Nghiên cứu ảnh hưởng sự biến dạng lệch giữa cột và vách cứng trong từng giai đoạn thi công nhà cao tầng sử dụng ceb fip90

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ XUÂN TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG SỰ BIẾN DẠNG LỆCH
GIỮA CỘT VÀ VÁCH CỨNG TRONG TỪNG GIAI ĐOẠN
THI CÔNG NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG CEB-FIP90

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành: 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ


2

CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. LƢƠNG VĂN HẢI
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM, ngày…….tháng…….năm 2011
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ....................................................................................
2. ....................................................................................

3. ....................................................................................
4. ....................................................................................
5. ....................................................................................

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ XUÂN TRƢỜNG

MSHV: 10210253

Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1985

Nơi sinh: QuảngBình

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60 58 20

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hƣởng sự biến dạng lệch giữa cột và vách
cứng trong từng giai đoạn thi công nhà cao tầng sử dụng CEB-FIP90.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Khảo sát và phân tích sự biến dạng lệch giữa cột và vách cứng trong kết cấu nhà
cao tầng theo tiêu chuẩn: CEB-FIP90.
 Khảo sát và phân tích ảnh hƣởng của biến dạng cột vách theo từng giai đoạn thi
công, các tham số vật liệu, kích thƣớc tiết diện, số tầng, nhiệt độ và độ ẩm môi
trƣờng lên các kết cấu khác.
 Mơ hình tính tốn bằng Sap2000 và lập trình bằng Matlabs để phân tích các ví
dụ, ứng dụng phân tích vào cơng trình Asia Square Tower 1-Singapore.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: . . . . / . . . . /2011
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: . . . . /. . . . /2011
IV. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. LƢƠNG VĂN HẢI
Tp. HCM, ngày....... tháng....... năm 2011

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS. LƢƠNG VĂN HẢI
TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


4

LỜI CÁM ƠN
Luận văn thạc sĩ là sự kết thúc của một chặng đƣờng với biết bao sự nổ lực và
phấn đấu, đây cũng là nền tảng vàng cho quá trình tiếp nối những trải nghiệm trên
con đƣờng nghiên cứu khoa học trong tƣơng lai. Qua những năm tháng học tập và
thực hiện luận văn thạc sĩ tại trƣờng Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh,
em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. LƢƠNG VĂN HẢI.
Những lời động viên, sự nhiệt tình hƣớng dẫn cộng với những chỉ bảo của thầy đã
không chỉ giúp em có những kiến thức khoa học mà cịn hình thành tác phong làm
việc khoa học.
Xin gửi lời tri ân sâu sắc tới các các thầy cô, đặc biệt là các thầy cô giảng dạy
thuộc chuyên ngành Xây dựng Dân Dụng-Công Nghiệp trƣờng Đại Học Bách khoa
Tp. Hồ Chí Minh. Tất cả những kiến thức, kinh nghiệm, góp ý quý báu mà thầy cô
đã truyền đạt lại cho em trong suốt quá trình học sẽ mãi là hành trang quý giá cho
em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và công tác sau này.
Xin gửi tới các bạn học viên cao học K2010, ngành xây dựng dân dụng và công
nghiệp, trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp. HCM những lời cảm ơn ân tình nhất, những
ngƣời bạn đã gắn bó, động viên và giúp đỡ tơi hồn thiện mình hơn trong suốt một
năm rƣỡi qua.
Xin cám ơn những ngƣời đồng nghiệp của tôi trong công ty Viet-CIC, đặc biệt là
tổng giám đốc đã tạo điều kiện và hỗ trợ cho em rất nhiều trong suốt quá trình học
tập và cơng tác để hồn thành luận văn này.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn tới cha mẹ và các anh chị em cùng ngƣời thân
trong gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt và luôn bên cạnh tôi, quan tâm,
động viên và giúp đỡ tôi vƣợt qua những khó khăn, trở ngại để hồn thành luận văn
này.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhƣng không thể tránh khỏi những thiếu sót. Mọi góp
ý em xin ghi nhận và sẽ cập nhật trong thời gian sớm nhất để đề tài đƣợc hồn chỉnh
hơn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 12 năm 2011

Lê Xuân Trƣờng


5

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................5
DANH MỤC KÝ HIỆU ..............................................................................................7
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................9
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................12
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .............................................................1
1.1. Tổng quan...........................................................................................................14
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc ......................................................................16
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .......................................................................18
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................18
1.5. Cơ sở hình thành đề tài.......................................................................................19
1.6. Mục đích và nội dung nghiên cứu ......................................................................19
CHƢƠNG II: CƠ S LÝ THUYẾT .........................................................................21
2.1. Các khái niệm cơ bản ([1], [3], [12], [13], [18]) ................................................21
2.1.1. Biến dạng đàn hồi ....................................................................................21
2.1.2. Biến dạng không đàn hồi .........................................................................21
2.1.3. Biến dạng cột, vách cho tịa nhà có N tầng ([18], [12], [13]) ..................22
2.2. Các tiêu chuẩn và phƣơng pháp tính tốn biến dạng ([2]) .................................23
2.2.1. Tính tốn biến dạng theo CEB-FIP90 .....................................................23
2.2.1.1. Ảnh hƣởng của yếu tố thời gian ........................................................23
2.2.1.2. Biến dạng từ biến và co ngót ............................................................24
2.2.1.3. Ảnh hƣởng của yếu tố nhiệt độ .........................................................28
2.2.1.4. Trƣờng hợp khi chƣa xét ảnh hƣởng của nhiệt độ ............................31

