Nếu chuyển vị ngang lớn tăng nội lực do độlệch tâm của trọng lượng; hư hỏng các bộ phận phi kết cấu; khó bố tríthiết bị; người có cảm giác khó chịu và hoảng sợ • Yêu cầu chống động đất:
Trang 1KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM
TS NGUYỄN HỮU ANH TUẤN
30 TIẾT – PHẦN CƠ BẢN
• Bungale S Taranath (2010) Reinforced Concrete Design of Tall Buildings, CRC Press.
• Bungale S Taranath (1998) Steel, Concrete and Composite Design of Tall Buildings, McGraw-Hill.
• Lê Thanh Huấn (2007) Kết cấu nhà cao tầng BTCT, NXB Xây Dựng
• Nguyễn Lê Ninh (2007) Động đất và thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây Dựng
• Triệu Tây An (1996) Hỏi-đáp thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng, NXB Xây Dựng.
• TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động.
• TCXD 229:1999 Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió.
• TCXD 375:2006 Thiết kế công trình chịu động đất
• TCXD 198:1997 Nhà cao tầng-Thiết kế kết cấu BTCT toàn khối.
• Wolfgang Schueller (1986), High-Rise Building Structures, Krieger Pub Co.
• Mir M Ali & Kyoung Sun Moon (2007) Structural Developments in Tall Buildings: Curent Trends and Future Prospects, Architectural Science Review, Vol 50.3.
• Anil K Chopra (1995) Dynamic of Structures – A Primer, Earthquake Engineering Research Institute
• Cement and Concrete Association of Australia (2003) Guide to Long-Span Concrete Floors
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH
Trang 2Bài 1 Tổng quan Bài 2 Các hệ kết cấu sàn BTCT (ôn tập) Bài 3 Các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang Bài 4 Khái niệm về động lực học kết cấu nhà nhiều tầng Bài 5 Tải trọng và tác động Tải trọng gió
Bài 6 Tác động động đất Bài 7 Các phương pháp tính toán gần đúng kết cấu nhà nhiều tầng Bài 8 Tính toán và cấu tạo các bộ phận chịu lực bằng BTCT
Bài 9 Một số chủ đề đặc biệt
TỔNG QUAN
BÀI 1
Trang 3Định nghĩa, quy ước về NCT
Tương quan chiều cao nhà với các công trình lân cận
Một nhà 14 tầng có thể không được xem là cao tầng ở một thành phố với nhiều nhà chọc trời như Chicago hay Hongkong, nhưng nó được xem là cao ở vùng ngoại ô hay nội thành của một thành phố ở Việt Nam
Tỷ lệ
Có nhiều công trình không cao lắm nhưng lại khá mảnh để có hình dáng như một nhà cao tầng Ngược lại, có nhiều công trình có mặt bằng phần đế rất rộng, có thể không giống như “nhà cao tầng” mặc dù chúng
có chiều cao khá lớn
Không có quy định duy nhất về chiều cao, số tầng là bao nhiêu thì được gọi
là cao tầng!
Định nghĩa, quy ước về NCT
Công nghệ liên quan đến chiều cao
Nếu một tòa nhà cần những “công nghệ “ đặc biệt bởi vì chiều cao của nó, ví dụ hệ thống vận chuyển đặc biệt theo phương đứng, hay hệ giằng chống tải trọng gió;
thì nó có thể được xem là nhà cao tầng
Mặc dù cách phân loại nhà dựa theo chiều cao là không thích hợp lắm, ta có thể xem
Trang 4Định nghĩa, quy ước về NCT
Có quan niệm cho rằng nhà được xem như là caokhi việc thiết kế kết cấu của nó phải chuyển từ phântích tĩnh học sang phân tích động lực học Ởphương diện thiết kế kết cấu, có thể xem một côngtrình là cao khi tải trọng ngang, đặc biệt là chuyển
