Giải pháp hệ khung dàn so le cho kết cấu nhà cao tầng

Biến dạng của khung thép khi chịu tải ngang thường lớn, đặc biệt với các khung nhà cao tầng. Để khắc phục nhược điểm này, kết cấu khung thép có thể kết hợp với hệ vách lõi hay hệ giằng. Được sử dụng khá phổ biến, tuy nhiên hệ vách lõi cũng bộc lộ một số nhược điểm. Do vậy, bài báo sẽ đi vào trình bày giải pháp hệ khung dàn so le cho kết cấu thép nhà cao tầng, dựa trên khảo sát và tính toán để đưa ra những nhận xét về hiệu quả của giải pháp này

Tuyền tập công trình

Hội nghị khoa học toàn quốc

Co hoc Vat ran bien dang lan thir 11

7-9/11/2013, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Đơn vị tô chức Đồng tổ chức

va nhà tài trợ chính

in bd

Hội Cơ học Vật rắn biến dạng

The Vietnam Society of Solid Mechanics PAI HOC TON DUC THANG

TON DUC THANG UNIVERSITY

Tuyền tập công trình

Hội nghị khoa học toàn quốc

Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ 11

Tập 1

7-9/11/2013, Thanh phố Hỗ Chí Minh, Việt Nam

Đơn vị tổ chức Đồng tổ chức

và nhà tài trợ chính

HỘI CƠ HỌC VẬT RẮN BIẾN DẠNG DAI HOC TON DUC THANG

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC TƯ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ - 3/2014

Mục lục

Tap 1

Dao Huy Bich

Một vài nét về hoạt động khoa học của ngành Cơ học Vật rắn biến dạng giữa hai kỳ hội nghị

Kok Keng Ang", Jian Dai, Tran Minh Thi and Luong Van Hai

Moving Element Analysis of Elastic Beams on Visco-Elastic Foundation under Movin gLoads 1 Nguyễn Tuấn Anh, Đỗ Quang Long, Lê Thái Hùng

Phân tích các yếu tố công nghệ trong quá trình ép chảy ngang khớp nối chữ thập 15 Trịnh Hồng Anh, Vũ Tùng Lâm

Đảm bảo độ bền kết cấu của mối phép vật mang và dây trục trong bài toán thiết kế vũ khí phá x

vật cản theo nguyên lý kéo dây mêm 23

Vũ Quốc Anh, Phạm Ngọc Hiếu

Giải pháp hệ khung dàn so echo kết cầu nhà cao tầng 33

Vũ Thị Thuỳ Anh, Phạm Hằng Công, Nguyễn Đình Đức

Nghiên cứu ồn định phi tuyén của vỏ cầu đối xứng trục được bao bọc bởi các mặt ngoài giàu

ceramic và mặt giữa giàu kim loại (S-FGM) cé tinh chat phụ thuộc nhiệt độ và tựa trên nền đàn

Nguyễn Hữu Bảng

Chương trình tính toán trụ đàn khoan cố định ngoài biển 53

Vé mét phương pháp tính toán trụ đỡ trạm phát điện bằng năng lượng gió ven biển 63

Trần Kim Bằng, Nguyễn Thanh Nhã, Bùi Quốc Tính, Trương Tích Thiện

Sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn mở rộng đề tính toán tần số riêng cho dầm composite hai lớp có chứa vết nứt 75

Đào Huy Bích, Nguyễn Đăng Bích

Về sự hội tụ của phương pháp lặp kép tìm nghiệm phương trình duffing và các ứng dụng 85 Dao Huy Bich, Dao Van Dung, Vu Hoai Nam

Nonlinear Axisymmetric Dynamic Buckling and Vibration of Functionally Graded Shallow

Spherical Shells under External Pressure Including Temperature Effects Resting on Elastic

33

Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XI

Thành phô Hồ Chí Minh, 7-9/11/2013

Giải pháp hệ khung dan so le cho ket cau nha cao tang

Vũ Quốc Anh, Phạm Ngọc Hiểu

Khoa xây dựng — Đại học Kiến Trúc Hà Nội

E-mail liên lạc: vquocanh@gmail.com

Tóm tắt

Biến dạng của khung thép khi chịu tải ngang thường lớn, đặc biệt với các khung nhà cao tầng Để khắc phục nhược điểm này, kết cấu khung có thể kết hợp với hệ vách lõi hay hệ giằng Được sử dụng khá phổ biến,

