Luận văn thạc sĩ thiết kế hợp lý hệ thống dầm chuyển trong khách sạn vesna

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

..

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHÙ CƢƠNG

THIẾT KẾ HỢP LÝ HỆ THỐNG
KẾT CẤU CHUYỂN CỦA CƠNG TRÌNH
KHÁCH SẠN VESNA, NHA TRANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Cơng nghiệp
Mã số:

60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN QUANG HƢNG

Đà Nẵng, Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Nguyễn Phù Cƣơng


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 5
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 5
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 5
5. Bố cục đề tài ........................................................................................................ 6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG VÀ KẾT CẤU
CHUYỂN TRONG KHÁCH SẠN VESNA ............................................................... 7
1.1. Các hệ kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng ............................................................ 7
1.2. Khái niệm về hệ dầm chuyển – phân loại dầm chuyển và ƣu nhƣợc điểm ...... 7
1.2.1. Khái niệm về dầm chuyển(Transfer beams) .............................................. 7
1.2.2. Phân loại dầm chuyển và ƣu nhƣợc điểm: ................................................. 7
1.3. Các phƣơng pháp để tính dầm chuyển hiện nay ............................................... 8
1.3.1. Phƣơng pháp dàn ảo theo tiêu chuẩn ACI 318 ........................................... 9
1.3.2. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn .................................................................... 9
1.4. Phân tích quy mơ và hệ kết cấu khách sạn Vesna ............................................ 9
1.5. Kết luận Chƣơng 1 .......................................................................................... 11
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CHUYỂN . 12
2.1. Định nghĩa dầm chuyển - các phƣơng pháp thiết kế dầm chuyển .................. 12
2.2. Định nghĩa phƣơng pháp dàn ảo ..................................................................... 14

2.3. Các thành phần trong mơ hình dàn ảo theo tiêu chuẩn ACI 318 .................... 15
2.4. Mơ hình chống - giằng ( strut and tie model ) ................................................ 15
2.5. Các trình tự tính tốn thiết kế dầm chuyển theo mơ hình giàn ảo quy định
trong tiêu chuẩn ACI 318-14 ................................................................................. 17
2.5.1. Các trình tự tính tốn thiết kế ................................................................... 17
2.5.2. Cấu tạo dầm chuyển ................................................................................. 23
2.6. Các dạng mô hình giàn ảo .............................................................................. 24
2.6.1. Mơ hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển dạng công sôn ...................... 24
2.6.2. Mô hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển đỡ vách ................................. 24


2.6.3. Mơ hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển đỡ cột.................................... 25
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỢP LÍ HỆ THỐNG DẦM CHUYỂN TRONG KHÁCH
SẠN VESNA ............................................................................................................ 26
3.1. Mơ hình hóa cơng trình khách sạn Vesna bằng Etabs ................................ 26
3.1.1. Tiêu chuẩn áp dụng và tài liệu tham khảo. .............................................. 26
3.1.2. Tải trọng ................................................................................................... 27
3.1.3. Nguyên tắc thiết kế ................................................................................... 29
3.1.4. Vật liệu sử dụng. ..................................................................................... 29
3.1.5. Thiết kế phần thân. ................................................................................... 30
3.2. Thiết kế hệ dầm chuyển tại tầng 5 .................................................................. 32
3.3. Đánh giá kết quả bố trí cốt thép dầm chuyển D5.15 tại tầng 5 của khách sạn
Vesna bằng phƣơng pháp dàn ảo so sánh với thực tế ............................................ 52
3.4. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................... 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 56
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO).
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.

TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN
THIẾT KẾ HỢP LÍ HỆ THỐNG DẦM CHUYỂN TRONG KHÁCH SẠN
VESNA
Học viên: Nguyễn Phù Cƣơng Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN
Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K33
Trƣờng Đại học Bách khoa ĐHĐN
Tóm tắt – Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép không ứng lực trƣớc, đã, đang đƣợc
ứng dụng để thiết kế kết cấu trong nhà cao tầng ngày càng nhiều. Vì dầm chuyển đã
chứng minh đƣợc nó là một giải pháp kết cấu tối ƣu để thiết kế cơng trình có kiến
trúc theo chiều đứng thay đổi. Nội dung luận văn đã vận dụng lý thuyết tính toán kết
cấu dầm chuyển theo phƣơng pháp giàn ảo, quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 31814, để thực hành tính tốn dầm chuyển đỡ cột, dầm chuyển đỡ vách cứng. Trọng tâm
của phƣơng pháp giàn ảo là vấn đề lực chọn đƣợc một mơ hình giàn ảo tối ƣu với các
thanh chống, thanh giằng, các vùng nút hợp lý với từng loại dầm chuyển. Các phân
tích, kết quả đạt đƣợc trong các ví dụ thiết kế dầm chuyển thực tế mà tác giả thực
hiện chênh lệch nhiều so với hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi cơng cơng trình. Từ đó, tác giả
đã đƣa ra các lời khuyên khi thiết kế kết cấu dầm chuyển và các hƣớng phát triển đề
tài tiếp theo.
Từ khóa - dầm chuyển, phƣơng pháp giàn ảo, thanh chống, thanh giằng, vùng nút.