vị lệch tầng, có ảnh hưởng đến việc phân tích vàthiết kế kết cấu
Hoặc một tòa nhà đuợc xem là cao tầng nếu chiềucao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thicông và sử dụng khác với các ngôi nhà thôngthường
• Yếu tố quan trọng: tải trọng ngang
• Hạn chế chuyển vị ngang Nếu chuyển vị ngang lớn tăng nội lực do độlệch tâm của trọng lượng; hư hỏng các bộ phận phi kết cấu; khó bố tríthiết bị; người có cảm giác khó chịu và hoảng sợ
• Yêu cầu chống động đất: không hư hại khi động đất nhẹ; hư hại các bộphận không quan trọng khi động đất vừa; có thể hư hại nhưng không sụp
đổkhi động đất mạnh kết cấu cần có độ dẻo và khả năng tiêu tán nănglượng động đất
• Giảm nhẹ trọng lượng bản thân giảm tải trọng xuống móng; giảm tải
động đất kinh tế, an toàn
• Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng vì kết cấu vốn có độ siêu tĩnhcao quan tâm tương tác kết cấu thượng tầng –nền đất
• Khả năng chịu lửa cao, dễ thoát hiểm
• Yêu cầu độ bền, tuổi thọ cao
Yêu cầu đối với thiết kế kết cấu NCT
Trang 7• Đều hoặc thay đổi đều, giảm dần kích thước dần lên phía trên
• Tránh mở rộng tầng trên hoặc nhô ra cục bộ bất lợi khi động đất
• Không nên thay đổi trọng tâm và tâm cứng theo tầng nhà
Giới hạn tỷ số chiều cao/chiều rộng nhà (H/B) (TCXD 198:1997)
BH
B
<B/4H
Trang 8Bố trí kết cấu
Khe nhiệt, khe lún, khe khán chấn
• Hạn chế dùng khe: cấu tạo móng khó khăn, xô đẩy giữa các khối khi công trình dao động do động đất
• Kết cấu khung-vách BTCT toàn khối: khoảng cách cho phép giữa hai khe co
giãn là 45m (tường ngoài liền khối) hoặc 65m (tường ngoài lắp ghép).
• Khe lún: dùng khi có lệch tầng lớn, khi địa chất thay đổi phức tạp Có thể
không dùng khe lún nếu công trình tựa trên nền cọc chống vào đá hoặc tầngcuội sỏi; hoặc việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiện độ chênh lún giữa các
bộ phận nằm trong giới hạn cho phép
• Nhà có cánh dạng chữ L, T, U, H, Y … thường hay bị hư hỏng hoặc bị đổ
khi gặp động đất mạnh ⇒ bố trí khe kháng chấn tách rời phần cánh ra khỏi
công trình Các khe kháng chấn phải đủ rộng để khi dao động các phần củacông trình đã được tách ra không va đập vào nhau
• Chiều rộng của khe lún và khe kháng chấn
dmin= V 1 + V 2+ 20mm
V 1 , V 2là chuyển dịch ngang cực đại của 2 khối, tại đỉnh của khối thấp hơn
Công trình Mexico City: một tầng nhà bị phá hoại hoàn toàn khi hai khối nhà, có chiều cao và đặc trưng động lực học khác nhau, va đập vào nhau.
Sự chuyển động của nền đất gây nên những dao động khác nhau giữa các khối công trình, tại những nơi có sự gián đọan kết cấu.
Bố trí kết cấu
Trang 9Bố trí kết cấu
Phân bố độ cứng và cường độ theo phương ngang
• Bố trí độ cứng và cường độ đều đặn và đối xứng trên mặt bằng, tâm cứngnên trùng hoặc gần trùng với tâm khối lượng để giảm thiểu biến dạngxoắn do tải trọng ngang
• Bố trí hệ thống chịu lực ngang chính theo cả hai phương
• Các vách cứng theo phương dọc không không nên bố trí chỉ ở một đầunhà mà nên bố trí ở khu vực giữa nhà hoặc cả ở giữa nhà và hai đầu nhà
• Khoảng cách giữa các vách cứng: không quá 5B và 60m (cho công trìnhkhông kháng chấn), 4B và 50m (kháng chấn cấp ≤7), 3B và 40m (khángchấn cấp 8), 2B và 30m (kháng chấn cấp 9)
