Etabs thiết kế kết cấu nhà cao tầng

Trong trườnghợptổng quát, việc giải bài toáncơvậtrắn biếndạng nói chung hay bài toán đànhồi nói riêng thực chất là việc tìm 15 ẩn hàm đặc trưng cho trạng thái ứng suất – biến dạng – chuyểnvịcủavật thểtừ 15 phương trình vi phân thỏa mãn các điều kiện biên độnghọc và tĩnhhọc. Tuy nhiên công việc này khôngdễ dàng vàdường như không thực hiện được do những khó khănvềmặt toánhọc.Từ đó đã xuất hiện nhiều phương pháp khác nhau để giảigần đúng nghiệmcủa bài toán như phương pháp biến phân, phương pháp sai phânhữuhạn, phương pháp phầntửhữuhạn … Trong đó phương pháp phầntửhữuhạn làmột phương phápsố đặc biệt có hiệuqủa để tìmdạnggần đúngcủamột hàm chưa biết trong miền xác định Vcủa nó. Tuy nhiên phương pháp phầntửhữuhạn không tìmdạngxấpxỉcủa hàmcần tìm trên toàn miền V mà chỉtrongtừng miềncon Ve thuộc miền xác định V.

ThS TRẦN MINH THI

ETABS - THIẾT KẾ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

TpHCM, 2011

ETABS – KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

Thạc sĩ kết cấu – Giảng viên Trần Minh Thi

Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Trong trường hợp tổng quát, việc giải bài toán cơ vật rắn biến dạng nói chung hay bài toán đàn hồi nói riêng thực chất là việc tìm 15 ẩn hàm đặc trưng cho trạng thái ứng suất – biến dạng – chuyển vị của vật thể từ 15 phương trình vi phân thỏa mãn các điều kiện biên động học và tĩnh học Tuy nhiên công việc này không dễ dàng và dường như không thực hiện được do những khó khăn về mặt toán học Từ đó đã xuất hiện nhiều phương pháp khác nhau để giải gần đúng nghiệm của bài toán như phương pháp biến phân, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn … Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số đặc biệt có

hiệu qủa để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V của nó Tuy nhiên phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền V mà chỉ trong từng miền con V e thuộc miền xác định V

Tư tưởng cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là vật thể hoặc kết cấu được chia thành các phần tử có kích thước hữu hạn Các phần tử này được nối với nhau tại các điểm nút Trong phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được xấp xỉ trong dạng một hàm đơn giản gọi là

hàm xấp xỉ (approximation function) Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của nó

và có khi cả các giá trị đạo hàm của nó tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán

Trong mô hình tương thích, mô hình được dùng phổ biến nhất trong phương pháp phần tử hữu hạn, người ta xem chuyển vị là đại lượng cần tìm trước và hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong phần tử Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý thế năng toàn phần dừng, hay nguyên lý biến phân Lagrange Sau khi tìm được các ẩn số cũng có nghĩa là ta tìm được các hàm xấp xỉ chuyển vị trong tất cả các phần tử, từ

đó sẽ tìm được biến dạng và ứng suất trong tất cả các phần tử

Rời rạc hoá kết cấu

Đối với phương pháp phần tử hữu hạn, rời rạc hoá kết cấu là công việc hết sức quan trọng, nó quyết định thời gian tính toán cũng như độ chính xác của các kết qủa

Trong kết cấu khung, việc rời rạc hóa kết cấu thành các phần tử ít nhất phải được thực hiện tại các vị trí giao nhau của các dầm và cột như Hình 1 Phần tử của kết cấu khung là phần tử thanh dầm thẳng có hai nút ở hai đầu Trong hệ tọa độ tổng thể XYZ, mỗi nút có sáu bậc tự do bao gồm ba thành phần chuyển vị thẳng theo ba trục X, Y, Z và ba thành phần chuyển vị xoay quanh ba trục X, Y, Z Nội lực trong các phần tử thanh dầm thẳng bao gồm sáu thành phần đó là

một thành phần lực dọc, hai thành phần lực cắt, hai thành phần mô men uốn và một thành phần

