Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đứng đến kết cấu khung nhà nhiều tầng bê tông cốt thép: luận văn thạc sĩ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.79 MB, 74 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
PHAN BÌNH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỨNG
ĐẾN KẾT CẤU KHUNG NHÀ NHIỀU TẦNG BÊ TÔNG
CỐT THÉP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
ĐỒNG NAI, NĂM 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
PHAN BÌNH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỨNG
ĐẾN KẾT CẤU KHUNG NHÀ NHIỀU TẦNG BÊ TÔNG
CỐT THÉP
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
Trên thực tế không thành công nào mà không gắn kiền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù nhiều hay ít, dù thực tiếp hay gián tiếp. Sự quan tâm giúp đỡ của quý Thầy
Cô, gia đình và bạn bè là rất cần thiết. Để hoàn thành được bài nghiên cứu luận văn
thạc sĩ, tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô, những người
đã trao những kiến thức cơ bản, những bài học, những kinh nghiệm quý báu để tác
giả có thể hình dung được nột cách khái quát những gì cần thiết để thực hiện và hoàn
thành bài nghiên cứu.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy GS.TS Phan Quang Minh
đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu và động viên tác giả trong quá trình
nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô giáo trường Đại Học Lạc
Hồng đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình tạo điều kiện để tác giả có thể thực hiện và hoàn
thành tốt công trình nghiên cứu này
Đồng Nai, ngày tháng năm 2019
Tác giả
Phan Bình
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đứng đến
kết cấu khung nhà nhiều tầng bê tông cốt thép” đây là công trình nghiên cứu của
riêng tác giả. Các kết quả trong luận văn là trung thực.
Tác giả xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được
chỉ rõ nguồn gốc.
Đồng Nai, ngày tháng năm 2019
Tác giả
Phan Bình
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay với việc sử dụng các phần mềm tính toán, phân tích kết cấu như SAP,
ETABS. Việc tính toán khảo sát các hệ kết cấu đã trở nên dễ dàng hơn, không còn
khó khăn như trước. Việc mô hình hóa hệ kết cấu một cách hợp lý để phản ánh đúng
sự làm việc của hệ kết cấu.
Dưới tác động của tải trọng đứng, số lượng cột, kích thước cột, độ cứng của sàn
ảnh hưởng đến sai số khi phân tích kết cấu khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn
so sánh với phương pháp phân phối tải trọng theo diện tích sàn.
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG ..........................3
1.1 Định nghĩa .......................................................................................................... 3
1.2 Hệ kết cấu nhà nhiều tầng .................................................................................. 4
1.2.1 Hệ khung cứng chịu lực...........................................................................4
1.2.2 Hệ khung vách .........................................................................................5
1.2.3 Hệ khung- hộp .........................................................................................6
1.2.4 Hệ giằng- hộp ..........................................................................................8
1.2.5 Hệ thanh chéo (diagrid) ...........................................................................9
1.2.6 Hệ outrigger ...........................................................................................11
1.3 Ứng dụng kết cấu nhà nhiều tầng ..................................................................... 15
1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 17
Chương 2 PHÂN TÍCH KẾT CẤU KHUNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG .18
2.1 Tải trọng trong kết cấu nhà nhiều tầng ............................................................. 18
2.1.1 Tải trọng đứng .......................................................................................18
2.1.2 Tải trọng ngang (tải trọng gió) ..............................................................19
2.1.3 Tải trọng động đất .................................................................................25
2.2 Phân tích kết cấu khung chịu tải trọng đứng .................................................... 27
2.2.1 Phân phối tải trọng đứng theo diện tích chịu tải....................................27
2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn .......................................................................... 29
2.4 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp PTHH ...................................... 30
2.5 Hàm xấp xỉ - đa thức xấp xỉ - phép nội suy ..................................................... 32
2.6 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 37
Chương 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỨNG ĐẾN KẾT
CẤU KHUNG NHÀ NHIỀU TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ..........................38
3.1 Mô hình khảo sát .............................................................................................. 38
3.2 Phân tích nội lưc của hệ kết cấu ....................................................................... 43