• Không nên chọn vách có khả năng chịu tải lớn nhưng số lượng ít; mà nênphân đều ra trên mặt bằng
• mỗi đơn nguyên có ít nhất có 3 vách cứng, trục ba vách không được đồngquy
• Chiều dày vách ≥ 150 mm và ≥ 1/20 chiều cao tầng
Trang 10Bố trí kết cấu
Bố trí kết cấu
Phân bố độ cứng và cường độ theo phương đứng
• Tránh thay đổi độ cứng đột ngột Độ cứng của kết cấu ở tầng trên phải khôngnhỏ hơn 70% độ cứng của kết cấu ở tầng dưới kề với nó Nếu 3 tầng giảm độcứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50%
Brunswick Building (Chicago): loads in the closely spaced perimeter columns are transferred through the transfer beam to the widely spaced columns at ground level
http://khan.princeton.edu/khanBrunswick.html
• Trong trường hợp độ cứng kết cấu bịthay đổi đột ngột, ví dụ khi giảm sốlượng cột/vách ở tầng dưới thì cần cócác giải pháp kỹ thuật đặc biệt
Trang 11Các tiêu chí kiểm tra kết cấu BTCT
• Tính toán và cấu tạo các cấu kiện theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành
• Kiểm tra ổn định chống lật cho nhà có H/B > 5:
moment gây lật: do tải trọng ngang (gió, động đất)
moment chống lật: do 90% tĩnh tải và 50% hoạt tải sử dụng
Trang 12CÁC HỆ KẾT CẤU SÀN BTCT
PHỔ BIẾN (ÔN TẬP) BÀI 2
Tổng quan
Chọn giải pháp ván khuôn đơn giản khi lắp dựng và tháo dỡ, có tính tái sử dụng cao Chọn giải pháp sàn hợp lý trong nhà cao tầng có vai trò quan trọng vì:
• Mỗi sàn tiết kiệm được một ít thì cả công trình nhiều tầng có thể tiết kiệm rất đáng kể
• Trọng lượng sàn có ảnh hưởng đến việc thiết kế các cấu kiện chịu lực đứng như vách/tường, cột, hệ móng
Khối lượng công trình cũng ảnh hưởng đến đặc điểm chịu tải trọng động của công trình
• Chiều cao hệ kết cấu sàn ảnh hưởng đến chiều cao tầng
Trang 13Sàn không dầm
Flat plate – không có mũ cột hay bản đáy
BTCT thường:
nhịp 6-8 m (D x 30 cho nhịp biên và D x 32 cho nhịp giữa của sàn liên tục)
BTCT ứng suất trước:
nhịp 8-12m (D x 37 cho nhịp biên và D x 40 cho nhịp giữa của sàn liên tục, với
D là chiều dày sàn)
Sàn không dầm
Flat plate – không có mũ cột hay bản đáy
Ưu điểm:
• Ván khuôn đơn giản, trần phẳng
• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản
• Chiều cao hệ kết cấu sàn tối thiểu, có thể giảm chiều cao tầng
Trang 14Sàn không dầm
Flat slab – có bản đáy (drop panel)
Dùng Drop panels để tăng khả năng chống xuyên thủng tại vị trí sàn gần cột
• BTCT thường: nhịp 9.5m (D x 32 cho nhịp biên và D x 36 cho nhịp giữa của sàn liên tục)
• BTCT ứng suất trước: nhịp 12m (D x 40 cho nhịp biên và D x 45 chi nhịp giữa của sàn liên tục, D là chiều dày sàn không kể drop panel)
Trang 15Sàn không dầm
Flat slab – có bản đáy (drop panel)
Ưu điểm:
• Ván khuôn đơn giản
• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản
• Chiều cao kết cấu tối thiểu
• Thường không cần cốt thép chịu cắt cho vùng sàn gần cột
Nhược điểm:
• Vượt nhịp trung bình
• Thường không thích hợp để đỡ vách ngăn bằng vật liệu giòn
• Drop panels có thể ảnh hưởng đến việc bố trí các hệ thống kỹ thuật có kích thước lớn
• Việc bố trí lỗ theo phương đứng phải tránh vùng sàn xung quanh cột