REASONABLE DESIGN OF STRUCTURAL TRANSFER BEAMS IN
VESNA HOTEL
Abstract - Non prestressed reinforced concrete transfer beams have been used
more and more in designing structures in high rise buildings. Transfer beams have
demonstrated that they are optimum structural solutions for buildings with
architectural design varied along the vertical direction. This thesis employs a
design method for transfer beams relying on the Strut-and-Tie Method, as
specified in the American Standard ACI 318-14, which is for designing transfer
beams supporting columns, transfer beams supporting shear walls. The objective of

the Strut-and-Tie Method is to select an optimum Strut-and-Tie Model with struts,
ties, and reasonable nodal zones corresponding to the types of transfer beams.
Results from practical examples associated with transfer beams that were analyzed
by the author show that the difference is much compared to the design results used
in the construction. As a consequence, the author provides recommendations for
designing transfer beams and for further development relating to this subject.
Key words - Transfer beam, Strut-and-Tie Method, strut, tie, nodal zone.


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

2.1.

Bảng tra hệ số β2 khi kiểm tra khả năng chịu lực thanh
chống và vùng nút.

20

2.2.

Quy đổi cƣờng độ tính tốn của bê tơng

22

2.3.

Quy đổi cƣờng độ chịu kéo tính tốn của cốt thép

23

3.1

Nội lực và tiết diện các thanh giàn

37

3.1a.

Bảng kiểm bền các thanh chống, thanh giằng

37

3.1b.

Bảng kiểm tra ứng suất tại vùng nút

39

3.2a.

Bảng kiểm bền các thanh chống

47

3.2b.

Bảng kiểm tra ứng suất tại vùng nút

48

3.3.

Bảng kiểm tra ứng suất tại gối tựa và vị trí đặt lực tập
trung dầm D5.16

49

3.4.

Kiểm tra lực cắt cho phép trong dầm D5.16

49

3.5.

Bảng kết quả tính cốt thép các thanh giằng, thanh chống
dầm D5.16

50

3.6.

So sánh cốt thép dầm D5.15 giữa ví dụ tính tốn và trong
thực tế

52


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
Tên hình
hiệu
1.1. Mặt bằng dầm sàn tầng 5 cơng trình Vesna
Phân bố ứng suất ứng với các trƣờng hợp chiều cao dầm: (a)
2.1.
L/h=4, (b) L/h =2, (c) L/h=1 và (d) L/h<1
Ví dụ về nguyên lý Saint-Venant: vùng D là vùng không liên tục.
2.2.
Vùng cạnh vùng D là vùng B (theo ACI 318)
Mơ hình giàn ảo, nút loại C-C-C (chịu 3 lực nén), và các nút loại
2.3.
C-C-T (chịu 2 lực nén, 1 lực kéo)
2.4. Sơ đồ ứng suất biến dạng khi dầm ở trạng thái phá hoại
2.5. Phƣơng pháp xác định vùng nút kiểu C-C-T và kiểu C-C-C
2.6. Minh họa cấu tạo cốt thép trong dầm chuyển đỡ cột, đỡ vách
2.7. Một trƣờng hợp cấu tạo cốt thép trong dầm chuyển dạng cơng sơn
2.8 Mơ hình giàn ảo của dầm chuyển dạng cơng sơn
2.9. Mơ hình giàn ảo của dầm chuyển đỡ vách
2.1. Mơ hình giàn ảo của dầm chuyển đỡ cột
3.1a Mặt bằng dầm sàn tầng 5 cơng trình Vesna
3.1b Mặt bằng tầng 5 cơng trình Vesna trong etabs
3.2. Hình 3d cơng trình Vesna trong etabs
3.3. Dầm chuyển chịu tải tập trung
3.3a Biểu đồ ứng suất бx

3.3b Biểu đồ quỹ đạo ứng suất chính kéo Smax
3.4. Mơ hình giàn ảo
3.5. Mơ hình nội lực các thanh giàn
3.6. Biểu đồ nội lực các thanh giàn
3.7. Mơ hình giàn tính chuyển vị
3.8. Biểu đồ thể hiện chuyển vị của dầm
3.9. Chi tiết bố trí thép dầm D5.15
3.10. Mặt cắt 1-1 dầm D5.15
3.11. Dầm chuyển chịu một tải tập trung
3.12. Mơ hình giàn ảo
3.13. Mơ hình nội lực các thanh giàn
3.14. Biểu đồ nội lực các thanh giàn
3.15. Nội lực và tiết diện các thanh giàn
3.16. Chi tiết bố trí thép dầm D5.16
3.17. Mặt cắt 1-1 dầm D5.16
3.18. Mặt cắt dầm D5.15 thực tế

Trang
10
14
16
17
19
21
23
24
24
25
25
31

31
32
32
33
33
34
36
36
41
42
42
43
44
45
46
46
47
50
51
52


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm vừa qua, Nha trang đƣợc đánh giá là một trong những thành
phố đƣợc các chủ đầu tƣ trong và ngoài nƣớc đầu tƣ xây dựng nhà nhiều tầng với
mật độ dày đặc.