2.2.1.5. Trƣờng hợp khi xét ảnh hƣởng của nhiệt độ .....................................32
2.3. Biến dạng đàn hồi...............................................................................................33
2.3.1. Theo công thức sức bền vật liệu ..............................................................33
2.3.2. Biến dạng đàn hồi của cột, vách ở tầng thứ N tại thời điểm t .................33
CHƢƠNG 3: CÁC VÍ DỤ TÍNH TỐN .................................................................35
3.1. Nhà cao tầng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ..................................................35


6

3.1.1. Biến dạng theo thời gian của cột, vách với sự thay đổi độ ẩm ................37
3.1.2. Biến dạng theo thời gian của cột, vách với sự tác động nhiệt độ ............40
3.1.3. So sánh biến dạng cột, vách theo CEB-FIP90, ACI-209R, EC2, FintelGhosh (1996) .....................................................................................................43
3.1.4. Ảnh hƣởng của tốc độ thi công đến biến dạng cột, vách theo CEB-FIP90
...........................................................................................................................48
3.2.Nhà cao tầng sử dụng kết cấu liên hợp thép và bê tông ......................................54
Dự đoán biến dạng theo CEB-FIP90 .................................................................56
Biến dạng cột bên ngoài tƣơng ứng sự thay đổi độ ẩm .................................56
Biến dạng cột bên ngoài tƣơng ứng với sự tác động của nhiệt độ .................56
3.3. Nhà cao tầng với các độ cao khác nhau sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ........58
3.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của tiết diện cột và mác bê tông đến sự biến dạng
của cột C2 ..........................................................................................................61
3.3.2. Biến dạng của cột C2 tƣơng ứng sự thay đổi độ ẩm................................61
3.3.3. Biến dạng của cột C2 tƣơng ứng sự tác động của nhiệt độ .....................65
3.3.4. Biến dạng khác nhau giữa cột C1 và C2 và sự ảnh hƣởng đến dầm B1
liên kết giữa cột C1 và C2 .................................................................................68
3.4. Khảo sát tính tốn cơng trình Asia Square Tower 1 ..........................................71
3.4.1. Phân tích từ biến và co ngót ....................................................................71
3.4.2. Phân tích kết quả biến dạng lệch giữa cột vách bằng Matlab ..................73
3.4.2.1. Phân tích kết quả theo CEB-FIP90 ...................................................73

3.4.2.2. Phân tích kết quả theo Fintel-Ghosh (1996) .....................................74
3.4.2.3. Phân tích kết quả theo CEB-FIP90 khi xét tải nhiệt .........................76
3.4.3. Phân tích kết quả biến dạng cột và vách cứng dƣới tác dụng của tải gió 78
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................80
4.1. Kết luận ..............................................................................................................80
4.2. Hƣớng phát triển đề tài.......................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................83
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................................86


7

DANH MỤC KÝ HIỆU
f ck

cƣờng độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông (MPa)

Eci

môdul đàn hồi đối với bê tông tuổi 28 ngày (MPa)

f cm

khi cƣờng độ chịu nén thực của bê tông ở 28 ngày (MPa)

f cm (t )

cƣờng độ chịu nén trung bình bê tơng (MPa) với thời gian t (ngày)

cc (t )

hệ số phụ thuộc vào tuổi của bê tông t

t

tuổi của bê tông (ngày)

s

hệ số phụ thuộc vào loại xi măng

 E (t )

hệ số mà phụ thuộc vào tuổi của bê tông

cc (t )

hệ số tính tốn

 ci (to )

biến dạng ban đầu tại lúc đặt tải

 cc (t )

biến dạng từ biến tại thời gian t  t0

 cs (t )

biến dạng co ngót

 cT (t )

biến dạng nhiệt

 (t , to )

hệ số từ biến

o

hệ số từ biến biểu kiến

c

hệ số mô tả sự phát triển từ biến theo thời gian sau khi đặt tải

t0

tuổi của bê tông lúc đặt tải (ngày)

RH

độ ẩm tƣơng đối của mơi trƣờng xung quanh (%)

RH 0

= 100%

h

kích thƣớc biểu kiến của kết cấu (mm)

Ac

diện tích tiết diện

u

chu vi của kết cấu tiếp xúc với khí quyển và môi trƣờng

h0

= 100 mm, t1 = 1 ngày

t0,T

tuổi bê tông tại lúc đặt tải (ngày)

t1,T

= 1 ngày


8



hệ số phụ thuộc vào loại xi măng

 cso

hệ số co ngót biểu kiến

s

hệ số mơ tả sự phát triển co ngót theo thời gian

ts

tuổi của bê tơng (ngày) tại thời điểm bắt đầu từ biến hoặc trƣơng nở

f cmo

= 10 MPa

 sc

hệ số phụ thuộc vào loại ciment

ti

số ngày nơi đó nhiệt độ chiếm ƣu thế

T (ti )

nhiệt độ (0C) trong suốt khoảng ti , T0 = 10C

 cT

độ giản nở nhiệt

T

sự thay đổi nhiệt độ (K)

T

hệ số giản nở nhiệt (K-1)

f cm (T )

cƣờng độ chịu nén tại nhiệt độ T

f cm

cƣờng độ chịu nén tại nhiệt độ 200C từ công thức

f ct

cƣờng độ chịu kéo một trục

f ct , sp

cƣờng độ kéo nứt

f ct , fl (T )

cƣờng độ chịu uốn tại nhiệt độ T

f ct , fl

cƣờng độ chịu uốn tại nhiệt độ 200C

GF

năng lƣợng gây nứt

GF (T )

năng lƣợng gây nứt tại nhiệt độ T

GF

năng lƣợng gây nứt tại nhiệt độ 200C

Eci (T )

modul đàn hồi tại nhiệt độ T

Eci

modul đàn hồi tại nhiệt độ 200C

 H ,T

hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ

RH ,T

hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ

RH

hệ số tính theo cơng thức


9

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACI

American Concrete Institute

CEB-FIP90

Comite Euro-International du Beton (CEB) and the Federation
Internationale de la Precontrainte 90