3.2.1 Mô hình C-1, C2, C-3 ............................................................................43
3.2.2 Mô hình S-1, S-2, S-3 ............................................................................47
3.2.3 Mô hình T-1, T-2, T-3 ...........................................................................51
3.2.4 Mô hình M-1, M-2, M-3 ........................................................................55
3.3 Nhận xét kết quả ............................................................................................... 59
3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các dịch chuyển tương đối của chất điểm ứng với ba dạng dao động
riêng ..........................................................................................................................21
Bảng 3.1 Thông số hình học công trình giả định ......................................................38
Bảng 3.2. Thông số tải trọng phổ biến (giả định) .....................................................39
Bảng 3.3. Kích thước các cấu kiện............................................................................39
Bảng 3.4. Thông số vật liệu .......................................................................................43
Bảng 3.5. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình C-1, C-2, C-3 .....................45
Bảng 3.6. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình S-1, S-2, S-3 .......................49
Bảng 3.7. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình T-1, T-2, T-3 ......................53
Bảng 3.8. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình M-1, M-2, M-3 ...................57
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ khung cứng .............................................................................................4
Hình 1.2. Hệ khung-vách.............................................................................................6
Hình 1.3. Mặt bằng hệ khung-hộp ..............................................................................7
Hình 1.4. Mặt đứng điển hình hệ khung-hộp ..............................................................7
Hình 1.5. Phân phối ứng suất dọc trục trong cột của hệ khung – hộp .......................8
Hình 1.6. Hệ giằng hộp bằng thép và bêtông cốt thép................................................9
Hình 1.7 John Hancock Building ..............................................................................10
Hình 1.8. Hệ giằng hộp và hệ thanh chéo diagrid ....................................................11
Hình 1.9 Mô hình chịu lực của kết cấu có tầng cứng ...............................................12
Hình 1.10. Chuyển vị của hệ outrigger dưới tác động tải trọng ngang....................13
Hình 1.11. Hệ outrigger với dầm vành đai ...............................................................14
Hình 1.12. Công trình sử dụng Outrigger : Keangnam ............................................14
Hình 1.13 Công trình sử dụng Outrigger: Lotte Center ...........................................15
Hình 1.14. Công trình sử dụng hệ khung và vách cứng : Cendeluxe .......................15
Hình 1.15. Công trình sử dụng hệ khung và vách cứng: Sài Gòn-Phú Yên .............16
Hình 1.16. Công trình sử dụng Outrigger: Kaya Hotel ............................................16
Hình 2.1. Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan..................................................22
Hình 2.2. Đường cong để xác định hệ số động lực ................................................23
Hình 2.3. Sơ đồ kết cấu sàn sườn toàn khối bản loại dầm .......................................27
Hình 2.4. Sơ đồ mặt bằng truyền tải bản loại dầm ...................................................28
Hình 2.5. Sơ đồ kết cấu sàn sườn toàn khối bản kê bốn cạnh ..................................28
Hình 2.6. Sơ đồ mặt bằng truyền tải bản kê bốn cạnh ..............................................29
Hình 2.7. Dạng hình học đơn giản của các phần tử .................................................31
Hình 3.1. Mặt bằng mô hình .....................................................................................40
Hình 3.2. Sơ đồ không gian mô hình C-1,C-2,C3; S-1,S-2,S-3; M-1,M-2,M-3,T-2..41
Hình 3.3. Sơ đồ không gian mô hình T-1 ..................................................................41
Hình 3.4. Sơ đồ không gian mô hình T-3 ..................................................................42
Hình 3.5. Biểu đồ lực dọc cột góc – Mô hình C-1,C-2,C-3 ......................................43
Hình 3.6. Biểu đồ lực dọc cột cạnh – Mô hình C-1,C-2,C-3 ....................................44
Hình 3.7. Biểu đồ lực dọc cột giữa – Mô hình C-1,C-2,C-3 .....................................44
Hình 3.8. Hình so sánh lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình C-1, C-2, C-3 45
Hình 3.9. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình C-1 .....................................46
Hình 3.10. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình C-2 ...................................46
Hình 3.11. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình C-3 ...................................47