Tại khu vực dọc đƣờng bờ biển Trần Phú – Phạm Văn Đồng, các tòa cao ốc
phức hợp đua nhau hình thành nhằm đáp ứng nhiều nhu cầu và công năng: ‘‘thƣơng
mại, dịch vụ ở các tầng dƣới, văn phòng làm việc và căn hộ ở các tầng bên trên’’
cho dân địa phƣơng và khách thập phƣơng đến Nha Trang.
u cầu này địi hỏi các tịa nhà phải có các nhịp khung lớn ở bên dƣới và các
nhịp khung nhỏ hơn ở các tầng trên. Giải pháp đòi hỏi một kết cấu chuyển giữa các
tầng. Tại Nha Trang, kết cấu dầm (sàn) chuyển đã đƣợc sử dụng cho các cơng trình:
Nha Trang Center, Sharaton, Intercontinental Nha Trang, Panorama, Vesna…
Cơng trình Khách sạn Vesna có hệ thống kết cấu chuyển bố trí tại tầng 5, gồm
nhiều loại dầm chuyển khác nhau bố trí ở khung nhịp chính cơng trình có tác dụng
đỡ trực tiếp các khung nhịp nhỏ bên trên (gồm 21 tầng + tầng mái), đồng thời dàn
đều tải trọng xuống trụ móng. Đây là giải pháp thiết kế kết cấu tối ƣu cho kiến trúc
khách sạn đòi hỏi có hệ kết cấu chuyển vƣợt nhịp lớn giữa các tầng trên và tầng
dƣới; mang lại không gian kiến trúc nhiều công năng, tiện nghi và mang xu hƣớng
hiện đại.


2

Hình phối cảnh khách sạn Vesna.


3

Mặt bằng kiến trúc tầng 5 khách sạn Vesna.

Mặt bằng kiến trúc tầng 6 khách sạn Vesna.


4

Mặt đứng trục A-E khách sạn Vesna.


5

Mặt bằng dầm sàn tầng 5.
Đề tài thiết kế hệ thống kết cấu chuyển của cơng trình khách sạn Vesna, Nha
Trang nhằm mục đích áp dụng tính tốn dầm cao theo phƣơng pháp giàn ảo quy
định trong chuẩn ACI 318, từ đó lựa chọn phƣơng án hợp lí nhất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu giải pháp chuyển của kết cấu cơng trình khách sạn Vesna.
- Thiết kế đƣợc hệ dầm chuyển theo phƣơng pháp giàn ảo, lựa chọn đƣợc
phƣơng án tối ƣu.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng: Hệ dầm chuyển tại tầng 5 của công trình khách sạn Vesna.
- Phạm vi nghiên cứu: tính tốn và thiết kế kết cấu dầm chuyển bê tông cốt thép
theo phƣơng pháp giàn ảo.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp lí thuyết: nghiên cứu chỉ dẫn tính tốn dầm cao bằng phƣơng
pháp giàn ảo theo quy định của ACI 318.
- Mơ phỏng số: mơ hình hóa cơng trình bằng các phần mềm kết cấu
(ETABS).


6

5. Bố cục đề tài
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG VÀ KẾT
CẤU CHUYỂN TRONG KHÁCH SẠN VESNA

1.1. Các hệ kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng
1.2. Phân tích quy mơ và hệ kết cấu khách sạn Vesna
1.3. Khái niệm về hệ kết cấu chuyển – ƣu nhƣợc điểm
1.4. Các phƣơng pháp để tính dầm chuyển hiện nay
1.5. Kết luận chƣơng 1
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM
CHUYỂN
2.1. Định nghĩa dầm chuyển - các phƣơng pháp thiết kế dầm chuyển
2.2. Định nghĩa phƣơng pháp dàn ảo
2.3. Các thành phần trong mơ hình dàn ảo theo tiêu chuẩn ACI 318-14
2.4. Mơ hình chống - giằng ( strut and tie model )
2.5. Các trình tự tính tốn thiết kế dầm chuyển theo mơ hình giàn ảo quy định
trong tiêu chuẩn ACI 318-14
2.6. Các dạng mơ hình dàn ảo
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỢP LÍ HỆ THỐNG DẦM CHUYỂN TRONG
KHÁCH SẠN VESNA
3.1. Mơ hình hóa cơng trình khách sạn Vesna bằng Etabs
3.2. Thiết kế hệ dầm chuyển tại tầng 5( tầng chuyển) khách sạn Vesna bằng
phƣơng pháp dàn ảo theo quy định của ACI 318
3.3. Đánh giá kết quả tính và bố trí cốt thép hệ dầm chuyển tại tầng 5 của khách
sạn, so sánh thực tế
3.4. Kết luận chƣơng 3
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


7

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG VÀ KẾT CẤU CHUYỂN
TRONG KHÁCH SẠN VESNA