tuy nhiên, hệ vách lõi cũng bộc lộ một số nhược điểm Do vậy, bài báo sẽ đi vào trình bày giải pháp hệ khung dàn so le cho kết cầu thép nhà cao tầng, dựa trên khảo sát và tính toán để đưa ra những nhận xét về hiệu quả của

giải pháp này

Từ khóa: khung dàn so le, kết cấu nhà cao tầng

1 Đặt vấn đề

Thép có khả năng chịu lực tốt nhất trong các vật liệu xây dựng Ngoài ra, nó còn có ưu điểm trong chê tạo và thi công, điêu này giúp giảm giá thành và thời gian xây dựng công trình Vì vậy, kêt

cấu thép sẽ được ưu tiên phát triển trong tương lai, đặc biệt về lĩnh vực nha cao tang va siéu cao tang

Đặc thù của nhà cao tầng là không những đảm bảo khả năng chịu lực, mà còn phải đáp ứng các

yêu cầu về biến dạng như chuyển vị đỉnh nhà hay ồn định tổng thẻ, là yếu tổ đôi khi lại quyết định đến

giải pháp kết cấu Nếu chỉ sử dụng khung thép thuần nhất, nó khó có thể thỏa mãn các yêu cầu biến

dạng trên Vì vậy, để đảm bảo độ cứng, công trình có thể dùng đến hệ vách lõi bê tông cốt thép hay hệ

giằng thép hoặc kết hợp cả hai hệ đó

Mặc dù được sử dụng khá phổ biến trong nhà cao tầng, hệ vách lõi bê tông cốt thép cũng bộc lộ một số hạn chế như gây ra thiêu linh hoạt về không gian hay tải ngang tập trung nhiều về vách và chưa

tận dụng tối đa khả năng chịu lực của dầm cột thép Do đó, hệ giằng thép có thể được đưa thêm vào

kết câu hỗ trợ với hệ vách lõi nhằm giảm đi những hạn chê và tận dụng ưu điêm của từng hệ thông,

điều này giúp đem lại hiệu quả cao hơn

: —— Hệ giảng thép sử dụng trong nhà cao tầng ở Việt Nam còn hạn chế, cần được nghiên cứu và áp

dụng rộng Tãi hơn Hình 1 là công trình ở 169 Nguyễn Ngọc Vũ có sử dụng hệ giằng thép trong giải

2 Đặc điểm làm việc của vách BTCT và của hệ giang thép khi chiu tai ngang

a Vich loi bé tong cét thép (BTCT)

_ Khi dang loi BTCT, 6 cig ngang cia céng trinh sé ting 1én kha nhieu Chuyén vi dinh nha

_ Đăng tông chuyển vị của những biến dạng thành phần Chuyển vị này được biểu diễn bang dang so dé

3 như hình 2 Biến dạng chủ yếu do lực cắt, trục của hệ khung có góc nghiêng đạt giá trị lớn nhất tại nền

“lồ vị trí có lực cắt cực đại Trong khi đó, lõi BTCT lại có biến dạng chủ yếu do uốn, điều này làm trục

Của nó có góc xoay lớn nhất ở vị trí đỉnh công trình.

ˆˆ — —

34 Vũ Quốc Anh, Phạm Ngọc Hiểu

Khi chịu tải ngang tác dụng, khung và lõi BTCT tương tác

với nhau tạo nên chuyển vị có dạng đường cong chữ 5 như hình vẽ Sự tương tác này làm cho

hệ khung sẽ chịu tải ngang tác dụng ở phía trên, còn hệ lõi BTCT sẽ chịu ở phía dưới của công trình [5]

IẸt

b Hệ khung giang

truyền tải và phân phối

mômen Hình 3a, tai ngang gay cho giang chiu nén con dam

chiu kéo, thì lại gần như khong tac dung

lên dầm ngang mà chỉ gây chịu kéo nén luân phiên trong thanh

giăng trên hinh 3b, 3c, 3d và , A 3€

Không những nhận và phân phôi chủ yêu tải ngang, giằng chéo còn

khoá và chông chuyên VỊ định cột - làm giảm được chuyên vị ngang do cắt Vì vậy, giang có tác dụng

phân phôi nội lực và chông chuyên

vị trong khung ngang [4]

c Hệ khung dàn s0 le (Staggered Truss Framing Systems)