Hình 3.12. Biểu đồ lực dọc cột góc – Mô hình S-1, S-2, S-3 ....................................47
Hình 3.13. Biểu đồ lực dọc cột cạnh – Mô hình S-1, S-2, S-3 ..................................48
Hình 3.14. Biểu đồ lực dọc cột giữa – Mô hình S-1, S-2, S-3 ...................................48
Hình 3.15. Bảng so sánh lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình S-1, S-2, S-349
Hình 3.16. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình S-1 ....................................50
Hình 3.17. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình S-2 ....................................50
Hình 3.18. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình S-3 ....................................51
Hình 3.19. Biểu đồ lực dọc cột góc – Mô hình T-1, T-2, T-3 ....................................51
Hình 3.20. Biểu đồ lực dọc cột cạnh – Mô hình T-1, T-2, T-3 ..................................52
Hình 3.21. Biểu đồ lực dọc cột giữa – Mô hình T-1, T-2, T-3 ..................................52
Hình 3.22. Hình so sánh lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình T-1, T-2, T-3
...................................................................................................................................53
Hình 3.23. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình T-1 ...................................54
Hình 3.24. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình T-2 ...................................54
Hình 3.25. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình T-3 ...................................55
Hình 3.26. Biểu đồ lực dọc cột góc – Mô hình M-1, M-2, M-3 ................................55
Hình 3.27. Biểu đồ lực dọc cột cạnh – Mô hình M-1, M-2, M-3 ..............................56
Hình 3.28. Biểu đồ lực dọc cột giữa – Mô hình M-1, M-2, M-3 ...............................56
Hình 3.29. Hình so sánh lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình M-1, M-2, M-3
...................................................................................................................................57
Hình 3.30. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình M-1 ..................................58
Hình 3.31. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình M-2 ..................................58
Hình 3.32. Lực dọc cột dưới tác dụng tải đứng mô hình M-3 ..................................59
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đối với một công trình cao tầng dân dụng cho dù kiến trúc cầu kì phức tạp thì
kết cấu chịu lực cho công trình là bộ phận quan trọng nhất trong toàn bộ công trình.
Tùy vào đặc điểm các công trình khác nhau mà người ta phối hợp các kết cấu chịu
lực cơ bản để tạo ra hệ kết cấu phù hợ nhất cho từng công trình khác nhau. Nhưng cơ
bản kết cấu chủ yếu sử dụng trong hầu hết các công trình đều sử dụng hệ kết cấu
khung. Hệ kết cấu khung được kết hợp từ cấu kiện dầm và cột làm việc chung tạo ra
khung chịu tải trọng từ các bản sàn truyền về các dầm chịu lực, rồi tải trọng truyền từ
dầm về các cột. Tải trọng trong cột sẽ được phân tán trong lòng đất thông quan hệ
thống móng.
Hiện nay nhà nhiều tầng đã trở nên phổ biến, nhà càng cao thì càng phải quan
tâm đến khải năng chịu tải trọng của công trình. Dưới tác động của tải trọng đứng, số
lượng cột, kích thước cột, độ cứng của sàn ảnh hưởng đến sai số khi phân tích kết cấu
khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn so sánh với phương pháp phân phối tải
trọng theo diện tích sàn.
Ở nước ta các công trình cao tầng đang trên giai đoạn phát triển mạnh mẽ.
Nhưng các công trình cao tầng ở nước ta hầu hết được thiết kế theo các tiêu chuẩn
các nước phát triển.
Vì lí do đó “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đứng đến kết cấu khung nhà
nhiều tầng bê tông cốt thép” là một đề tài cần thiết. Việc nghiên cứu này là rất cần,
góp phần bổ sung cho lí thuyết tính toán tải trọng đứng đến kết cấu khung nhà nhiều
tầng. Đồng đưa ra cái nhìn chính xác hơn về khả năng chịu lực của kết cấu ở điều
kiện chịu tải trọng đứng ở Việt Nam so với các nước thông qua các tiêu chuẩn thiết
kế.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cột, kích thước cột, độ cứng của sàn đến
sai số khi phân tích kế cấu khung nhà nhiều tầng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Từ đó so sánh với phương pháp phân phối tải trọng theo diện tích sàn.
2
3. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi phân tích kết cấu khung bằng
phương pháp phần tử hữu hạn.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các hệ kết cấu có số lượng cột, kích thước cột và chiều dày sàn khác nhau.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phân tích số trên máy tính.
6. Bố cục của luận văn
Chương 1: Tổng quan về kết cấu nhà nhiều tầng
Chương 2: Phân tích hệ kết cấu trong nhà nhiều tầng.
Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng đứng đến kết cấu khung nhà nhiều
tầng bê tông cốt thép
3
Chương 1
1.1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG
Định nghĩa
Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các
công trình nhiều tầng ngày càng phát triển với nhiều dạng kết cấu khác nhau.