• Với sàn phẳng BTCT thường độ võng của dải giữa nhịp có thể lớn
Trang 16• Tăng chiều cao tầng nhà
• Có thể phải tạo lỗ xuyên qua dầm khi bố trí đường ống
Sàn có dầm bẹt
Hệ này có các dầm với chiều cao nhỏ nhưng chiều rộng lớn (band beams) Có thểdùng BTCT ứng lực trước cho band beams (căng sau) trong khi vẫn dùng BTCTthường cho sàn Cũng có thể dùng sàn composite concrete/metal decking
• BTCT thường: nhịp vào khoảng Dx22 cho band beams rộng 1200mm, và Dx26 cho band beams rộng 2400mm; có thể vượt nhịp đến 12m D là tổng chiều dày sàn-dầm bẹt
• BTCT ứng lực trước: nhịp vào khoảng Dx24 cho band beams rộng 1200mm, và Dx28 cho band beams rộng 2400mm
Trang 17Sàn có dầm bẹt
Ưu điểm:
• Ván khuôn tương đối đối đơn giản
• Dầm thấp cho phép các hệ thống kỹ thuật chạy dưới sàn
• Giảm chiều cao hệ kết cấu sàn và chiều cao tầng nhà
• Có thể vượt nhịp lớn
• Tiết kiệm thời gian và giá thành
Nhược điểm:
• Độ võng dài hạn lớn có thể phải cần ứng lực trước (căng sau)
• Có thể cần các lỗ kỹ thuật xuyên dầm
Trang 19CÁC HỆ THỐNG KẾT CẤU CHỊU
TẢI TRỌNG NGANG
BÀI 3
Mở đầu
Chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng:
• Với tải trọng đứng: ngoài việc dùng vật liệu nhẹ thì khó có cách nào khác để giảm ảnh hưởng của tải trọng đứng
• Với tải trọng ngang: có thể giảm ảnh hưởng của tải trọng ngang bằng cách áp dụng một số nguyên lý khi bố trí kết cấu:
Để chịu tốt moment lật do tải ngang, bố trí các cấu kiện thẳng đứng càng
xa tâm hình học của công trình càng tốt
Lợi dụng các cấu kiện chịu moment lật đó để chịu tải trọng đứng luôn
Giảm thiểu khả năng xuất hiện lực kéo dọc trục trong các cấu kiện BTCT khi chịu tải ngang
Liên kết các cấu kiện đứng để tận dụng tối đa khả năng chịu tải ngang của các khung biên theo chu vi công trình
Ví dụ, kết cấu ống (Tube structures) gồm có các cột đặt gần nhau theo chu vi nhà, liên kết với nhau bởi các dầm có chiều cao lớn, gần như đáp ứng các các nguyên lý trên
Trang 20• Ứng xử của sàn phẳng khi chịu tải ngang:
Phân phối tải ngang đến các cấu kiện đứng, tỷ lệ với độ cứng của chúng
Hạn chế chuyển vị dọc trục và góc xoay của cột và tường Lúc này sàn làm việc như dầm bẹp bản rộng
Tương thích biến dạng giữa sàn và tường khi chịu tải trọng ngang Khó cấu tạo cốt thép sàn khi có tập trung ứng suất lớn
Trang 21Flat plate Flat slab with drop panels
Two-way waffle system
HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT
Phương pháp khung tương đương:
Thay sàn bằng hệ dầm hai phương
Tiêu chuẩn ACI cho phép lấy chiều rộng hiệu
quả (effective width) w của dầm tương đương bằng ½(w1 + w2) cho cả tải đứng và tải ngang
Các kỹ sư đề nghị lấy w = ¼ (w1 + w2) khi tính khung-sàn chịu tải trọng ngang thì an toàn hơn
w 1 w 2
Khi giải khung, cần xem xét ảnh hưởng của vết nứt trong sàn, sự tập trung và phân bố cốt thép trong bề rộng dải sàn,vv… đến độ cứng của các cấu kiện Tuy nhiên, việc tính chính xác sự suy giảm độ cứng là vấn đề khó khăn
Việc chỉ kể ¼ bề rộng dải sàn vào độ cứng của dầm tương đương thường là chấp nhận được
HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT
Trang 22Với nhà cao hơn 10 tầng có thể dùng hệ sàn phẳng được đỡ bởi vách cứng và cột Các vách cứng có thể có dạng phẳng, hở , kín hoặc kết hợp giữa các dạng
đó Vách phẳng sẽ làm việc tương tự như thanh công-xon mảnh, vách hở thì có ứng xử phức tạp hơn
Trong hầu hết các công trình căn hộ và khách sạn cao tầng thì phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ khung (sàn-cột) chỉ bằng khoảng 10-20% phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ vách cứng
HỆ SÀN PHẲNG, VÁCH CỨNG và CỘT
HỆ KHUNG CỨNG
• Hệ khung cứng gồm cột liên kết cứng với dầm theo cả hai phương, chịu toàn
bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang So với hệ vách cứng, hệ khung nói chung là không cứng bằng, nhưng có độ dẻo cao hơn và do đó mức độ bị phá hoại do động đất có thể ít hơn
• Hệ khung có ưu điểm về mặt kiến trúc là thuận tiện bố trí không gian bên trong nhà cũng như các ô trống ở mặt ngoài nhà, vì không có các tường cứng chịu lực
• Hệ khung cứng thuần túy có thể dùng cho nhà cao đến 25 tầng Khi khung được kết hợp với vách cứng để tăng độ cứng ngang và giảm chuyển vị thì nhà có thể cao đến 50 tầng
• Độ cứng ngang của khung phụ thuộc vào khả năng chống uốn của dầm, cột
và nút khung; và cả độ cứng dọc trục của cột khi khung có chiều cao lớn
• Với công trình có yêu cầu kháng chấn, cần đặt cốt đai ngang với khoảng cách nhỏ trong vùng nút khung_ là vùng chịu lực cắt lớn, để khống chế vết nứt nghiêng và sự tách bóc bê tông, cũng như để tăng độ dẻo cho khung
Trang 23HỆ KHUNG CỨNG
Nội lực và biến dạng trong khung cứng
HỆ KHUNG CỨNG
Đặc trưng biến dạng của khung
Do liên kết giữa dầm và cột là cứng, khung sẽ không thể có chuyển vị ngang nếu không có sự uốn của dầm và cột Do đó, độ cứng ngang của khung phụ thuộc phần lớn vào độ cứng chống uốn của các cấu kiện, và phụ thuộc một ít vào độ cứng dọc trục (kéo/nén) của cột Để đơn giản, ta hãy so sánh:
- Một cây cột công-xon: chuyển vi ngang của cột chủ yếu là do biến dạng uốn, chỉ một phần nhỏ của chuyển vị ngang là do biến dạng cắt Trong tính toán, thậm chí có thể bỏ qua biến dạng cắt, trừ khi cột khá ngắn
- Một khung cứng: cả hai thành phần biến dạng do uốn (cantilever bending component) và do cắt (frame racking component) đều quan trọng
Với khung không quá cao, chuyển vị ngang do hiệu ứng uốn thường không vượt quá 10%–20% chuyển vị do hiệu ứng cắt Do đó biểu đồ biến dạng tổng thể của khung thường sẽ gần giống với biểu đồ biến dạng cắt
Trang 24HỆ KHUNG CỨNG
Tương tự hóa chuyển vị ngang do biến dạng cắt của khung cứng với chuyển vị ngang do biến dạng cắt của vách cứng
(một tầng điển hình)
Tương tự hóa biến dạng uốn trong khung cứng với biến dạng uốn của vách cứng:
Moment lật sẽ được chịu bởi lực dọc trong các cột
HỆ KHUNG CỨNG
Chuyển vị ngang tổng của một khung cứng thường gồm các thành phần sau:
- biến dạng công-xon do biến dạng dọc trục cột (15%–20%)
- Biến dạng cắt của khung do uốn dầm (50%–60%)
- Biến dạng cắt của khung do uốn cột (15%–20%)
Biến dạng của nút khung cũng có đóng góp vào chuyển vị ngang tổng, nhưng thành phần này thường không đáng kể Thông thường, giải pháp hiệu quả và kinh tế nhất để giảm chuyển vị ngang là tăng độ cứng chống uốn của dầm