1.1. Các hệ kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng
Nhà nhiều tầng thƣờng có các dạng kết cấu phổ biến nhƣ dƣới đây :
a. Khung chịu lực
- Tƣờng chỉ là vách ngăn 30 tầng đổ xuống.
- Gồm cột, dầm liên kết với nhau tạo hệ khung.
- Bố trí thêm các thanh xiên (dầm ngang, dàn chính) để tăng độ cứng.
b. Hệ tƣờng chịu lực
- Kết cấu chịu lực là các tấm tƣờng và vách cứng.
- Sức chịu tải giảm do sự xuất hiện của các lỗ cửa.
c. Hệ lõi chịu lực
- Có dạng vỏ hộp rỗng, nhận tải trọng tác dụng lên cơng trình và truyền xuống
móng.
- Thƣờng bố trí kết hợp vị trí thang máy.
- Nhà có thể có 1 hoặc nhiều lõi.
- Lõi trong nhà theo chu vi nhà hoặc ngoài nhà
d. Kết cấu hỗn hợp
- Hệ khung vách.
- Hệ khung có lõi.
- Hệ khung lõi vách.
1.2. Khái niệm về hệ dầm chuyển – phân loại dầm chuyển và ƣu nhƣợc điểm
1.2.1. Khái niệm về dầm chuyển(Transfer beams)
Dầm chuyển BTCT là một loại dầm thƣờng cú độ cứng và tiết diện hỡnh học
tƣơng đối lớn, có tác dụng thay đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu từ hệ dầm cột
chịu lực sang hệ dầm vách chịu lực hoặc hệ dầm cột nhƣng với số lƣợng cột phía
trên dầm nhiều hơn số lƣợng cột phía dƣới dầm.
Cấu kiện dầm chịu uốn đƣợc nghiên cứu và tính tóan với hai thơng số đặc trƣng:


8

chiều cao tiết diện và nhịp dầm. Theo quan điểm cơ học thỡ chiều cao của dầm chƣa
phản ỏnh đầy đủ bản chất sự làm việc của cấu kiện này. Sự làm việc của dầm (dầm
thụng thƣờng hay dầm cao) thƣờng căn cứ vào tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp của dầm
hoặc tỷ số giữa nhịp chịu cắt của dầm (khoảng cỏch từ gối tựa đến điểm đặt lực tập
trung) với chiều cao tiết diện dầm.
Trong cấu kiện BTCT đối với cấp tải trọng thụng thƣờng, tiết diện hỡnh học của
dầm đƣợc lựa chọn sơ bộ thụng qua tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp của dầm thƣờng
khoảng từ 1:12 đến 1:08 đối với dầm chớnh và 1:20 đến 1:12 đối với dầm phụ. Cỏc
dầm này đƣợc xem là dầm thụng thƣờng và việc tớnh toỏn loại cấu kiện này đƣợc
tiến hành theo cỏc lý thuyết quen thuộc của kết cấu BTCT, dựa trờn cơ sở chấp
nhận một số giả thiết của sức bền vật liệu.
Nhƣ đó đề cập, kết cấu dầm chuyển cú cỏc đặc điểm là chịu tỏc dụng của tải
trọng lớn, chiều cao dầm là khỏ lớn. Điều này cú nghĩa là tỷ lệ giữa chiều cao tiết
diện và nhịp của dầm là nhỏ. Với loại dầm này thỡ giả thiết về tiết diện phẳng
khụng cũn thớch hợp. Hệ quả kộo theo là sự phõn bố ứng suất và biến dạng trờn
mặt cắt dầm cú những thay đổi khỏc hẳn so với kết cấu dầm chịu uốn thụng thƣờng.
Đõy là điểm khỏc biệt cơ bản của kết cấu dầm chuyển.
Vỡ những lý do này mà phƣơng phỏp tớnh toỏn dầm chuyển (transfer beam)
đƣợc dựa trờn lý thuyết của tớnh toỏn của dầm cao (deep beam) và đó đƣợc chấp
nhận, ỏp dụng trong tiờu chuẩn thiết kế của một số nƣớc trờn thế giới (CIRIA Guide
2, ACI 318, Eurocode 2, CEB-FIP, CAN3-A23.3-M84). Vỡ vậy, trong luận văn
này, việc tớnh toỏn thiết kế dầm chuyển BTCT cú thể hiểu là tớnh toỏn thiết kế dầm
cao BTCT.
1.2.2. Phân loại dầm chuyển và ưu nhược điểm:
1- Phân loại theo chức năng sử dụng
- Dầm chuyển đỡ hệ khung (cột).
- Dầm chuyển đỡ hệ vách.
- Dầm chuyển đỡ khung kết hợp với vách.
2- Phân loại theo vật liệu chế tạo
- Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép thƣờng.

Ƣu điểm: Dễ chế tạo, sử dụng đƣợc các vật liệu sẵn có của địa phƣơng.
Nhƣợc điểm: Kích thƣớc của dầm lớn, trọng lƣợng của dầm lớn.
- Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép ứng lực trƣớc.