Đặc điểm về hệ kết cấu: trong nhà nhiều tầng, các hệ kết cấu bao gồm các kết
cấu chịu lực theo phương đứng và theo phương ngang được liên kết với nhau bằng
các nút cứng và truyền xuống móng công trình các loại tải trọng như: động đất, gió,
tải trọng đứng và áp lực ngang của đất.
Đặc điểm về tải trọng: trọng lượng bản thân của tòa nhà lớn dần theo số tầng
nên gây khó khăn cho việc xử lý nền móng. Khả năng chất đầy hoạt tải trên các tầng
sẽ giảm khi số tầng tăng lên. Đối với tải trọng gió, đối với nhà nhiều tầng nhiều khả
năng sẽ phải kể đến thành phần gió động do đó làm tăng tổng tải trọng gió tác động
lên công trình.
Vai trò của các hệ kết cấu trở nên càng quan trọng khi chiều cao công trình tăng.
Do đó tiêu chí quan trọng cho các hệ kết cấu là có đủ cường độ, đủ độ cứng ngang để
chống lại sự phá hoại và sử dụng hiệu quả trong suốt vòng đời của một công trình.
Việc xác định dạng kết cấu cho một công trình bao gồm: sự lựa chọn và sắp xếp
các loại cấu kiện phần tử kết cấu chính để đạt được sức kháng hiệu quả nhất cho các
tổ hợp khác nhau của tải trọng đứng và tải trọng ngang. Sự lựa chọn dạng kết cấu bị
ảnh hưởng và chi phối bởi mặt bằng bên trong, vật liệu và phương thức thi công, cách
xử lý kiến trúc bao ngoài, bản chất và độ lớn của tải trọng ngang, chiều cao và sự đối
xứng của công trình.
Với tải trọng ngang, một công trình nhiều tầng về cơ bản như một thanh công
xôn thẳng đứng. Khi chiều cao công trình tăng, lực ngang bắt đầu chiếm ưu thế và
trở nên ngày càng nguy hiểm cho sự ổn định tổng thể của kết cấu nhà.
Cường độ, độ cứng và độ ổn định là ba nhân tố chính cần xem xét trong thiết kế
của tất cả các hệ kết cấu. Với các nhà nhiều tầng, yêu cầu về độ cứng và ổn định
thông thường là hai nhân tố chính trong thiết kế. Có hai cách cơ bản để thỏa mãn các
yêu cầu thiết kế trong một hệ kết cấu. Cách thứ nhất là tăng kích thước của các cấu
kiện vượt quá cường độ yêu cầu. Tuy nhiên cách này cũng chỉ có giới hạn vì nếu
4
không nó sẽ trở nên không thực tế hoặc không kinh tế. Cách thứ hai là thay đổi dạng
kết cấu thành một hệ mới cứng và ổn định hơn để hạn chế biến dạng và tăng ổn định.
Dựa trên sự sắp xếp, bố trí các phần tử trong hệ kết cấu; nhiều hệ kết cấu khác
nhau đã được phát triển trong những năm qua. Thực tế có rất nhiều hệ kết cấu được
thiết kế để phù hợp với từng công trình riêng lẻ. Thật khó để phân loại chúng thành
các loại kết cấu riêng biệt. Tạm thời có thể phân loại chúng thành các hệ kết cấu sau:
- Hệ khung chịu lực
- Hệ khung vách
- Hệ khung - hộp
- Hệ giằng - hộp
- Hệ thanh chéo (diagrid)
- Hệ outrigger
Đặc điểm và tính chất của các hệ kết cấu này sẽ được trình bày trong các mục
dưới đây.
1.2
Hệ kết cấu nhà nhiều tầng
1.2.1 Hệ khung cứng chịu lực
Hệ khung cứng được tạo thành từ các cấu kiện dạng thanh như cột theo phương
o ngắn
C
đứng, dầm theo phương ngang bằng liên kết cứng.
(a)
(b)
(Nguồn: Bài giảng kết cấu nhà nhiều tầng - Ngô Thế Phong)
(a)
Biến dạng cắt
Hình 1.1 Hệ khung cứng
b)
Biến dạng uốn
5
Trong hệ này, các khung ngang và khung dọc liên kết tạo thành một khung
không gian. Mặt bằng hệ kết cấu có thể là vuông, chữ nhật, đa giác hoặc mặt bằng
tròn, elip… Các cấu kiện của khung cần đủ cứng để truyền mọi tải trọng (đứng và
ngang) xuống móng. Để đảm bảo độ cứng tổng thể cho công trình, nút khung phải là
một nút cứng. Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm khung vừa chịu uốn,
cắt vừa chịu nén hoặc kéo. Khả năng chịu tải của công trình bị ảnh hưởng khá nhiều
bởi cấu tạo các nút khung và tỷ lệ độ cứng của các phần tử thanh cùng tụ vào một
nút. Đặc biệt trong vùng có động đất việc tính toán và cấu tạo mối nối trở nên quan
trọng cho hệ kết cấu khung loại này.