Để xem xét nên điều chỉnh tiết diện dầm hay cột để giảm chuyển vị ngang thì
có thể dựa vào tỷ số độ cứng đơn vị của dầm và cột tại một nút điển hình:
Trang 25TĂNG TIẾT DIỆN CẢ DẦM VÀ CỘT
Ví dụ (SAP2000): chuyển vị ngang của khung BTCT 15 tầng, cao 45m, 3 nhịp ××× 6m
HỆ KHUNG CỨNG
Nguyên tắc cột khỏe-dầm yếu
Nếu khung có cột yếu thì chuyển vị nganglớn do tác động động đất có xu hướng tậptrung ở một hay một số ít tầng, dễ dẫn đến cơcấu sụp đổ Cần thiết kế cột khỏe-dầm yếu để
có thể dàn trải biến dạng không đàn hồi ranhiều tầng nhà Khi cột khỏe thì chuyển vịlệch tầng cũng có xu hướng phân bố đều đặntheo chiều cao nhà Nếu xét thêm tải trọngđứng thì cột phải gánh trọng lượng của cáctầng bên trên trong khi dầm chỉ gánh mộttầng thôi Do đó, cột bị phá hoại sẽ nguyhiểm hơn nhiều hơn so với dầm bị phá hoại
Theo ACI, tại một nút khung, khả năngchống uốn của cột nên lớn hơn khả năngchống uốn của dầm ít nhất là 20%
Trang 26HỆ VÁCH ĐÔI COUPLED SHEAR WALLS
• Một hệ nhiều vách cứng kết hợp với nhau sẽ có độ cứng lớn hơn tổng độ cứng của các vách riêng lẽ, do hệ dầm-sàn nối giữa các vách sẽ khống chế sự uốn tự do của các vách và giúp chúng làm việc như một thể thống nhất
• Thích hợp cho nhà đến 40 tầng Các vách có thể bố trí hai phương, hoặc tập trung thành lõi cứng xung quanh khu vực thang máy và thang bộ
Các liên kết trượt tương đương
HỆ VÁCH ĐÔI COUPLED SHEAR WALLS
Ví dụ (ETABS2013)
Chiều cao spandrel 400mm 800mm 1200mm Vách đặc
Chuyển vị ngang 118mm 84mm 77mm 71mm
15 tầng ×3m Chiều rộng mỗi thân trụ và lỗ cửa là 2m
Trang 27HỆ ỐNG VỚI CỘT BỐ TRÍ THƯA
TUBE SYSTEM WITH WIDELY SPACED COLUMNS
• Thuật ngữ “ống” thường được dùng khi nhà có các cột biên được bố trí gần nhau (2.4÷4.6 m) và được liên kết bởi các dầm có chiều cao lớn
• Với công trình có mặt bằng nhỏ gọn thì vẫn có thể dùng các cột với khoảng cách khá xa cùng với các dầm cao để tạo ra hiệu ứng “ống” Ví dụ: nhà 28 tầng ở New Orleans có hệ thống chịu lực ngang bao gồm khung chu vi với cột
có chiều rộng tiết diện là 1.5m đặt cách khoảng 7.62m, được giằng với nhau bởi dầm cao 1.53m
HỆ ỐNG VỚI CỘT BỐ TRÍ THƯA
TUBE SYSTEM WITH WIDELY SPACED COLUMNS
Trang 28KHUNG CỨNG VỚI DẦM CÓ NÁCH
Văn phòng cho thuê thường yêu cầu không gian không có cột giữa với chiềurộng khoảng 12m Để vượt nhịp 12m thì dầm cần có chiều cao khoảng760mm nếu dùng BTCT thường Lúc đó có thể phải tăng chiều cao tầng nhà,tăng thể tích của công trình, dẫn đến tăng các chi phí liên quan đến vách ngăn
và hệ thống điều hòa, vv…
Một phương án hiệu quả để giảm chiều cao hệ dầm sàn và các chi phí liênquan là dùng dầm có nách với chiều cao tiết diện thay đổi
KHUNG CỨNG VỚI DẦM CÓ NÁCH
Trang 29Lõi cứng được tạo thành từ hệ các vách cứng bố trí xung quanh khu vực thang máy,thang bộ và dịch vụ Đây là một hệ không gian có khả năng chịu moment uốn và lựccắt theo hai phương, và cả moment xoắn; đặc biệt khi có dầm lanh tô ở các lỗ trống.
Lõi cứng có thể có dạng hình chữ nhật đơn giản hoặc là tổ hợp phức tạp hơn của cácvách phẳng, tùy vào yêu cầu bố trí thang máy và thang bộ
LÕI CỨNG
LÕI CỨNG
Trang 30và khung, chúng sẽ tương tác với nhau để bảo đảm sự tương thích về chuyển vị ngang.