mô men xoắn

Kết cấu dàn bao gồm các thanh

thẳng được nối với nhau tại các mắt dàn, các

mắt dàn là các khớp Trong tính toán người

ta thường bỏ qua trọng lượng của các thanh

dàn, tải trọng tác dụng lên kết cấu dàn là các

lực tập trung đặt tại các mắt dàn Nội lực

phát sinh trong các thanh dàn chỉ bao gồm

lực dọc Trong kết cấu dàn, việc rời rạc hóa

kết cấu thành các phần tử phải được thực

hiện tại các mắt dàn như Hình 2 Phần tử

của kết cấu dàn là phần tử thanh dàn thẳng

có hai nút ở hai đầu Trong hệ tọa độ tổng

thể XYZ, mỗi nút có ba bậc tự do bao gồm

ba thành phần chuyển vị thẳng theo ba trục

X, Y và Z Thực tế phần tử thanh dàn thẳng

là một trường hợp đặc biệt của phần tử thanh dầm thẳng Trong các phần mềm tính toán kết cấu người ta sử dụng phần tử thanh dầm thẳng để mô hình các kết cấu dàn, khi đó sẽ phải loại bỏ bớt

ba bậc tự do là ba thành phần chuyển vị xoay quanh ba trục X, Y, Z của các nút hoặc giải phóng

các thành phần mô men uốn ở hai đầu phần tử thanh dầm thẳng

Hình 1 Rời rạc hóa kết cấu khung

Nút

Phần tử

Hình 2 Rời rạc hóa kết cấu dàn

Phần tử Nút

Phần tử của kết cấu tấm vỏ thường có dạng tam giác ba nút hay tứ giác bốn nút (Hình 3) Trong hệ tọa độ tổng thể XYZ, mỗi nút có sáu bậc tự do bao gồm ba thành phần chuyển vị thẳng theo ba trục X, Y, Z và ba thành phần chuyển vị xoay quanh ba trục X, Y, Z Khi rời rạc hóa các

kết cấu tấm vỏ, các phần tử phải được nối với nhau tại tất cả các điểm nằm trên cạnh chung

Giới thiệu ETABS

Nút

Phần tử

Hình 3 Rời rạc hóa kết cấu tấm vỏ

Ví dụ Mở đầu

Xác định sơ bộ tiết diện cho các cấu kiện của công trình như sàn, dầm, cột, vách nhằm phục vụ cho bài toán dao động riêng Lựa chọn tiết diện phải thỏa mãn yêu cầu kiến trúc và đảm bảo điều kiện của chu kỳ dao động

1.1.1 Sàn

Nhằm thỏa mãn giả thiết kết cấu (dầm) sàn là vách cứng trong mặt phẳng ngang (diaphragm), nghĩa là có độ cứng tuyệt đối trong mặt phẳng sàn và mềm (biến dạng được) ngoài mép sàn, của các lý thuyết tính toán nhà cao tầng hiện nay, dẫn đến chuyển vị ngang ở mỗi cao trình NCT là không đổi

Sàn càng cứng, chu kỳ dao động và gia tốc dao động sẽ giảm đi, đảm bảo không

vượt quá giới hạn cho phép Và thông thường, nếu cứ “chồng” tầng lên, mà mỗi sàn được tính toán như 1 sàn độc lập, khả năng độ cứng của giả thiết sẽ không đảm bảo tuyệt đối – công trình sẽ “rung, lắc” nhẹ, cảm nhận được khi có gió mạnh thổi vào

Nhà cao tầng, cần đặt sẵn những đường ống thiết bị trong nhà, cần tăng “1 ít” chiều dày sàn