Hệ kết câu khung dàn so le (Staggered Truss Framing Systems) da duoc

sir dung phd bién trén the /

giới và có cầu tạo như hình 4 Trên hình 4, các khung dàn gôm các

dàn đặt cách tâng và lệch khun§ ˆ được liên kết với nhau thông qua hệ sàn cứng, là thành phân làm

cho tải ngang được truyền đên cảẽ ˆ

| Giải pháp hệ khung dàn so le cho kết cấu nhà cao tang 35

khung Tải ngang được chong đỡ bởi các hệ giằng chéo và nó chỉ gây ra chủ yếu lực đọc trục (kéo & nén) cho giăng, dầm và kể cả cột [4]

| > Ù — wD perro

` > Geman 5h maar ` s88) BBNNGG DI

` y0 / 0¬ mm

{a) fb) {c} (d} (e)

Hình 3 Sự truyền tải của hệ khung giằng

Hình 4 Hệ khung dàn so le Các khung dàn so le kết hợp và hỗ trợ với nhau trong quá trình chịu tải ngang thông qua hệ sàn cứng, được biểu diễn như trên hình 5 Nhờ sự tương tác này, tải ngang được phân phối chủ yếu vào các thanh giang giúp làm giảm mômen tr ong cột và giảm chuyên vị ngang do cắt của hệ Ngoài ra, _ thanh giằng liên kết với dầm cũng được coi là một điểm cố kết trên đầm làm giảm nhịp dầm giúp giảm _ nội lực và độ võng của dầm

Công trình 169 Nguyễn Ngọc Vũ là công trình đầu tiên tại Việt Nam sử dụng hệ khung dàn so le Lõi BTCT được thi công bằng phương pháp ván khuôn trượt và hệ khung dàn so le được thi công bằng

wong phap lap ghep Đã được chứng minh qua lý thuyết tính toán và thực tế thi công, giải pháp kết

u ping dàn so le có một số ưu điểm sau:

-_ Giảm tải trọng tác dụng xuống móng do giảm được tải bản thân

~- Giảm thời gian thi công do sử dụng biện pháp thi công ván khuôn trượt cho bê tông và thi

oa cong lắp ghép cho hệ khung Theo các thống kê tại Mỹ và Canada, thời gian thi công đã giảm xuông 20% đến 25% so với giải pháp thi công đỗ tại chỗ [4]

- Khung dàn so le cau tạo gồm các hệ dàn cách tầng và cách nhịp không những giảm được chi phi so với khung giằng liên tục mà còn giúp linh hoạt hơn cho không gian sử dụng và đồng

thoi van phat huy được ưu điểm chịu lực của hệ dan

ì

Ví dụ khảo sat

-a Nội” Công trình dùng để làm giảng đường và văn p

Vũ Quốc Anh, Pham Ngoc Hiéu

(c)

Hình 5 Sự phối hợp làm việc của hệ khung dàn so le [4]

a năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ — Thanh Xuân —

Mô hình khảo sát đựa trên cơ sở công trình “Nhà đ hòng làm việc gôm có 21 tâng với chiêu cao

ìng điển hình là 3m và có mặt bằng kết cầu như hình 6

Ì

néo) Khung thép không được liên kết trực tiếp với lõi BTC

ình là lõi BTCT kết hợp với hệ khung thớp (cột, dim va giang

Giai phap kết cầu chính của công tr T mà thông qua hệ sàn BTCT đề cùng ;

àm việc với nhau, nhận và chịu tải ngang tac dụng

Vật liệu sử dụng:

- Bêtông cấp bền B35

- Các cấu kiện cột dam giằng thép sử dụng thép cường độ cao có f= 3600 (daN/cm”) ‘

- Thép tròn: + D<®10, đùng thép CI, có Ra= 2250 (daN/cm”)

+10 <D <20, dùng thép CII, có Ra=2800 (daN /cm”)

+D> 20, dùng thép CIH, có Ra= 3650 (daN /cm”)

Khảo sát công trình trên với 3 phương án kết cầu như sau:

Phương án 1: Lõi BTCT kết hợp với hệ khung thép đơn thuần (cột ẩ.dầm thép)

Phương án 2: Lõi BTCT kết hợp với khung thép có giằng chéo so le nhau

gán 3: Lõi BTCT kết hợp với khung thép có giằng chữ K so le nhau

Phươn

như sau:

Mô hình được xây dựng trên phần mềm Etabs 9.7.2.0, cho các kết quả

Bảng 1 Tiết diện cột, dầm và giằng các phương án 3 Cau Phuong an | Phuong an 2 Phuong an 3 _`

Cột H800 H600 H200 H200 H200 H200

Dam 1(600x200)& IPE 360 H160 & IPE360 H160 & IPE360

:

Ệ

‡

37

áng

ét cau nha cao t ^ + nso le cho k

g da

Giải pháp hệ khun

kêt câu

` »„

H

`

` A

ên kê (Phương án 2)