Tương tác vách-khung
KHUNG VÁCH
TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG
• Do vách biến dạng giống công-xon nên nó khá cứng ở tầng dưới, chuyển vị lệch tầng tại đó sẽ nhỏ hơn phân nửa của tầng gần đỉnh nhà Chuyển vị của vách tăng rất nhanh ở các tầng trên cùng
• Khung cứng thì lại có biến dạng cắt là chủ yếu, chuyển vị tầng phụ thuộc vào giá trị lực cắt tại tầng đó Mặc dù so với vách thì khung sẽ có chuyển
vị lớn hơn ở tầng dưới và nhỏ hơn ở tầng trên, nhưng chuyển vị lệch tầng của nó thì lại phân bố khá đều theo chiều cao
• Khi khung và vách kết hợp với nhau thông qua hệ thống sàn thì ứng suất cắt không đều sẽ phát sinh giữa khung và vách, hình thành nên một hệ kết cấu kinh tế hơn Sự tương tác này làm gia tăng độ cứng của hệ vì khung sẽ làm giảm chuyển vị của vách ở các tầng trên trong khi vách sẽ cản trở chuyển vị của khung ở các tầng dưới
Trang 31TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG
• Tuy nhiên sự kết hợp giữa shear mode của khung và bending mode củavách không phải lúc nào cũng rõ ràng và đơn giản như vậy Ví dụ, nếukhung có các cột gần nhau và được liên kết bởi các dầm có chiều cao lớnthì khung có xu hướng biến dạng giống một vách với biến dạng uốn làchính Mặt khác, nếu vách có lỗ cửa lớn thì vách sẽ làm việc gần giống nhưkhung với biến dạng cắt là chủ đạo
• Do đó, sự tương tác giữa vách và khung tùy thuộc vào độ cứng tương đối
và dạng biến dạng của chúng Mô hình tương tác cổ điển chỉ có thể xảy ranếu: (i) vách cứng và khung có độ cứng không đổi suốt chiều cao nhà;
hoặc (ii) nếu chúng có độ cứng thay đổi, thì độ cứng tương đối giữa vách
và khung phải không thay đổi suốt chiều cao nhà Do trong thực tế việc bốtrí kết cấu còn tùy thuộc vào kiến trúc nên các điều kiện (i) và (ii) thườngkhông được thỏa mãn Lúc đó, có thể phân tích kết cấu trên máy tính đểthấy được sự tương tác phức tạp giữa vách cứng và khung
TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG
Liên kết trượt
KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG P
VÁCH CHỊU TẢI TRỌNG P
VÁCH CHÈN KHUNG CHỊU TẢI TRỌNG P
KHUNG + VÁCH CHỊU TẢI TRỌNG
2P
Ví dụ (SAP2000)
Trang 32hệ thống khung-vách chịu tải trọng ngang.
Phân phối lực cắt
Tổng lực cắt tích lũy
Trang 33ỐNG KHUNG FRAME TUBE STRUCTURES
Hệ cột bố trí gần nhau với các dầm cao ở chu vi nhà làm việc như một xon thẳng đứng với tiết diện dạng hộp rỗng Chuyển vị ngang do biến dạng dọctrục cột, biến dạng cắt và uốn của các dầm biên và cột có thể khá lớn tùy vàodạng hình học của nhà Nếu tỷ số hai cạnh trên mặt bằng lớn hơn 2.5 thì cầndùng thêm hệ giằng ngang để hạn chế chuyển vị công trình Các yếu tố ảnhhưởng đến hiệu quả kinh tế của dạng kết cấu này là khoảng cách và kích thướccột, chiều cao của dầm biên, và tỷ số các cạnh mặt bằng nhà Hệ hộp khung cóthể dùng cho nhà cao trên 40 tầng
công-ỐNG KHUNG FRAME TUBE STRUCTURES
Hiện tượng phân bố lực không đều (shear lag) trong kết cấu ống.
Phân bố ứng suất cắt
Biến dạng của phần tử cánh do ứng suất cắt
Hộp công-xon chịu
trục trong hộp vuông
Trang 34ỐNG KHUNG FRAME TUBE STRUCTURES
Xét hệ như hình vẽ, lực ngang làm các cột
góc chịu lực kéo T và lực nén C Các khung bụng (web frames, song song hướng
gió) còn có biến dạng uốn và trượt Độmềm của dầm làm tăng lực dọc ở các cộtgóc và giảm lực dọc ở các cột giữa
Sự tương tác giữa khung bụng với khung
cánh (flange frames, vuông góc với hướng
gió) chủ yếu là do chuyển vị dọc trục của
các cột góc Ví dụ, khi cột C chịu nén thì
nó có xu hướng làm nén cột C 1bên cạnh
vì chúng được nối với nhau bởi dầm biên
Biến dạng dọc trục của cột C 1sẽ khác với(nhỏ hơn) cột C vì dầm nối hai cột này bị
uốn Cột C 1 lại làm nén cột C 2, vv… Ứngsuất ở các cột giữa sẽ nhỏ hơn các cột góc,
gọi là hiện tượng shear lag.
