mẹ thiên nhiên gây ra. Động đất là một trong
những nguy cơ dẫn đến thảm họa cho con người và các công trình xây dựng. Trong suốt