ình 6 Mặt b

Hình 7.Các khung so le li

x

`

ên kê (Phương án 3)

nh 8.Các khung so le li

Hì

VJ

\AAR

AAA

\BV/VVVVNVS

WOMANS

UN

ke

rene

IY

Ve

Na

AY,

Ề VAG

Ñ)

SN

Ạ

CNA

AVIARY

`

SRS

ee

SN

42270

VỆ

V2

2222221

EXIT

27

REDE

ee

URE

Hình 9 Mô hình không gian công trì a) Phương án

ôm: `

Tải tác dụng bao g

38 Vũ Quốc Anh, Pham Ngoc Hiếu

+ Tĩnh tải để máy tự dồn

+ Sử dụng vách nhẹ ngăn chia và dùng kính bao xung quanh nhà

giảm hoạt tải của nhà nhieu tang h

+ Tải gió: công trình được xây dựng tại Hà Nội, gió thuộc vùng IIB

+ Động đất được đưa vào công trình thông qua phổ phản ứng: công trình được xây dựng tại Hà

_ Nội Theo bảng 3.1 “Các loại đất nền”, trang 25 TCXDVN375:2006[3], Hà Nội có đất nên loại C Hệ

số tầm quan trọng công trình là 1,25; công trình được xây dựng tại quận Câu Giây

Các tổ hợp tải trọng được xét bao gồm:

Tổ hợp 1 (THỊ): Tĩnh Tải + Hoạt Tải

Tổ hợp 2 (TH2): Tĩnh Tải + Gió

Tổ hợp 3 (TH3): Tĩnh Tải + (Hoạt Tai + Gid)*0,9

Té hop 4 (TH4): Tĩnh Tải + Hoạt Tài *0,8 + Gió * 0,5 + Động Đất

Chuyên vị đỉnh công trình cho phép lấy 10cm; độ võng giới hạn của dầm là 3(cm)

Dựa trên điều kiện đảm bảo độ bền cũng như biến dạng của công trình, kết quả khảo sát được đưa

ra như sau:

Bảng 2 Tần số dao động của công trình

Dạng dao động Tần số Phương án I Phương ấn IĨ Phương án IH

Phương fi 1.630 1.677 1.641

Xx f2 0.416 0.381 0.378

£3 0.337 0.192 0.191 Phuong fl 2.233 1.838 1.837

¥ f2 0.479 0.430 0.430

f3 0.198 0.187 0.187 Phương fl 0.892 0.892 0.890

Z f 0.236 0.290 0.289

£3 0.167 0.148 0.148

Bang 3 Chuyén vi đỉnh công trình theo trục Y (đơn vi: cm) Tang Phuong an I Phuong an II Phương án II

Đỉnh 10.41 7.24 7.26

15 7.57 4.95 4.96

10 4,31 2.92 292

5 1.47 1.06 1.06

Bảng 4 Chuyển vị đỉnh công trình theo trục X (đơn vị: cm)

Tầng Phuong an I Phuong an II Phuong 4n III

Dinh 4.70 5.28 5.04

15 quái 3.57 3.43

10 1.88 2.08 2.01

5 0.69 0.74 0.73

Bảng 5 Bảng nội lực trong vách (đơn vị: kN-m)

Tầng Phuong an I Phuong an II Phuong an III

Mx 897 1237 1262 Mai Vx 242 358 390

My 691 422 419

Vy 224 145 145

Mx 6052 7249 7036

15 Vx 616 611 605

My 7875 6027 6044

Vy 687 438 438

Mx 11376 13091 12673

10 Vx 889 824 823

My 11171 8451 8453

Vy 805 471 472

Mx 20803 22347 21880

5 Vx 1336 1322 1322

My 16019 11891 11875

Vy 1368 955 956

Bang 6 Nội lực trong cột C1 và dầm DI (đơn vị: kN-m) Cấu kiện Phương án I Phương án II Phuong an III

N 2928 3694 3768

Cl Mx 273 21 20

tang 1 N 4662 3694 3768

My 131 3,98 3.65

N 1643 2027 1724

Cl Mx 38 19 15

tang 10 N 2923 1929 1591

My 207 5.48 5.26

M max 216 9.7 10.88

DI Mmin 391 39.3 27.49

Võng „ 1.17 1.7 1.45

Bảng 7.Ứng suất trong dam D1 va cét Cl (don vi: daN-cm)