EC2

Eurocode 2

F-G

Fintel-Ghosh

URA

Urban Redevelopment Authority

RS

Rapid Hardening High Strength Cements

N and R

Normal and Rapid Hardening Cements

SL

Slowly Hardening Cements


10

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1. Tải trọng và đặc trƣng tiết diện của cột ...................................................36
Bảng 3. 2. Tải trọng và đặc trƣng tiết diện của vách cứng .......................................37
Bảng 3. 3. Biến dạng cột, vách cứng theo CEB-FIP90 ứng với H=50% và H=90%39
Bảng 3. 4. So sánh biến dạng cột theo CEB-FIP90 với (t = 00C và t = 400C) ..........41
Bảng 3. 5. So sánh biến dạng cột theo CEB-FIP90 với (t = 200C và t = 400C) ........42
Bảng 3. 6. So sánh biến dạng cột giữa CEB-FIP90 và ACI209R-92 .......................46
Bảng 3. 7. So sánh biến dạng cột giữa CEB-FIP90 và EC2 .....................................46
Bảng 3. 8. So sánh biến dạng cột giữa CEB-FIP90 và Fintel-Ghosh (1996) ...........47
Bảng 3. 9. Ảnh hƣởng của tốc độ thi công đến biến dạng cột tầng mái ...................52
Bảng 3. 10. Ảnh hƣởng của tốc độ thi công đến biến dạng vách tầng mái ...............53
Bảng 3. 11. Sai số kết quả tính tốn ảnh hƣởng tốc độ thi công đến biến dạng vách
theo tiêu chuẩn CEB-FIP90 ......................................................................................53
Bảng 3. 12.Tải trọng và đặc trƣng tiết diện của cột liên hợp bên ngoài ...................55

Bảng 3. 13. Bảng kết quả biến dạng tổng của cột bên ngoài ....................................57
Bảng 3. 14. Kích thƣớc tiết diện cột, dầm trong mỗi tịa nhà ...................................60
Bảng 3. 15. Biến dạng của cột C2 tại tầng trệt theo kết quả của CEB-FIP90 với
H=60% ......................................................................................................................62
Bảng 3. 16. Biến dạng của cột C2 tại tầng trệt theo kết quả của CEB-FIP90 với
H=90% ......................................................................................................................62
Bảng 3. 17. Sai số kết quả giữa CEB-FIP90 và Jayasinghe - Jayasena (2005) ........64
Bảng 3. 18. Sai số kết quả của CEB-FIP90 với kết quả Fintel-Ghosh (Phong, 2008)
...................................................................................................................................64
Bảng 3. 19. Kết quả tính tốn theo CEB-FIP90 với t = 400C và H=60% .................66
Bảng 3. 20. Sai số kết quả tính tốn theo CEB-FIP90 khi xét tải nhiệt độ (t = 400C)
và không xét tải nhiệt độ (t = 00C) ............................................................................66
Bảng 3. 21. Biến dạng khác nhau giữa cột C1 và C2 theo CEB-FIP90 ....................68
Bảng 3. 22. Biến dạng khác nhau ảnh hƣởng lên dầm B1 theo CEB-FIP90 ............68
Bảng 3. 23. Kết quả biến dạng cột theo các tiêu chuẩn ............................................77
Bảng 3. 24. Kết quả biến dạng vách theo các tiêu chuẩn ..........................................77


11

Bảng 3. 25. Biến dạng theo phƣơng đứng của vách cứng và cột theo thời gian .......79


12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Ảnh hƣởng của biến dạng lệch đến kết cấu .............................................15
Hình 1. 2. Ảnh hƣởng của biến dạng lệch đến kết cấu .............................................15
Hình 1. 3. Biểu đồ sơ phác nhà cao tầng ...................................................................16
Hình 2. 1. Trình tự thi cơng tịa nhà có N tầng .........................................................22

Hình 3. 1. Mặt bằng tầng điển hình...........................................................................35
Hình 3. 2. Biến dạng cột theo CEB-FIP90 với độ ẩm H=50% và H=90% ...............38
Hình 3. 3. Biến dạng vách theo CEB-FIP90 với độ ẩm H=50% và H=90% ............38
Hình 3. 4. Biến dạng cột theo CEB-FIP90 với t=00C, t=200C và t=400C ................40
Hình 3. 5. Biến dạng vách theo CEB-FIP90 với t=00C, t=200C và t=400C ..............41
Hình 3. 6. So sánh biến dạng cột với H=50% ...........................................................44
Hình 3. 7. So sánh biến dạng cột với H=90% ...........................................................44
Hình 3. 8. So sánh biến dạng vách với H=50% ........................................................45
Hình 3. 9. So sánh biến dạng vách với H=90% ........................................................45
Hình 3. 10. Ảnh hƣởng tốc độ thi cơng đến biến dạng cột theo CEB-FIP90 ...........49
Hình 3. 11. Ảnh hƣởng tốc độ thi công đến biến dạng vách theo CEB-FIP90 .........50
Hình 3. 12. Ảnh hƣởng tốc độ thi cơng đến biến dạng cột (t = 400C, H=50%) ........50
Hình 3. 13. Ảnh hƣởng tốc độ thi công đến biến dạng vách (t = 400C, H=50%) .....51
Hình 3. 14. Mặt bằng tầng điển hình .........................................................................55
Hình 3. 15. Biến dạng cột bên ngồi với H=50% và H=90% ...................................56
Hình 3. 16. Biến dạng cột bên ngồi với t=400C và t=200C .....................................57
Hình 3. 17. Mặt bằng nhà 10 tầng .............................................................................59
Hình 3. 18. Mặt bằng nhà 15 tầng .............................................................................59
Hình 3. 20. Mặt bằng nhà 20 tầng .............................................................................59
Hình 3. 22. Mặt bằng nhà 25 tầng .............................................................................60
Hình 3. 19. Mặt bằng nhà 30 tầng .............................................................................59
Hình 3. 21. Mặt bằng nhà 35 tầng .............................................................................59
Hình 3. 23. Mặt bằng nhà 40 tầng .............................................................................60
Hình 3. 24. Các vị trí khảo sát tính tốn của tịa nhà [9]...........................................71
Hình 3. 25.Trình tự thi cơng cơng trình (mơ hình Sap2000) ....................................72