Hệ khung thường có độ cứng ngang bé, khả năng chịu tải ngang không lớn.
Dưới tác dụng của tải trọng ngang, hệ khung cứng bị chi phối bởi hai kiểu biến dạng:
Biến dạng cắt gây bởi sự vặn xoắn của thanh và biến dạng uốn gây bởi sự kéo dài và
co ngắn dọc trục của cột. Thông thường biến dạng cắt chiếm ưu thế vượt trội trong
hệ kết cấu khung cứng nhà nhiều tầng.
1.2.2 Hệ khung vách
Hệ kết cấu khung - vách được tổ hợp từ hệ khung và hệ vách cứng. Trong hệ
kết cấu này thì hệ vách đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng ngang, hệ khung chủ yếu
được thiết kế để chịu tải trọng thẳng đứng trong phạm vi truyền tải. Mô hình cổ điển
của sự tương tác giữa vách chịu cắt và khung chịu moment được thể hiện trong Hình
1.2.
Nhận thấy: Biến dạng chủ yếu của vách chịu cắt là biến dạng uốn trong khi đó
biến dạng của khung chủ yếu là biến dạng cắt. Sự kết hợp biến dạng ngang sản sinh
ra sự tương tác giữa hai thành phần: sự rung lắc tuyến tính của khung khi tổ hợp với
đường biến dạng parabolic của vách làm độ cứng gia tăng do vách bị ngăn cản bởi
khung tại những tầng bên trên; trong khi tại những tầng bên dưới khung bị ngăn cản
bởi vách. Tuy nhiên, sự ứng xử giữa khung và vách thay đổi đáng kể nếu độ cứng
của khung và vách thay đổi đột ngột thay vì sử dụng độ cứng không đổi dọc suốt
chiểu cao của công trình.
6
(a)
(b)
(c)
(Nguồn: Bài giảng kết cấu nhà nhiều tầng - Ngô Thế Phong)
a)Vách dưới tác dụng của tải trọng đều; b) Khung dưới tác dụng của tải trọng
đều; c) Khung-vách dưới tác dụng tải trọng đều
Hình 1.2. Hệ khung-vách
1.2.3 Hệ khung- hộp
Đặc điểm chính của hệ khung – hộp chịu lực là sử dụng các hàng cột biên xung
quanh chu vi với khoảng cách bé liên kết với các dầm cao có khoảng cách lớn để toàn
bộ công trình làm việc như một thanh công - xôn chống lại tác động của mô men lật.
Hiệu quả của hệ này có được từ số lượng lớn các nút cứng xung quanh chu vi tạo
thành một hệ hộp lớn. Hệ hộp bên ngoài chịu toàn bộ tải trọng ngang, còn tải trọng
đứng sẽ được chia sẻ giữa hệ hộp và các cột, vách bên trong nếu có.
7
A
C1
B
C3
C3
C3
C3
C3
C3
C
D
E
F
C3
C3
C2
C3
C2
C3
C2
C2
C2
C2
C3
C2
C3
C2
C3
C3
C3
C1
G
1
C1
C3
2
C3
3
C3
4
C3
5
C3
C1
6
7
(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng Bêtông cốt thép, Lê Thanh Huấn)
Hình 1.3. Mặt bằng hệ khung-hộp
(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng Bêtông cốt thép, Lê Thanh Huấn)
Hình 1.4. Mặt đứng điển hình hệ khung-hộp
Phương chịu uốn của hệ là dọc theo bề mặt của công trình, điều này tương phản
với hệ khung cứng thông thường (với các khung ở bên trong là khung chính chịu tải
trọng ngang). Khả năng chịu tải trọng ngang của hệ được cung cấp bởi sự uốn tổng
thể của hộp mà nó được phân tách thành lực kéo và lực nén trong các mặt đón gió và
khuất gió của hệ. Tuy nhiên do tính uốn của dầm nên các cột ở góc biến dạng nhiều
hơn so với các cột ở phía trong. Điều này dẫn đến ứng suất dọc trục ( lực dọc) trong
8
các cột phân bố không đều mà nó có dạng hình parabol với ứng suất lớn nhất tại cột
ở góc (Hình 1.5)
(Nguồn: Tính toán và thiết kế khung bêtông cốt thép nhà nhiều tầng, Khanzi)
Hình 1.5. Phân phối ứng suất dọc trục trong cột của hệ khung – hộp
Khi kết hợp hệ hộp với hệ lõi sẽ tạo thành hệ không gian nhiều ô, hệ mới này
không chỉ có độ cứng chống uốn lớn mà độ cứng chống xoắn cũng rất lớn vì vậy
thường ứng dụng để xây dựng những nhà có chiều cao lớn.