Sàn DUL, để dễ bố trí cáp, chiều dày sàn lớn, hợp lý, vẫn có lợi

a : nhịp cột (phương gió đang tác dụng và xét đến ảnh hưởng)

b : bước cột (phương trực giao với a )

d

b : bề rộng dầm

Kết quả tính toán cho thấy: chiều dày sàn chọn theo những quy định thông thường

của nhà ít tầng, cần được nhân thêm hệ số, xác định theo bảng

Sàn nấm 1.04 1.06 1.10 1.14 1.18 1.26

Khả năng chống động đất của công trình, sẽ tăng đôi chút

Lưu ý: Cốt thép, vẫn phải được tính toán như sàn nhà ít tầng, thông thường

• Khi xây (hay lắp) tường, nếu không chèn kín khe hở mặt trên tường (giáp sàn), tường mỏng; về lâu dài sẽ xuất hiện khe nứt dọc do co ngót theo mặt tiếp giáp này, ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường công trình

trong đó L L lần lượt là chiều dài cạnh ngắn và cạnh dài của ô sàn 1; 2

Hàm lượng thép trong sàn là max b

R s

R R

µ =ξ trong đó: Các giá trị R R tra theo bảng ở b; s mục 2.1.1 và 2.1.2 (file này)

Khi chiều cao tầng cần hạn chế lại, chiều cao dầm sẽ thường không đạt tỷ lệ bình

thường, sẽ có 1 1

20 14

h= ÷ L

  và ngược lại, chiều rộng dầm sẽ tăng BTCT thường, vẫn

xử lý được tình huống này

Hàm lượng thép trong dầm là max b

R s

R R

µ =ξ (xem mục 2.2.1.2)

Hàm lượng thép trong dầmhợp lý µ = ÷(1 1.5)%

1.1.3 Cột

Kích thước tiết diện cột thường chọn theo diện tích truyền tải từ dầm (sàn) lên, phân đều theo các phương, mỗi tầng Trên cơ sở đó, xác định được lực nén và từ lực nén (có gia tăng hệ số để xét thêm ảnh hưởng của Moment), sẽ tính được tiết diện cột (vuông, chữ nhật, tròn…) Về nguyên tắc, khi truyền tải không đổi theo chiều cao thì theo “Tính toán tiết diện cột BTCT” – GS Nguyễn Đình Cống – NXB xây dựng –Hà Nội 2006 / trang 21

s s

N =m qF

trong đó F diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét s

m là số sàn phía trên tiết diện đang xét (kể cả mái) s

q là tải trọng tương đương tính trên mỗi mét vuông sàn, trong đó gồm tải

trọng thường xuyên và tạm thời trên bản sàn, trọng lượng dầm, tường, cột đem tính ra

phân bố đều trên sàn Giá trị q được lấy theo kinh nghiệm thiết kế

♦ Với nhà có bề dày sàn là bé (10cm -> 14cm kể cả các lớp cấu tạo mặt sàn), có ít

tường, kích thước của dầm và cột thuộc loại bé, q=(10 14)÷ kN/m2 (1 1.4÷ T/m2)

♦ Với nhà có bề dày sàn trung bình (15cm -> 20cm), tường, dầm và cột là trung bình

hoặc lớn, q=(15 18)÷ kN/m2 (1.5 1.8÷ T/m2)

♦ Với nhà có bề dày sàn khá lớn (trên 25cm), dầm và cột đều lớn, q có thể đến 20

kN/m2 (2T/m2) hoặc hơn nữa

Kích thước tiết diện cột A được tính 0

0

t b

k N A

R

=

t

k là hệ số xét ảnh hưởng khác như Moment uốn, hàm lượng cốt thép, độ mảnh của

cột Xét sự ảnh hưởng này, theo sự phân tích và kinh nghiệm của người thiết kế, khi ảnh hưởng của moment là lớn, độ mảnh cột lớn (l0 lớn) thì lấy k lớn t k t =1.3 1.5÷ Khi ảnh hưởng của moment là bé, thì lấy k t =1.1 1.2÷

Trong trường hợp thiết kế kết cấu chịu động đất thì kích thước của cột tuân theo

10.1

c

N n

Cột biên và cột góc không thay đổi tiết diện(ảnh hưởng lớn của moment)

Cột giữa thì thay đổi theo các quan điểm: độ cứng của cột tầng trên không nhỏ hơn 70% độ cứng của cột tầng dưới liền kề Nếu 3 tầng giảm độ cứng liên tục thì tổng mức

giảm không vượt quá 50% (mục 2.5.4 - TCXD198-1997)

b ≥ (trong đó, l là chiều dài vách, còn w b là bề rộng vách) w

Không tính, khi số tầng không lớn, không cần vách mà nên thay bằng cột

Xin nhắc lại, theo Taranath B.S, đối với nhà cao tầng chịu lực bằng BTCT

Sơ bộ xác định diện tích vách cứng F wall =0.015×S , trong đó S là diện tích một sàn