13

Hình 3. 26. Biến dạng cột C1, C2, C3, C4 theo phƣơng đứng (5 ngày/sàn) ............73

Hình 3. 27. Biến dạng vách V1, V2, V3, V4 theo phƣơng đứng (5 ngày/sàn) .........73
Hình 3. 28. Biến dạng cột C1, C2, C3, C4 theo phƣơng đứng (7 ngày/sàn) ............74
Hình 3. 29. Biến dạng vách V1, V2, V3, V4 theo phƣơng đứng (7 ngày/sàn) .........75
Hình 3. 30. Biến dạng cột C1, C2, C3, C4 theo phƣơng đứng (9 ngày/sàn) ............76
Hình 3. 31. Biến dạng vách V1, V2, V3, V4 theo phƣơng đứng (9 ngày/sàn) .........76


14

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan
Với sự phát triển kinh tế ngày càng đi lên của nƣớc ta trong những năm qua thì
nhu cầu nhà ở cho các hộ dân là rất lớn. Đặc biệt khi quĩ đất của các thành phố lớn
và cả nƣớc ngày càng bị thu hẹp và đắt đỏ thì cần có nhiều cao ốc cao tầng đƣợc
xây dựng. Vì vậy, những ngƣời thiết kế và thi công cần nghiên cứu tất cả những vấn
đề có thể xảy ra trong thực tế cơng trình để các dự án đƣợc thực thi tốt nhất.
Sự biến dạng của các cấu kiện trong kết cấu, đặc biệt là cấu kiện theo phƣơng
đứng nhƣ cột, vách cứng luôn xảy ra trong cơng trình dƣới tác động của các yếu tố
nhƣ: tải trọng, mơi trƣờng bên ngồi, các tham số vật liệu tạo nên kết cấu,…trong
quá trình sử dụng và thi cơng. Biến dạng đó bao gồm: Biến dạng đàn hồi và khơng
đàn hồi (từ biến và co ngót). Trong nhà cao tầng, ảnh hƣởng sự co ngắn của cột và
vách cứng từ ứng suất đàn hồi, từ biến và co ngót rất quan trọng. Tổng biến dạng co
ngắn và những ảnh hƣởng liên quan có thể tác dụng trực tiếp đến những chi tiết bao
che trong thiết kế, thiết kế đƣờng ray của thang máy, những đƣờng ống đứng… Cột
và vách là hai cấu kiện chịu tải theo phƣơng đứng lớn nhất, đặc biệt khi chiều cao
nhà càng tăng thì biến dạng càng tăng. Sự co ngắn khác nhau giữa cột và vách cứng
liền kề sát bên có thể là nguyên nhân làm xoắn sàn phẳng, biến dạng dầm và tƣờng.
Trong khi đó, phần lớn trong thiết kế xây dựng ở nƣớc ta thƣờng chỉ kể đến biến
dạng đàn hồi mà rất ít khi kể đến biến dạng từ biến và co ngót. Biến dạng đàn hồi
cũng là một trong những nguyên nhân gây ra biến dạng trong cột và vách cứng

nhƣng khi xét thêm biến dạng do co ngót và từ biến thì sự biến dạng của các cấu
kiện trong kết cấu lớn hơn nhiều, chính vì vậy mà khi thiết kế nhà cao tầng (đặc biệt
những cơng trình có số tầng và chiều cao lớn) thì không thể bỏ qua biến dạng không
đàn hồi (biến dạng co ngót và từ biến). Vấn đề đặt ra ở đây là cần kiểm sốt và tính
tốn chính xác nhất có thể của biến dạng này để áp dụng cho các cơng trình thực tế.


15

Ngồi ra các tiêu chuẩn bê tơng cốt thép của Việt Nam vẫn chƣa đề cập đến vấn
đề này trong thiết kế cụ thể nên cũng gây khó khăn cho ngƣời thiết kế trong thực tế.
Vì vậy, những ngƣời thiết kế cần sử dụng thêm các tiêu chuẩn hỗ trợ nhƣ: CEBFIP 90, ACI-209R, Eurocode 2 (EC2), những phƣơng pháp đề xuất của các tác giả
khác, mơ hình tính tốn bằng Sap2000, ngơn ngữ lập trình,…để hỗ trợ trong thiết kế
các cơng trình lớn.