1.2.4 Hệ giằng- hộp
Ở hệ này, về cơ bản được cải biên từ hệ khung- hộp bằng cách thêm các thanh
giằng chéo vào bề mặt ngoài của công trình. Độ cứng và hiệu quả của hệ khung –hộp
được cải thiện đáng kể bởi sự giảm lực dọc vượt quá trong các cột góc. Việc bổ sung
giằng chéo đã làm tăng hiệu quả và độ cứng của hệ kết cấu lên rất nhiều.
Ở các công trình bê tông cốt thép, các thanh chéo được tạo ra bằng cách thay
thế các lỗ mở cửa sổ bằng các tường chịu cắt bê tông cốt thép để tạo ra được hiệu quả
tương đương như một thanh giằng chéo.
9
(Nguồn: Tính toán và thiết kế khung bêtông cốt thép nhà nhiều tầng, Khanzi)
Hình 1.6. Hệ giằng hộp bằng thép và bêtông cốt thép
1.2.5 Hệ thanh chéo (diagrid)
Cuối thế kỷ 19, khi thiết kế các công trình nhiều tầng đầu tiên người ta đã nhận
ra hiểu quả của thanh giằng chéo trong việc kháng lại tải trọng ngang tác động lên
công trình. Hầu hết các hệ kết cấu được triển khai trong các công trình nhiều tầng là
kết cấu khung thép với các thanh giằng chéo có các hình dạng khác nhau như hình
chữ X, K và không đối xứng... Tuy nhiên, trong khi tầm quan trọng của thanh giằng
chéo được nhận thấy rõ ràng thì tính thẩm mỹ tiềm tàng của chúng lại không được
nhận ra một cách đúng đắn. Do đó, các thanh giằng chéo thường được ẩn đi, đặt vào
phía trong và bị kết cấu bao che bên ngoài của công trình che lấp.
10
(Nguồn: Tính toán và thiết kế khung bêtông cốt thép nhà nhiều tầng, Khanzi)
Hình 1.7 John Hancock Building
Một sự thay đổi lớn đã xảy ra khi công trình cao 100 tầng John Hancock
Building ở Chicago được xây dựng vào những năm 60 của thế kỷ 20 với hệ kết cấu
hộp giằng. Ở công trình này, các thanh chéo đã được đặt dọc theo toàn bộ bề mặt của
nhà với mục đích làm tăng hiệu quả của hệ kết cấu và tạo ra một hiệu ứng thẩm mỹ
mới. Rõ ràng công trình này là sự kết hợp hiệu quả tuyệt vời giữa thiết kế kết cấu và
ý tưởng kiến trúc.
Sự khác biệt lớn nhất giữa hệ kết cấu khung giằng truyền thống so với hệ kết
cấu thanh chéo đó là hầu hết các cột ở quanh chu vi công trình đã bị loại bỏ. Điều này
là hoàn toàn có thể vì cấu kiện thanh chéo có thể chịu tải trọng đứng tốt như là khi
chúng chịu tải trọng ngang tùy thuộc vào hình dạng lưới tam giác của chúng; ngược
lại với thanh chéo trong hệ giằng truyền thống chỉ chịu được tải trọng ngang. So sánh
với hệ khung hộp truyền thống thì hệ thanh chéocũng hiệu quả hơn nhiều với biến
11
dạng chịu cắt là nhỏ nhất vì chúng chịu cắt bởi tác động dọc trục của các thanh chéo
trong khi với hệ khung hộp chịu cắt bởi sự uốn của các cột thẳng đứng.