Cau kién Phương án I Phương án II Phuong án III

Cl (tang 1) 589 3451 3516

Cl (tang 10) 1139 3389 2873

DI 1414 2865 2149

Bảng 8 Khối lượng khung thép của các phương án Khôi lượng thép Phương an I Phuong an II Phuong an III (Tan) 870,8 388,3 401,1

Vũ Quốc Anh, Phạm Ngọc Hiếu

Nhận xét và kết luận

tài liệu tham khảo

1,

D

3

phương sao cho cân bằng nhau

không liên kết trực tiếp với vách BTCT mà liên hệ với nhau thông qua san

Giải pháp khung thép : L

t, tránh tập trung ứng suât hay phá hoại cục bộ hay gây nut cho

BTCT giúp dễ dạng xử lý liên kê

bê tông tại vị trí liên kết

Bảng 2: với viỆc sử dụng hệ giang, dé dang điều chỉnh được độ cứng của công trình theo

hai Chuyên vị đỉnh công trình (bảng 3 và 4): theo trục X hệ khung dàn so le không có nhiều tác

dụng trong việc đảm bảo độ cứng công trình mà chủ yêu do lõi BTCT chịu và một phân cột,

dâm chịu

Nên chuyên vị của phương án 1 theo trục X nhỏ hơn hai phương án còn lại Bảng 1 cũng

thê hiện điều này, tần sé fl theo phương X của 3 phương án xâp xỉ như nhau chứng tỏ hệ khung dàn

so le

đã chỉ rõ được tải ngang theo không có tác dụng nhiêu trong việc chịu tải ngang Bảng 5 cũng vậy

phương X chủ yêu được phân cho lõi BTCT Bảng 2 thấy rõ tác dụng của hệ giăng mặt

ngoài công trình, giúp tăng độ cứng của công trình nên chuyển vị đỉnh nhà của hai phương án

(2 & 3)

5, hệ giang mặt ngoài công trình theo trục Y phân phối : nhỏ hơn rõ rệt so với phương án đâu Bảng

_ và chịu tải ngang cùng vách, nên tải tác dụng lên vách của hai phương án (2 & 3) nhỏ hơn A

hắn

phương án đầu

Bảng 6: vai trò của hệ giang giup

dầm của hai phương án (2 & 3) rât

Bảng 7: ứng suất trong dầm và cột của phương án

tận dụng được sự làm việc của vật liệu thép cường độ cao Còn phương án

phân phối nội lực trong khung thép nên mô men tron§ cột và nhỏ và nhỏ hơn rât nhiều phương án Ì

1 khá nhỏ, hai phương án (2 & 3) lớn, do vậy

\ U C 1 mặc dù ứng suât thừa

nhiều nhưng cũng không thê giảm tiệt diện được do yêu cầu độ cứng của khung (chuyên

vị đỉnh khung) và độ võng của dầm Hơn nữa chiêu cao dâm phương án l cao gâp đôi so với hai

phương

án (2 & 3) sẽ làm tăng chiều cao nhà Với việc sử dụng hệ khung dan so le cho phép

tận dụng được sự làm việc của thép cường độ cao đồng thời làm giảm được chiêu cao thông

thủy của các

tầng do giảm được tiết diện dầm

Bang 8: khối lượng thép của hai phương án sử

phương án đầu

Với phương an 2 và 3, thay đổi cầu tạo của hệ khung so le dạng chữ K hay dạng chéo

thì kết quả nội lực và chuyên vị của hai phương án này gần như nhau, nhận xét này có thể giúp cho

các kiên trúc sư thay đổi câu tạo giữa hai loại này để đảm bảo được yêu câu không gian của công

trình

Quan bảng 8 thấy rằng lượng thép của phương án II và II đều giảm so với phương 4n I _Phương

án II giảm 55% lượng thép so với phương L nhưng phương an II can phải có chi phí

chê tạo cho

hé dan so le

dung hé khung dan so le giảm đi rõ rét so với

Bộ xây dựng (1991) Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế, TCVN 5575:2012

Bộ xây dựng (1995) Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế, TCVN 2737:1995, Nxb Xây dựng, Hà ni

Bộ xây dựng (2006) Thiắt kế công trình chịu động đất, TCXDVN 3735:2006, Nxb Xây dựng, Hà Nội

Ph.D, P.E., S.E Bungale Š

Francis Group, LLC

Taranath (2012) Structural Analysis and Design of Tall Buildings, Taylor &

Triệu Tây An (1996) Hỏi đáp thiết kế và thi công nhà cao tầng, Nxb Xây dựng, Hà Nội.