Hình 1. 1. Ảnh hƣởng của biến dạng lệch đến kết cấu
( />
Hình 1. 2. Ảnh hƣởng của biến dạng lệch đến kết cấu
( />

16

Hình 1. 3. Biểu đồ sơ phác nhà cao tầng
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
Lý thuyết về biến dạng co ngót và từ biến của bê tơng và thép đã đƣợc nhiều tác
giả đề cập từ những thập kỷ trƣớc nhƣ: Ross (1937), Lorman (1940), Neville cùng
các cộng sự (1964) đã đƣa ra các yếu tố ảnh hƣởng đến từ biến của bê tơng và
phƣơng pháp dự đốn. Hasen và Mattock (1966) đã nghiên cứu sự ảnh hƣởng của
hình dạng và kích thƣớc cấu kiện đến sự co ngót và từ biến của bê tông. Tác giả
Meyers và cộng sự (1970) đã đƣa ra nghiên cứu về dự đoán biến dạng co ngót và từ

biến của bê tơng theo thời gian căn cứ trên dữ liệu bê tông ở 28 ngày tuổi. Mơ hình
đơn giản dự đốn biến dạng do co ngót và từ biến của bê tơng đã đƣợc đƣa ra bởi
các tác giả Bazant (1972), Fintel-Ghosh và Iyengar (1984). Richard và cộng sự
(1989) đã nghiên cứu thiết kế khung thép tối ƣu bằng cách xử lý nhiệt giả tạo.
Tiếp theo là nghiên cứu của Russel và Larson (1989), Gao và Bradford (1993),
Samra (1995). Gadhib và cộng sự (1997) đã nghiên cứu dự đoán ứng suất của từ
biến và co ngót trong việc sửa chữa cơng trình bê tông cốt thép. Tác giả Kenji
Sakata (1996) cũng nghiên cứu dự đốn từ biến và co ngót trong bê tơng dƣới tác
động của các yếu tố độ ẩm, nhiệt độ… Savita Maru và cộng sự (2001) đã dự đoán


17

ảnh hƣởng của từ biến và co ngót đến khung bê tông cốt thép. Bazant và Baweja
(2001) đã đƣa ra mơ hình dự đốn từ biến và co ngót cho việc phân tích và thiết kế
kết cấu bê tơng. Rangan và Warner (2001) trong quyển “Large Concrete Building”
cũng đã đề cập và giải quyết hiện tƣợng co ngót và từ biến trong nhà cao tầng sử
dụng thép liên hợp bê tông cốt thép và thép dƣới ảnh hƣởng của môi trƣờng. Park
và Sung (2002) đã trình bày việc tối ƣu kết cấu thép bằng cách sử dụng thuật tốn
mơ phỏng phân tán nhiệt trên nhóm máy tính cá nhân.
Nghiên cứu của Mang Tia và cộng sự (2005) đã so sánh các kết quả dự đốn
biến dạng co ngót, từ biến theo thời gian với kết quả thí nghiệm nhằm đƣa ra các
yếu tố ảnh hƣởng đến từ biến, co ngót. Tác giả Mark Fintel và cộng sự (2005) trong
quyển “Column Shortening in Tall Structures – Prediction and Compensation”
cũng đã đề cập hiện tƣợng co ngót và từ biến dẫn đến biến dạng lệch giữa các cột
trong nhà cao tầng thông qua các ví dụ điển hình để khảo sát, sau đó đƣa ra cách
hiệu chỉnh. Jayasinghe và Jayasena (2004) đã đề cập ảnh hƣởng sự co ngắn của cột
trong thiết kế và thi cơng nhà cao tầng. Ngồi ra, Jayasinghe và Jayasena (2005) đã
đề cập ảnh hƣởng mối quan hệ độ ẩm tuyệt đối, sự co ngắn của cột và vách trong
nhà cao tầng bê tông cốt thép…Kwak và Kim (2005) đã nghiên cứu ảnh hƣởng co

ngắn trong kết cấu chống đỡ khung bê tông cốt thép, nghiên cứu này rất có ý nghĩa
trong việc lắp dựng các kết cấu phụ tạm trong thi công nhà cao tầng. Kwon và Park
(2004) đã tối ƣu kết cấu tỉ lệ lớn sử dụng thuật toán di truyền hỗn hợp.
Tác giả Bazant và cộng sự (2004) đã đề cập ảnh hƣởng nhiệt độ lên mơ hình từ
biến của bê tơng sử dụng lý thuyết vi ứng suất trƣớc cũng cố. Cheng và cộng sự
(2004) đã nghiên cứu phân tích phi tuyến từ biến của cột bê tông cốt thép. Rodney
và cộng sự (2007) đã khảo sát sự nguy hại của mặt nghiêng phân tán đối với sự co
ngắn khác nhau của cột bằng cách sử dụng thuyết xấp xĩ có thể.
Việc tính tốn biến dạng co ngót và từ biến cho kết cấu bê tông cũng đƣợc qui
định trong các tiêu chuẩn CEB-FIP90, ACI-209R, Eurocode 2.


18

1.3. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Tác giả Phạm Duy Hữu (2005) đã nghiên cứu thành phần bê tơng có xét đến
yếu tố hạn chế co ngót và từ biến, trong đó trình bày khái qt các yếu tố ảnh hƣởng
đến co ngót và từ biến của bê tơng. Tác giả Phan Quang Minh và cộng sự (2005) đã
trình bày một số phƣơng pháp tính biến dạng từ biến theo thời gian của bê tơng nhƣ:
phƣơng trình lũy thừa, phƣơng trình hypepol, phƣơng trình logarit, phƣơng trình từ
biến nhanh ban đầu....Tác giả Hà Hoàng Phong (2008) đã khắc phục sự biến dạng
khác nhau giữa cột và vách theo thời gian trong nhà cao tầng bằng phƣơng pháp tối
ƣu bù biến dạng. Tác giả Lƣơng Văn Hải và cộng sự (2011) đã đánh giá sự co ngắn
của cột và vách trong nhà cao tầng do ứng suất đàn hồi, từ biến và co ngót, đồng
thời đƣa ra sự hiệu chỉnh biến dạng lệch giữa cột và vách cứng.
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để phân tích và nghiên cứu biến dạng lệch giữa các cấu kiện kết cấu cột và
vách cứng trong nhà cao tầng, ngƣời thực hiện phải cố gắng phân tích đầy đủ các
trƣờng hợp xảy ra trong thực tế, tìm ra nhiều phƣơng pháp nghiên cứu khác nhau để
so sánh nhằm đƣa ra giải pháp hợp lý nhất cho bài toán ứng dụng. Các phƣơng pháp