(Nguồn: Tính toán và thiết kế khung bêtông cốt thép nhà nhiều tầng, Khanzi)
Hình 1.8. Hệ giằng hộp và hệ thanh chéo diagrid
Hệ kết cấu outriger cũng là một hệ rất hiệu quả trong việc giảm mô men và
chuyển vị lệch tầng trong nhà nhiều tầng. Tuy nhiên hệ này lại không được cung cấp
khả năng chống cắt (do lõi, vách đảm nhận), ngược lại hệ kết cấu thanh chéo diagrid
cung cấp cả độ cứng chống cắt và độ cứng chống uốn. Do đó nhà nhiều tầng sử dụng
hệ outriger đòi hỏi lõi, vách có độ cứng chống cắt cao; trong khi hệ thanh chéo diagrid
không đòi hỏi vách lõi có độ chống cắt cao vì lực cắt do hệ thanh chéo nằm ở mặt
ngoài xung quanh chu vi công trình chịu.
Có thể thấy rằng việc sử dụng hệ kết cấu thanh chéo diagrid trong các công trình
thực sự mang lại hiệu quả rất cao do khả năng chịu lực vượt trội và khả năng tạo ra
các hình thái kiến trúc mới mà các dạng kết cấu thông thường khác không thể đáp
ứng được.
1.2.6 Hệ outrigger
Một kết cấu tầng cứng (outrigger) nhiều tầng bao gồm một lõi chính bằng bê
tông cốt thép hoặc khung giằng bằng thép kết nối với các cột ngoài bởi các công xôn ngang có độ cứng uốn lớn. Outrigger bằng thép thì cấu tạo giống như một hệ dàn
(truss system), còn bằng bê tông thì giống như một cái dầm cao (deep beam), cao
12
khoảng 2-3 tầng. Lõi có thể được đặt giữa các hàng cột với các tầng cứng được mở
rộng ra hai bên (Hình 1.9a) hoặc nó có thể nằm ở một bên của tòa nhà với công - xôn
kết nối với các cột phía bên kia.
a)
b)
(Nguồn: Bài giảng Nhà nhiều tầng, Nguyễn Hữu Tuấn Anh)
Hình 1.9 Mô hình chịu lực của kết cấu có tầng cứng
Khi tải trọng ngang tác động lên tòa nhà, các cột liên kết với các tầng cứng sẽ
cản trở sự xoay của lõi, làm giảm chuyển vị và moment trong lõi. Kết quả là làm tăng
độ cứng hiệu quả của kết cấu khi nó làm việc như một công- xôn thẳng đứng chịu
uốn bởi tác dụng của lực kéo trong các cột phía đón gió và lực nén trong của các cột
phía khuất gió.
13
(Nguồn: Bài giảng Nhà nhiều tầng, Nguyễn Hữu Tuấn Anh)
Hình 1.10. Chuyển vị của hệ outrigger dưới tác động tải trọng ngang
Để phát huy tối đa sự cản trở của các cột biên đối với sự xoay của các tầng cứng,
bằng cách bố trí một dầm cao hoặc vành đai xung quanh kết cấu ở mức của các tầng
cứng. Để làm cho các tầng cứng và dầm vành đai đủ cứng khi chịu uốn thì chúng có
chiều cao ít nhất là một và thường là hai tầng. Hệ thống tầng cứng này là rất hiệu quả
trong việc tăng độ cứng chống uốn của kết cấu nhưng nó không làm tăng khả năng
chịu cắt mà khả năng chịu cắt chủ yếu do lõi chịu.
14
(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Nguyễn Tiến Chương)
Hình 1.11. Hệ outrigger với dầm vành đai
Hai công trình tiêu biểu ứng dụng hệ này ở Việt Nam đó là tòa nhà Keangnam
– Phạm Hùng và tòa nhà Lotte – Liễu Giai (Hình 1.12 và 1.13)
(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Nguyễn Tiến Chương)
Hình 1.12. Công trình sử dụng Outrigger : Keangnam
15
(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Nguyễn Tiến Chương)
Hình 1.13 Công trình sử dụng Outrigger: Lotte Center
1.3
Ứng dụng kết cấu nhà nhiều tầng
Nhìn chung, các tòa nhà nhiều tầng ở thành phố Tuy Hòa có chiều cao không
lớn (khoảng 40m đến 50m). Kết cấu chủ yếu dùng hệ khung và hệ vách cứng, móng
cọc.
(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Nguyễn Tiến Chương)
Hình 1.14. Công trình sử dụng hệ khung và vách cứng : Cendeluxe