Thực tế, thang máy có tải không lớn; vận tốc có lớn thì cũng không ảnh hưởng đến sức chịu tải của nhà cao tầng Tải xung của thang, trong cấu tạo hiện nay, sẽ truyền đều dần lên hệ chịu lực quanh thang Do vậy, nếu vách, lõi cứng được bố trí quanh thang máy là quá tốt

trong đó b h là các kích thước của dầm cột, còn ; h là bề dày của sàn, vách b

(nhập trong phần Define Frame sections và Wall/Slab sections)

γ =2.5 T/m3, nhập trong Define material (Weight per unit volume)

n=1.1; nhập trong phần Define Static load cases (Self Weight multiplier) (hệ số vượt tải trong phần tổ hợp)

1.2.1.2 Tải trọng các lớp cấu tạo sàn (hoàn thiện)

Chiều dày của các lớp cấu tạo sàn căn cứ vào bản vẽ kiến trúc; hệ thống kỹ thuật đường ống, thiết bị điện, hệ thống lạnh căn cứ vào bản vẽ M&E; hệ số tin

Báng 1: Sàn văn phòng căn hộ

Các lớp

cấu tạo sàn

Chiều dày (cm)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

1.2.1.3 Tải trọng tường gạch, kính nhôm

Tải trọng tường gạch xây đặc tiêu chuẩn ngắn gọn theo công thức sau

Trong trường hợp, tường có cửa sổ hoặc cửa đi thì có thể tính toán nhanh như sau (không cần tính toán chi tiết)

trong đó n là hệ số được tính theo bảng sau

Hệ số n

(sổ/đi)

2 cửa (sổ+đi)

Tải trọng cửa kính khung nhôm – thép được cho như bảng sau

Cửa kính khung nhôm

- thép

Chiều dày (cm)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Khảo sát hai mô hình: mô hình 1 gán sàn cứng (Diaphragm) và mô hình 2 không gán sàn cứng Công trình gồm 4 tầng, chiều cao tầng dưới cùng 4m, còn lại 3.2m Trục X

có 3 nhịp, trục Y có 4 nhịp, mỗi nhịp đều 6m Các mô hình đều có cột 500x500 (mm), dầm 200x500 (mm), sàn dày 120 mm Tải gió 1 Tấn gán vào các nút biên theo phương trục X ở mỗi tầng

Tiến hành phân tích chuyển vị nhờ sự hổ trợ của phần mềm ETABS, kết quả mô hình

1 và mô hình 2 cho thấy rằng nội lực và chuyển vị của hai mô hình là như nhau, sai số không đáng kể

Insertion point lệch trục cột

Ghi chú: Với những cấu kiện đối xứng hai trục

thì Cardinal point 5, 10, 11 trùng nhau

Hiệu chỉnh mặt bằng dầm theo điểm chuẩn

NHÀ PHỐ

Chọn hệ thống đơn vị

Tạo hệ lưới

Hiệu chỉnh tên trục

Hiệu chỉnh lưới trục

Hiệu chỉnh chiều cao tầng

Vào nút vạn năng, thực hiện 3 thao tác

Dịch chuyển xuống Lầu 1

Khai báo vật liệu

Khai báo cột, dầm

Khai báo dầm D2040

Khai báo dầm C2030

Khai báo dầm C4525

Khai báo sàn S10

Vẽ cột , các cột trục 1,5 C2030 và còn lại trục 2,3,4 vẽ cột C4525

Vẽ nhanh dầm D2040

Vào nút vạn năng, chỉnh hiện thị dầm D2040

Vẽ dầm ban công cách trục 1 khoảng cách 1.3m về phía trái: thực hiện thao tác copy và paste

Vẽ thêm hai dầm D2040

Hiệu chỉnh lưới trục lại bằng chức năng kinh điển số 2: tạo lưới từ những điểm đã chọn