nghiên cứu trong đề tài là:
- Sử dụng phƣơng pháp số, xây dựng chƣơng trình dự đoán biến dạng của cột,
vách theo thời gian bằng ngơn ngữ lập trình Matlab nhằm so sánh kết quả của
các tiêu chuẩn và phƣơng pháp, đồng thời so sánh với kết quả của mơ hình
Sap2000.
- Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thơng qua mơ hình Sap2000 để phân
tích ví dụ, trong đó sử dụng tiêu chuẩn CEB-FIP90 để phân tích.
- Đề xuất phƣơng pháp khắc phục biến dạng lệch giữa cột và vách thơng qua
các ví dụ tính tốn các cơng trình thực tế.
- Trong mỗi bài tốn, tác giả sẽ phân tích các hiện tƣợng do các loại tải trọng
nhƣ: tĩnh tải, hoạt tải, tải gió. Đồng thời xét sự ảnh hƣởng của sự thay đổi
nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng, các hiện tƣợng mất ổn định và các hiệu ứng
khác trong kết cấu.


19

1.5. Cơ sở hình thành đề tài
Nhìn nhận nhu cầu bức thiết của việc xây dựng nhà cao tầng hiện nay của nƣớc
ta cũng nhƣ các nƣớc trên thế giới nhằm giải quyết nhu cầu dân sinh và xã hội.
Đồng thời với ý tƣởng mong muốn học hỏi và tìm hiểu kiến thức trong việc thiết kế
và thi công nhà cao tầng, đặc biệt trong thời đại ngày càng phát triển thì nhu cầu của
con ngƣời khơng chỉ bền vững mà phải mang tính thẩm mỹ cao, dẫn đến việc thiết
kế và thi cơng ngày càng địi hỏi tính phức tạp và hiệu quả. Vì vậy tác giả đã chọn
đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng sự biến dạng lệch giữa cột và vách cứng trong
từng giai đoạn thi công nhà cao tầng sử dụng CEB-FIP90” cho luận văn.
1.6. Mục đích và nội dung nghiên cứu
Trong luận văn, tác giả sẽ tập trung chủ yếu nghiên cứu và ứng dụng theo
phƣơng pháp CEB-FIP90 để phân tích biến dạng đàn hồi, khơng đàn hồi của cột và
vách cứng, những ảnh hƣởng của các biến dạng đó đối với các cấu kiện liên quan

trong nhà cao tầng. Các tiêu chuẩn và phƣơng pháp khác liên quan đến phân tích sẽ
đƣợc nghiên cứu kỹ nhằm mục đích tham khảo khi đƣa ra một số kết quả so sánh
trong phần ví dụ tính tốn của luận văn. So với các phƣơng pháp và tiêu chuẩn khác
thì tiêu chuẩn CEB-FIP90 đã đề cập khá kỹ các yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng
đàn hồi và không đàn hồi của cột và vách cứng trong nhà cao tầng. Đồng thời tiêu
chuẩn cũng đƣợc đƣa vào phần mềm Sap2000 nhằm giúp cho các kỹ sƣ thiết kế tiện
mô phỏng và so sánh cho các bài toán thực tế.
Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu mơ phỏng tính tốn biến dạng đàn hồi và khơng đàn hồi (từ biến và co
ngót) theo thời gian sử dụng, theo từng giai đoạn thi công dƣới tác động của tĩnh tải,
hoạt tải, tải gió…, sự tác động của các điều kiện môi trƣờng (nhiệt độ và độ ẩm thay
đổi), sự thay đổi của đặc tính vật liệu (cƣờng độ bê tơng…) trong các tịa nhà có đặc
trƣng kết cấu khác nhau (bê tông cốt thép, liên hợp bê tơng và thép).
- Dùng chƣơng trình Matlab lập trình tính tốn dự đốn biến dạng cột, vách cho tịa
nhà có n tầng tƣơng ứng tại thời điểm t bất kỳ theo tiêu chuẩn: CEB-FIP90 để so
sánh với kết quả mô phỏng bằng Sap2000. Đồng thời khảo sát kết quả tính toán


20

theo sự thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm và số tầng, sự thay đổi theo thời gian thi công,
thay đổi các thơng số mác bê tơng, kích thƣớc tiết diện và những ảnh hƣởng đến kết
cấu dầm, sàn, cột, vách, và các kết cấu bao che khác. Đề xuất phƣơng án khắc phục
biến dạng hợp lý cho cột và vách nhằm tránh sự ảnh hƣởng đến kết cấu trong q
trình sử dụng cũng nhƣ thi cơng.
- Tiến hành mơ hình trong Sap2000 để phân tích ví dụ thực tế (cơng trình 43 tầng
Asia Square Tower 1 tại Singapore), sau đó lập trình trong Matlab để so sánh kết
quả với việc mơ hình theo các tiêu chuẩn CEB-FIP90 và Fintel-Ghosh (1996). Đƣa
ra đƣờng tính tốn bù biến dạng cho tịa nhà n tầng căn cứ trên kết quả dự đoán biến
dạng của cơng trình thực.