9

Ƣu điểm: Khả năng chống uốn cao hơn, giảm đƣợc kích thƣớc tiết diện của
dầm, khả năng vƣợt đƣợc nhịp lớn hơn so với bê tông cốt thép thƣờng.
Nhƣợc điểm: Thi cơng phức tạp, khó khăn.
-

Dầm chuyển bằng kết cấu thép.

Ƣu điểm: Trọng lƣợng nhỏ hơn so với bê tông cốt thép, khả năng vƣợt nhịp
lớn tốt hơn, khả năng cơng nghiệp hóa cao.
Nhƣợc điểm: Thi cơng phức tạp, khó khăn; tốn kém hơn do thép là vật liệu
đắt tiền và tốn kém khi bảo dƣỡng, sửa chữa.
3- Phân loại theo phương pháp chế tạo
-

Chế tạo theo phƣơng pháp đổ tại chỗ.

Ƣu điểm: Do các cấu kiện đƣợc đổ toàn khối nên độ cứng tổng thể lớn, khả
năng chịu tải trọng động tăng, hình dáng tiết diện phong phú.
Nhƣợc điểm: Thi công phụ thuộc nhiều vào thời tiết, tốn kém ván khuôn và
cây chống.
-

Chế tạo theo phƣơng pháp lắp ghép

Ƣu điểm: Tiết kiệm đƣợc ván khuôn, cây chống; nâng cao chất lƣợng do thi
công trong nhà máy; thời gian thi công đƣợc rút ngắn.
Nhƣợc điểm: Độ cứng tổng thể không cao; chịu tải trọng động kém; tốn kém
khi xử lý các mối nối.
4- Phân loại theo số nhịp của dầm
-

Dầm chuyển đơn nhịp (một nhịp).

-

Dầm chuyển nhiều nhịp (hai nhịp trở lên).

1.3. Các phƣơng pháp để tính dầm chuyển hiện nay
1.3.1. Phương pháp dàn ảo theo tiêu chuẩn ACI 318
Mô hình giàn ảo đã đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu từ những năm 1920. Một
trong những ƣu điểm của mô hình này là thể hiện đƣợc những bộ phận chịu lực
nén, kéo chủ yếu của kết cấu và ngƣời thiết kế có thể hình dung ra một cách cụ
thể cơ cấu chịu lực của sơ đồ dùng trong tính tốn.
1.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
Phƣơng pháp này đƣợc xây dựng từ phƣơng pháp giải tích kết hợp nghiên cứu
các mẫu thí nghiệm với kính thƣớc, cấu tạo hình học và chịu các điều kiện tải trọng


10

khác nhau. Một nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là giá trị cánh tay địn của cốt
thép chịu kéo khơng thể xác định đƣợc một giá trị cụ thể mà chỉ là lựa chon trong
một khoảng giới hạn. Nên khi thiết kế có thể thiên về an tồn.

1.4. Phân tích quy mô và hệ kết cấu khách sạn Vesna
KHÁCH SẠN VESNA do Công ty TNHH SÁNG TẠO NHA TRANG làm chủ
đầu tƣ, Cơng trình gồm 1 tầng hầm , 27 tầng nổi và 1 tầng mái, tải trọng chân cột ở
mức cao. Chiều sâu từ mặt đất tự nhiên tới mặt tầng hầm là -0.9m. Hệ kết cấu khách
sạn là hệ kết cấu hỗn hợp gồm khung lõi vách, có hệ thống dầm chuyển bố trí tại
tầng 5, gồm nhiều loại dầm chuyển khác nhau bố trí ở khung nhịp chính cơng trình
có tác dụng đỡ trực tiếp các khung nhịp nhỏ bên trên (gồm 21 tầng + tầng mái),
đồng thời dàn đều tải trọng xuống trụ móng. Đây là giải pháp thiết kế kết cấu tối ƣu
cho kiến trúc khách sạn địi hỏi có hệ kết cấu chuyển vƣợt nhịp lớn giữa các tầng
trên và tầng dƣới; mang lại không gian kiến trúc nhiều công năng, tiện nghi và xu
hƣớng hiện đại.

Hình 1.1. Mặt bằng dầm sàn tầng 5 cơng trình Vesna


11

Hình 1.2 Mơ hình tổng thể khách sạn Vesna
1.5. Kết luận Chƣơng 1
Để đáp ứng công năng và các yêu cầu về kiến trúc theo chiều đứng trong cơng
trình khách sạnVesna, thì giải pháp thiết kế hệ dầm chuyển đƣợc lựa chọn.
Thiết kế, thi cơng dầm chuyển có nhiều khác biệt so với dầm bê tông cốt thép
thƣờng. Các chƣơng sau sẽ lần lƣợt giới thiệu lý thuyết tính tốn dầm chuyển theo
phƣơng pháp giàn ảo.