Vẽ ban công còn lại, tương tự

Vẽ nhanh sàn

Vẽ các dầm ngay ô cầu thang như sau: thao tác copy paste

Cắt tỉa các thanh không cần thiết bằng theo trình tự: chọn đối tượng, chọn hướng và chọn con dao

Rồi vào chọn

Gán dầm ảo

Chọn các đối tượng như sau

Chia thật ô sàn tại vị trí của dầm đã chọn

Chọn hai đối tượng này để nối lại thành một ô sàn chung

Khai báo tải trọng

Chọn nhanh sàn theo tiết diện

Gán tải trọng cho sàn

Gán tương tự cho những ô sàn cầu thang và vệ sinh

Gán hoạt tải cho tất cả ô sàn

Hoạt tải các ô còn lại gán như sau

Dấu cột bằng cách như sau

Chọn các dầm biên trục A, B

Gán tường 200, 1 lỗ cữa: 0.363*2.8*0.8

Gán tường 200 cao 1.2 đối với hai dầm môi

Gán tường 100 cho các dầm chọn như sau

Gán tường 100 cho dầm ảo như sau

Chọn tất cả và thực hiện nhân bản lên các tầng còn lại

Chỉnh sửa cục bộ từng tầng, cụ thể là lầu 2

Chọn Snap vuông góc

Gán dầm ảo

Mặt bằng Lầu 2

Gán tải tường cho dầm ảo

Dịch chuyển lên sàn sân thượng: Gán lại tĩnh tải cho sàn

Gán lại tĩnh tải tường 200 cao 1.2m cho các dầm đã chọn

Không gán lại tường cho các dầm trục 1,2,5

Lên sàn Mái, bỏ hết các dầm và sàn, chỉ giữ lại cột trục 3 và 4 như hình vẽ

Lên sàn Mái, bỏ hết các dầm và sàn, chỉ giữ lại cột trục 3 và 4 như hình vẽ

Khai báo thêm dầm D2030

Vẽ dầm D2030

Vẽ sàn S10

Gán tĩnh tải cho sàn mái

Gán hoạt tải cho sàn mái

Xuống TRỆT, bỏ bớt hai ban công, và vẽ thêm vào sàn tại lỗ giếng trời

Gán hoạt tải xe cho hai ô trục 1->3, và hoạt tải tại ô giếng trời

Gán tường 200, cao 3.6, 1 lỗ cữa cho dầm biên

Gán tường 100, cao 3.6m, 1 lỗ cữa cho các dầm đã chọn

Gán tải bằng 0 cho dầm trục 2

Xuống mặt bằng tầng BASE, chọn các nút

và gán liên kết ngàm

Gán sàn cứng

Tính toán tải trọng gió

Đổi đơn vị thành KN.m, rồi gán gió vào mô hình như sau

Gió X

Gió Y

3 bước trước khi giải

Tạo ràng buộc biên

Chia lưới ảo

Vào nút vạn năng xem Auto Area Mesh

Chia lưới chưa đều

Chọn các dầm như hình vẽ và thực hiện tạo lưới như hình sau

Kết quả vẫn chưa đạt như hình sau

Chọn nút như hình vẽ và tạo lưới song song trục Y

Chia lưới đã thỏa mãn như hình vẽ

Đặt tên gọi các cấu kiện

Phân tích bài toán bằng nút F5

Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh công trình

Chuyển vị theo phương ngang tại đỉnh kết cấu của nhà cao tầng tính theo phương pháp đàn hồi phải thoả mãn điều kiện:

Xem nội lực sàn

Quan tâm đến V13, V23 (lực cắt) và M11, M22

Xem M11, click chuột phải vào ô sàn, xem giá trị

Lấy giá trị nhập vào bảng tính thép sàn

Lựa chọn tiêu chuẩn thiết kế dầm, cột

Chọn tiêu chuẩn CSA.A23.3-04 (Canada)

Chọn tổ hợp để thiết kế

Chọn tổ hợp thêm vào ADD, tổ hợp nào không cần thiết thì REMOVE

Bắt đầu thiết kế

Xuất nội lực

Xuất nội lực cho cột

Chọn xuất dữ liệu sang excel