- Kết quả nghiên cứu của đề tài nhằm đề xuất một biện pháp kiểm soát và giảm
thiểu sự biến dạng lệch của cột, vách theo thời gian trong việc thi công nhà cao
tầng. Điều này cũng nhằm đảm bảo yêu cầu công năng sử dụng, tính kỹ thuật và mỹ
thuật cho các cơng trình xây dựng.

Ghi chú:
Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã sử dụng một số kết quả trong
tài liệu tham khảo: “Assessements of columns and walls shortening in highrise
buildings due to elastic stresses, drying shrinkage and creep” của tác giả Lƣơng
Văn Hải và cộng sự (2011), luận văn thạc sỹ của Hà Hoàng Phong (2008) và nhiều
tài liệu tham khảo khác. Tất cả các kết quả trên chỉ dẫn ra số liệu nhằm mục đích so
sánh với kết quả của luận văn.


21

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Các khái niệm cơ bản ([1], [3], [12], [13], [18])
2.1.1. Biến dạng đàn hồi
Biến dạng đàn hồi là biến dạng tức thời diễn ra trong phần tử dƣới tác dụng của
tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải,…). Biến dạng đàn hồi phụ thuộc vào thành phần vật liệu,
kích thƣớc cấu kiện, tải trọng tác động, điều kiện môi trƣờng…
2.1.2. Biến dạng không đàn hồi
Biến dạng không đàn hồi của bê tông là tổng biến dạng co ngót và từ biến trong
bê tơng.
- Biến dạng co ngót bê tơng
Biến dạng co ngót là sự giảm thể tích bê tơng diễn ra do q trình bay hơi nƣớc
từ bề mặt bê tơng và các phản ứng hóa học trong q trình bê tơng ninh kết. Biến
dạng này là tổ hợp của các thành phần: biến dạng co ngót khi khơ và biến dạng co

ngót nội sinh.
Biến dạng co ngót khi khơ là q trình bay hơi nƣớc từ bề mặt bê tơng, biến
dạng phát triển chậm vì đây là hoạt động dịch chuyển nƣớc trong bê tông đã đơng
cứng. Biến dạng co ngót khi khơ sẽ tăng khi diện tích bề mặt tăng.
Biến dạng co ngót nội sinh là biến dạng do các phản ứng thủy hóa của xi
măng trong bê tông. Biến dạng này phát triển trong q trình bê tơng đơng cứng,
chủ yếu phát triển ngay trong những ngày sau khi đổ bê tông. Co ngót nội sinh là
một hàm số tuyến tính của độ bền bê tông.
- Biến dạng từ biến
Biến dạng từ biến là sự tăng biến dạng theo thời gian khi ứng suất không thay
đổi. Biến dạng từ biến là tổ hợp hai thành phần: biến dạng từ biến cơ sở và biến
dạng từ biến khi khô. Biến dạng từ biến chịu ảnh hƣởng bởi độ ẩm của mơi trƣờng
xung quanh, kích thƣớc cấu kiện, thành phần bê tông, tuổi của bê tông khi đặt tải và
độ lớn của tải trọng. Từ biến phát triển trong một thời gian rất dài, không có giới


22

hạn cụ thể. Theo các khảo sát nghiên cứu trƣớc thì sau 30 năm vẫn cịn biến dạng từ
biến.
2.1.3. Biến dạng cột, vách cho tịa nhà có N tầng ([18], [12], [13])
Cơ sở lý thuyết để thiết lập công thức tính biến dạng phần tử phƣơng đứng theo
thời gian t ứng với tịa nhà có N tầng. Các giả thiết bao gồm: bỏ qua ảnh hƣởng của
các yếu tố nhƣ độ sụt của bê tông, phần trăm cốt liệu nhỏ, phần trăm khơng khí có
trong bê tơng, nhiệt độ mơi trƣờng đến sự biến dạng của co ngót và từ biến.

Hình 2. 1. Trình tự thi cơng tịa nhà có N tầng
Hình 2. 1 biểu thị trình tự thi cơng cơng trình theo phƣơng pháp thơng thƣờng
(thi cơng tuần tự từ dƣới lên trên). Biến dạng (đàn hồi, từ biến, co ngót) tại tầng N
đang khảo sát sẽ bao gồm: biến dạng khi thi công sàn tầng N và sau khi thi công sàn

tầng N. Khi thi công sàn tầng N thì biến dạng bao gồm: biến dạng trong chính tầng
thứ N và biến dạng cộng dồn của các tầng bên dƣới. Sau khi thi cơng sàn tầng N thì
biến dạng do các tải trọng của các tầng bên trên đƣợc thi công sau làm ảnh hƣởng
đến biến dạng của tầng N và các tầng bên dƣới.
- Biến dạng khi thi công tầng N bao gồm
 Biến dạng đàn hồi cộng dồn do các tải trọng từ tầng 1 đến tầng N
 Biến dạng co ngót cộng dồn xảy ra đến thời điểm thi công sàn N


23

 Biến dạng từ biến cộng dồn xảy ra đến thời điểm thi công sàn N do tải trọng từ
tầng 1 đến tầng N
- Biến dạng sau khi thi công tầng N bao gồm
 Biến dạng đàn hồi cộng dồn do các tải trọng từ tầng N+1 đến tầng mái
 Biến dạng co ngót cộng dồn tiếp diễn xảy ra sau khi thi công tầng N
 Biến dạng từ biến cộng dồn tiếp diễn sau khi thi công sàn N do tải trọng từ tầng
1 đến tầng N và biến dạng từ biến cộng dồn do tải trọng từ tầng N+1 đến tầng
mái
2.2. Các tiêu chuẩn và phƣơng pháp tính tốn biến dạng ([2])
2.2.1. Tính tốn biến dạng theo CEB-FIP90
2.2.1.1. Ảnh hƣởng của yếu tố thời gian
- Sự phát triển cƣờng độ theo thời gian
Cƣờng độ chịu nén trung bình của bê tông sau 28 ngày
fcm  f ck  f