12

CHƢƠNG 2
PHƢƠNG PHÁP GIÀN ẢO TRONG THIẾT KẾ DẦM CHUYỂN

2.1. Định nghĩa dầm chuyển - các phƣơng pháp thiết kế dầm chuyển
Dầm chuyển là cấu kiện chịu tải trọng trên một mặt và đƣợc đỡ trên mặt đối
diện, do đó trong dầm hình thành những thanh chống (chịu nén) giữa tải trọng và
gối đỡ, và có một trong các đặc điểm sau:
1. Nhịp thông thủy ln bé hơn hoặc bằng 4 lần chiều cao của dầm.
2. Tải trọng tập trung xuất hiện gần vị trí gối đỡ (nằm trong khoảng 2 lần chiều
cao dầm tính từ mép của gối đỡ).
Có hai lựa chọn khi thiết kế các dầm chuyển: (1) theo quan điểm phân bố phi tuyến
của biến dạng, hoặc (2) sử dụng mơ hình giàn ảo (strut-and-tie models) quy định
trong ACI 318.
Một số yêu cầu khi thiết kế:
1. Cƣờng độ chịu cắt danh nghĩa, Vn, không vƣợt quá:

2. Diện tích cốt thép chịu cắt Av vng góc với cốt thép dọc chịu kéo

không nhỏ hơn 0,0025.bw.s. Khoảng cách s khơng vƣợt q d/5 hoặc
12in(30cm).
3. Diện tích cốt thép chịu cắt Avhsong song với cốt thép dọc chịu kéo

không nhỏ hơn 0,0015.bw.s2. Khoảng cách s2khơng vƣợt q d/5 hoặc
12in(30cm).
Thay vì sử dụng cốt thép chịu cắt tối thiểu nói trên, chúng ta có thể bố trí
cốt thép theo tính tốn với mơ hình giàn ảo.
4. Diện tích tối thiểu của cốt thép chịu kéo As,min không nhỏ hơn:

hoặc 200.bw.d/fy

5. Khi chiều cao dầm h vƣợt quá 36in (90cm), cần bố trí cốt thép cấu tạo

dọc trên thành dầm để hạn chế các vết nứt trên bụng dầm gần vùng kéo.


13

ACI 318-14 cũng nhƣ các phiên bản cũ hơn quy định khơng tính tốn dầm cao
nhƣ cấu kiện chịu uốn trừ khi sử dụng biến dạng phi tuyến và có kiểm tra ổn
định tổng thể.
Nhƣ đã nói ở trên, dầm đƣợc gọi là dầm cao khi tỉ số nhịp trên chiều cao
dầm bé hơn hoặc bằng 4. Khi đó sự phân bố ứng suất theo lý thuyết uốn
(engineers bending theory, engineers theory of building - ETB) khơng cịn phù
hợp và đầy đủ.
Ứng suất trong dầm cao khi chƣa xuất hiện vết nứt có thể đƣợc phân tích
bằng các phƣơng pháp phức tạp nhƣ phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Kết quả cho
thấy rằng với tỉ lệ nhịp trên chiều cao dầm càng nhỏ, thì sự phân bố ứng suất
càng khác biệt so với lý thuyết uốn truyền thống. Hình 2.1 cho thấy sự phân bố
ứng suất do uốn tại vị trí giữa nhịp của dầm đơn giản với các tỉ lệ nhịp trên chiều
cao (l/h) khác nhau dƣới tác dụng của tải trọng phân bố đều. Điểm đáng chú ý
trong hình 2.1 là với tỉ lệ l/h = 1 thì ứng suất kéo lớn hơn hai lần so với tính toán
theo lý thuyết uốn truyền thống (1,6.w/b so với 0,75.w/b).
Xem xét kỹ hơn trƣờng hợp dầm vuông (l/h = 1), có 2 điểm có thể nhận thấy
từ hình 2.1. Thứ nhất, vùng kéo ở phía dƣới dầm tƣơng đối nhỏ, xấp xỉ bằng 0,25.l ,
cốt théo chịu kéo nên bố trí trong trong khoảng này.Thứ hai, lực kéo căn cứ để xác
định lƣợng cốt thép yêu cầu – có thể xác định với cánh tay đòn jd = 0,62.h. Điều
đáng chú ý là giá trị này xấp xỉ nhau cho tất cả các dầm, có nghĩa rằng nó chịu ảnh
hƣởng không đáng kể bởi tỉ số nhịp trên chiều cao của dầm.


14

Hình 2.1. Phân bố ứng suất ứng với các trường hợp chiều cao dầm: (a) L/h=4,
(b) L/h =2, (c) L/h=1 và (d) L/h<1 [5]
2.2. Định nghĩa phƣơng pháp dàn ảo
Phƣơng pháp giàn ảo là một phƣơng pháp đơn giản và trực quan, dựa trên
nguyên lý cân bằng tĩnh lực. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng cho các cấu kiện kết
cấu khi giả thiết của lý thuyết uốn khơng cịn chính xác. Một trong các giả thiết
đƣợc áp dụng cho cấu kiện chịu uốn đó là tiết diện phẳng trƣớc và sau khi uốn. Giả
thiết này đƣợc áp dụng cho tất cả các tiết diện của dầm trừ những vị trí ngaysát vị trí
chất tải hoặc gối tựa. Ví dụ cho trƣờng hợp cấu kiện không áp dụng đƣợc giả thiết
này đó là dầm có nhịp thơng thủy ln bé hơn hoặc bằng 4 lần chiều cao. Do đó, thay
vì áp dụng lý thuyết uốn, chúng ta sử dụng một mô hình hợp lý hơn là mơ hình giàn
để mơ tả đƣờng truyền tải trọng. Quy trình bắt đầu từ việc giả thiết đƣờng truyền tải