ỐNG CÓ GIẰNG CHÉO
EXTERIOR DIAGONAL TUBE
Onterie Center in Chicago
• Hệ giằng chéo được đưa vào mặt ống
để giảm thiểu hiện tượng shear lagtrong cả khung bụng và khung cánh,tăng hiệu quả chịu tải trọng ngang củakết cấu
• Ví dụ, công trình Onterie Center cao 58tầng ở Chicago Tải trọng ngang đượcchịu bởi hệ cột biên đặt gần nhau cùngcác dầm cao theo chu vi nhà Ngoài ra,một số vị trí cửa sổ được đúc bê tôngtạo thành hệ giằng chéo, tăng độ cứngngang cho công trình Lúc này các cộttrong nhà chỉ được thiết kế để chịu tảitrọng đứng, tạo sự thuận tiện khi bố tríkhông gian kiến trúc
Trang 35BÓ ỐNG BUNDLED TUBE
Kết hợp hai hay nhiều ống thành một
bó để giảm hiệu ứng shear lag
Công trình One Magnificent Mile ở Chicago có ba ống khung hình lục giác có chiều cao 57, 49 và 22 tầng
BÓ ỐNG BUNDLED TUBE
Sears Tower, Chicago, Illinois
Trang 36Đây là hệ kết cấu mới, thích hợp cho nhà siêu cao Các vách xương sống (spinewalls) chạy dọc chiều dài nhà chịu tải ngang tác dụng song song với hành lang.
Theo phương vuông góc hành lang có các vách ngang nối vào vách xương sống
Sàn hoặc các dầm nối sẽ liên kết hệ vách Để tăng khả năng chống xoắn, có thể
bố trí thêm vách quanh ô thang máy và thang bộ
VÁCH XƯƠNG SỐNG SPINAL WALL SYSTEMS
Ví dụ: Tháp Burj Dubai (Dubai, UAE) có mặt bằng chữ Y, mỗi cánh có lõi và cột chu vi riêng, các cánh tựa vào nhau qua một lõi 6 mặt
OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM
Hệ thống này gồm một lõi chính liên kết với các cột biên bởi các phần tửngang có độ cứng lớn như các vách có chiều cao bằng 1-2 tầng nhà gọi là các
outriggers Lõi có thể nằm giữa nhà với outriggers vươn ra từ cả bốn hướng,
hoặc nằm ở một bên của công trình với outriggers vươn ta theo một hướng đếncác cột biên
Trang 37OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM
Có thể dùng khung vierendeel cóchiều cao bằng một vài tầnghoặc dùng dầm có nách ở tất cảcác tầng, để làm outrigger
OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM
Nguyên lý:
Khi chịu tải trọng ngang, outriggersđược giằng bởi cột sẽ hạn chế sự xoaycủa lõi cứng, từ đó làm giảm moment
và chuyển vị ngang của lõi Momentngoại lực sẽ không còn được chịu bởiriêng lõi cứng, mà còn bởi lực kéo vànén trong các cột biên nối kết với lõithông qua outrigger Việc tham giachịu lực ngang của cột biên cũng làmtăng chiều cao hiệu quả của cả hệ
Đểhuy động nhiều cột biên cùng chịu tải ngang, ta có thể dùng vách vành đai(belt wall) có chiều cao bằng 1-2 tầng nhà để liên kết các cột biên xung quanhchu vi nhà
Trang 38OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM
Biến dạng dọc trục của cộtbiên: giãn ra ở phía đón gió và
co lại ở cột phía khuất gió, sẽlàm giảm góc xoay của lõicứng giảm moment uốn vàchuyển vị ngang
Hệ vách mũ (cap wall system)
Tie-down action
OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM
Trang 39OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM
Vị trí tối ưu để bố trí outrigger
Trang 40KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG
BÀI 4
Lý tưởng hóa kết cấu nhà một tầng, không cản
Dao động tự do không cản, sau khi mái nhà có
dịch chuyển ban đầu u 0
Dao động mãi mãi phi thực tế
Kết cấu đơn giản nhất
KẾT CẤU ĐƠN GIẢN