(2.1)

trong đó: f  8MPa và f ck là cƣờng độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông.
Giá trị modul đàn hồi đối với bê tơng nặng đƣợc tính tốn theo công thức sau

Eci  Eco  fck  f  / f cmo 

1/3

(2.2)

trong đó: Eci là mơdul đàn hồi (MPa) đối với bê tông tuổi 28 ngày, f ck là cƣờng độ
tiêu chuẩn (MPa), f  8MPa , fcmo  10MPa , Eco  2.15x104 MPa .
- Khi cƣờng độ chịu nén thực của bê tông ở 28 ngày f cm đƣợc biết, Eci đƣợc tính từ
cơng thức (2.3)
Eci  Eco  fcm / fcmo 

1/3

(2.3)

Cƣờng độ của bê tông tại thời điểm t phụ thuộc vào loại xi măng, nhiệt độ và
những điều kiện bảo dƣỡng. Đối với nhiệt độ trung bình 20oC và bảo dƣỡng theo
chuẩn ISO 2736/2 liên quan đến cƣờng độ chịu nén của bê tông với những độ tuổi
khác nhau, f cm (t ) có thể đƣợc ƣớc tính từ cơng thức (2.4) và (2.5). Ảnh hƣởng của


24

nhiệt độ trong suốt quá trình bảo dƣỡng tuổi bê tông đƣợc hiệu chỉnh theo công thức
(2.27).
f

cm

(t )  cc (t ) f cm

1/2

   28   

cc (t )  exp  s 1  
 
t /t

   1   


trong đó:

(2.4)
(2.5)

f cm (t ) là cƣờng độ chịu nén trung bình bê tơng với thời gian t ngày
f cm cƣờng độ chịu nén trung bình sau 28 ngày theo cơng thức (2.1)

cc (t ) hệ số mà phụ thuộc vào tuổi của bê tông t
t tuổi của bê tông (ngày) theo công thức (2.27), t1 = 1 ngày

s là hệ số phụ thuộc vào loại xi măng: s = 0.20 đối với xi măng thủy hóa
nhanh, cƣờng độ cao RS, s = 0.25 đối với xi măng thủy hóa đóng rắn
bình thƣờng N và R, và s = 0.38 đối với xi măng thủy hóa chậm SL.
- Sự phát triển modul đàn hồi theo thời gian
Modul đàn hồi của bê tông tại độ tuổi t  28 ngày có thể đƣợc tính tốn từ công
thức (2.6):

Eci (t )   E (t ) Eci

(2.6)

 E (t )   cc (t )

(2.7)

0.5

trong đó: Eci (t ) là modul đàn hồi ở độ tuổi t ngày, Eci là modul đàn hồi ở độ tuổi 28
ngày, từ công thức (2.3),  E (t ) là hệ số mà phụ thuộc vào tuổi của bê tông,
t (ngày), cc (t ) là hệ số tính theo cơng thức (2.5).
2.2.1.2. Biến dạng từ biến và co ngót
- Định nghĩa
Tổng biến dạng tại thời điểm t,  c (t ) , của một kết cấu bê tông dƣới tác dụng tải nén
một trục tại thời điểm t0 với một ứng suất khơng đổi  c (to ) có thể đƣợc tính theo
các cơng thức sau:
 c (t )   ci (to )   cc (t )   cs (t )   cT (t )

(2.8)

  c (t )   cn (t )

(2.9)


25

trong đó:  ci (to ) là biến dạng ban đầu tại lúc đặt tải

 cc (t ) là biến dạng từ biến tại thời gian t  t0
 cs (t ) là biến dạng co ngót

 cT (t ) là biến dạng nhiệt
 c (t ) là ứng suất phụ thuộc vào biến dạng:  c (t )   ci (to )   cc (t )
 cn (t ) là ứng suất không phụ thuộc vào biến dạng:  cn (t )   cs (t )   cT (t )

- Từ biến
Những giả thiết và mối liên hệ những công thức cơ bản. Trong phạm vi ứng suất
 c  0.4 fcm (to ) , từ biến đƣợc giả định là tuyến tính với quan hệ ứng suất.

Đối với một ứng suất là hằng số áp dụng vào thời gian t0 dẫn đến:
 cc (t , to ) 

 c (to )
Eci

 (t , to )

(2.10)

trong đó:  (t , to ) là hệ số từ biến, Eci là modul đàn hồi lúc 28 ngày tuổi theo công
thức (2.2) hoặc (2.3).
- Hệ số từ biến
Hệ số từ biến có thể đƣợc tính tốn từ cơng thức
 (t , to )  o c (t  to )

(2.11)

trong đó: o là hệ số từ biến biểu kiến từ công thức (2.12)

 c là hệ số mô tả sự phát triển từ biến theo thời gian sau khi đặt tải từ

công thức (2.18)
t là tuổi của bê tông (ngày) tại thời điểm khảo sát
t0 là tuổi của bê tông lúc đặt tải (ngày), theo công thức (2.20) và (2.27).

Hệ số từ biến biểu kiến có thể đƣợc tính từ cơng thức:
o  RH  ( fcm ) (to )

trong đó:

(2.12)

RH  1 

1  RH / RH o
0.46(h / ho )1/3

(2.13)

 ( f cm ) 

5.3
( f cm / f cmo )0.5

(2.14)