15

trọng trong cấu kiện, đó là các thanh chống và thanh giằng, và tiến hành thiết kế các
cấu kiện này dựa trên lực tính đƣợc.
2.3. Các thành phần trong mơ hình dàn ảo theo tiêu chuẩn ACI 318
Các cấu kiện có trong mơ hình giàn điển hình bao gồm:
1. Các thanh chống xiên và thẳng đứng
2. Các cấu kiện chịu kéo dọc trong giàn, hay còn gọi là giằng
3. Các vùng nút là vị trí liên kết của thanh chống và giằng
Kích thƣớc của các cấu kiện trong mơ hình giàn đƣợc lựa chọn thỏa mãn nội
lực xuất hiện trong thanh chống, giằng, và các nút dƣới tác dụng của tải trọng thiết
kế không vƣợt quá khả năng chịu lực. Cần lƣu ý khi bố trí cốt thép chịu kéo, thanh
giằng chịu kéo cần đảm bảo đƣợc neo chắc chắn để truyền đƣợc tải trọng vào các
nút giàn.
2.4. Mơ hình chng - ging ( strut and tie model )
Mô hình thanh chống - giằng đà đ-ợc nhiều tác giả trên thÕ giíi nghiªn cøu

tõ thËp niªn 80 cđa thÕ kû tr-ớc và ở Việt Nam hiện nay mô hình này cũng đ-ợc đề
cập trong một số đề tài nghiên cứu khoa học. Một trong những -u điểm của mô hình
này là đà trình bày đ-ợc nguyên lý truyền tải trọng (lực) trong dầm và đà thể hiện rõ
những vùng (bộ phËn) chÞu lùc nÐn, kÐo chđ u cđa kÕt cÊu. Từ đó, ng-ời thiết kế
có thể hình dung cụ thể cơ cấu chịu lực, truyền tải và mô phỏng thành sơ đồ thanh
chống - giằng dùng trong tính toán.
iu ti quan trọng cho sự an toàn của thiết kế khi sử dụng phƣơng pháp
giàn ảo là các cấu kiện phải có độ dẻo thích hợp cho phép phân phối tải trọng theo
đƣờng dẫn nhƣ đã chỉ định.
Một điều dễ nhận thấy là có thể lựa chọn đƣợc nhiều mơ hình giàn để chịu
cùng một tải trọng. Khi một mơ hình giàn hiệu quả hơn các mơ hình giàn khác theo
các tiêu chí thiết kế, thì chứng tỏ rằng mơ hình đó đảm bảo khả năng chịu tải và có
độ dẻo thích hợp.
Trƣớc khi đề cập nhiều hơn đến mơ hình thanh chống và giằng, cần tìm hiểu
qua về nguyên lý Saint-Venant, là nguyên lý cơ sở của phƣơng pháp này. Khi đề
cập đến lý thuyết uốn đơn giản, Saint-Venant (1797-1886) phát biểu rằng sự phân
bố ứng suất theo lý thuyết uốn đơn giản không đúng trong một phạm vi xung quanh
điểm đặt lực tác dụng. Ông cũng khẳng định rằng kết quả tính tốn theo lý thuyết


16

uốn đơn giản vẫn đúng trong hầu hết các mặt cắt trừ các vị trí ngay sát điểm đặt lực
hoặc gối tựa.
Hình 2.2 là một ví dụ của ngun lý Saint-Venant. Hai lực bằng nhau và
ngƣợc chiều tác dụng lên ống sinh ra biến dạng cục bộ. Ứng suất chỉ xuất hiện ngay
tại vị trí đặt lực, và tại một khoảng cách đủ xa kể từ vị trí đặt lực, thành ống không
bị ảnh hƣởng. Phạm vị ảnh hƣởng của những tác động cục bộ chỉ nằm trong khoảng
từ 1 đến 2 lần kích thƣớc đặc trƣng của cấu kiện.
Phƣơng pháp giàn ảo sử dụng để thiết kế dầm cao cho trong phụ lục A - tiêu

chuẩn ACI 318 dựa vào nguyên lý Saint-Venant đã đƣợc đề cập ở trên. Vùng bị bóp
cong của ống nhƣ trong hình 2.2 tƣơng ứng với vùng không liên tục (Discontinuity
region) theo ACI 318. Vùng này đƣợc giả thiết có phạm bị khơng vƣợt quá một lần
chiều rộng của cấu kiện tính từ điểm đặt lực hoặc gối tựa. Các vùng uốn (Bending
regions, vùng B theo ACI) là các vùng cịn lại, có khoảng cách đủ xa so với các
vùng không liên tục, trong phạm vị đó có thể áp dụng lý thuyết uốn đơn giả mà
khơng gây ra sai sót đáng kể.
Các thành phần của mơ hình thanh chống - giằng đƣợc định nghĩa trong ACI
318. Vùng liên kết (nodal zone), xem hình 2.3, là vùng bê tơng bao quanh liên kết
có chức năng truyền tải lực dọctrong thanh chống và giằng. Thanh chống (strut) là
phần bê tông chịu nén và giằng (tie) là phần chịu lực kéo.

Hình 2.2. Ví dụ về ngun lý Saint-Venant: vùng D là vùng không liên tục. Vùng
cạnh vùng D là vùng B (theo ACI 318) [5]


17

Hình 2.3. Mơ hình giàn ảo, nút loại C-C-C (chịu 3 lực nén), và các nút loại C-CT (chịu 2 lực nén, 1 lực kéo) [5]
Phƣơng pháp thiết kế khá giống với phƣơng pháp chúng ta thƣờng sử dụng
với trạng thái giới hạn vủa cấu kiện bê tông: chúng ta so sánh nội lực tính tốn Fu
trong các thanh chống, giằng và vùng liên kết, với khả năng ФFu, cấu kiện đảm
bảo khả năng chịu lực nếu:
ФFu ≥ Fu
Thiết kế dầm chuyển theo mơ hình thanh chống - giằng là một hình thức của
phƣơng pháp thử sai. Do đó khá phù hợp với các quy trình tính tốn sử dụng biểu
đồ tƣơng tác.
2.5. Các trình tự tính tốn thiết kế dầm chuyển theo mơ hình giàn ảo quy định
trong tiêu chuẩn ACI 318-14
2.5.1. Các trình tự tính tốn thiết kế

a. Các bƣớc tính tốn
- Bƣớc 1: nhận biết và cơ lập các vùng D.
- Bƣớc 2: tính các nội ứng suất trên các mặt biên của vùng D với mức cƣờng độ
dùng phƣơng pháp cƣờng độ tiêu chuẩn hay giả thiết ứng xử đàn hồi.
- Bƣớc 3: Chia nhỏ các mặt biên thành các đoạn nhỏ và xác định các hợp lực
trên mỗi đoạn.


18

- Bƣớc 4: lựa chọn và vẽ một giàn (mô hình giàn ảo) tối ƣu để truyền lực từ mặt
biên này sang mặt biên kia.
- Bƣớc 5: tính các nội lực trong các thành phần giàn và kiểm tra ứng suất.
- Bƣớc 6: tính, chọn và bố trí cốt thép. [15].
Bƣớc 2, 3 và 4 rất khó thực hiện với các kết cấu phức tạp để có thể đạt đƣợc mơ
hình tối ƣu và phản ảnh đúng đắn sự làm việc của vùng D, đồng thời ta có thể gộp 3
bƣớc này thành một bƣớc. Các nút chỉ bao gồm 3 lực tác dụng trở lên, vì thế mơ
hình sẽ không cho kết quả duy nhất đối với các lựa chọn khác nhau.
Góc nghiêng của các thanh (θ) trong mơ hình khơng đƣợc chọn nhỏ hơn 25o để
tránh khơng tƣơng thích với thanh kéo quá dài và thanh chống quá ngắn. Thơng
thƣờng chọn góc nghiêng các thanh θ = 680 cho trƣờng hợp l/h < 1.0 và θ = 540 đối
với trƣờng hợp l/h = 2.0. Nội suy cho trƣờng hợp 1.0< l/h < 2.0. Ngoài ra, trong
nhiều trƣờng hợp, một độ dốc 2:1 có thể đƣợc giả thiết. Thơng thƣờng các mơ hình
dùng trong tính tốn đã đƣợc đơn giản hố, đảm bảo sự cân bằng mơ hình.
b. Một số cơng thức tính tốn có liên quan [1, 12, 15, 17, 18].
 Xác định khả năng chịu uốn của dầm chuyển, tại mục 9.5 của [15].

M u  M n
As f y



a
a

; c 
M n  As f y  d    As f y  d 
'
2
0.85
2  0.85 f c  b 



d = khoảng cách từ mép bê tông chịu kéo đến trọng tâm cốt thép chịu kéo.

(2.3a)
(2.3b)
(2.3c)

Với Mu: là mô men uốn do ngoại lực; Mn: là khả năng chịu uốn của tiết diện
dầm chuyển; ϕ = 0.9: là hệ số giảm độ bền (chịu uốn); As: là diện tích cốt thép chịu
kéo; fy: cƣờng độ chịu kéo tính tốn của cốt thép; d: chiều cao làm việc của dầm; c:
chiều cao vùng bê tông chịu nén theo giả thiết; a: chiều cao vùng bê tông chịu nén
theo thực tế; fc’: cƣờng độ chịu nén tính tốn của bê tơng ; h, b: chiều cao, bề rộng
dầm.