9 1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về kết cấu vỏ dàn lưới thép nhà cao tầng ..... 1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam về kết cấu vỏ dàn lưới thép nhà cao tầng .... DANH MỤC CÁC KÝ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
_
PHẠM TUẤN HƯNG
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ KẾT CẤU
VỎ DÀN LƯỚI THÉP NHÀ CAO TẦNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP
Hà Nội – 2016
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
_
PHẠM TUẤN HƯNG KHÓA : 2014 – 2016
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ KẾT CẤU
VỎ DÀN LƯỚI THÉP NHÀ CAO TẦNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số : 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS LÊ XUÂN TÙNG
Hà Nội – 2016
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tác giả bày tỏ tình cảm biết ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Sau đại học, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã dạy đỗ, giúp đỡ và chỉ dẫn tác giả hoàn thành chương trình cao học
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Tiểu ban đánh giá đề cương và kiểm tra tiến độ, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho bản thảo luận văn của tác giả Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn TS Lê Xuân Tùng đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi, cũng như cung cấp tài liệu và động viên tác giả trong quá trình hoàn thiện luận văn
Tác giả xin trân trọng cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường, các cán bộ của Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành khóa học
Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2016
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Phạm Tuấn Hưng
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Phạm Tuấn Hưng
Trang 5MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài 1
* Mục đích nghiên cứu 1
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
* Phương pháp nghiên cứu 2
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
* Cấu trúc luận văn 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3
1.1 Giới thiệu tổng quan các dạng kết cấu nhà cao tầng 3
1.1.1Các dạng kết cấu nhà cao tầng 3
1.1.2 Hệ kết cấu vỏ dàn lưới thép nhà cao tầng 9
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về kết cấu vỏ dàn lưới thép nhà cao tầng 11
1.2.1 Các nghiên cứu lý thuyết 11
1.2.2 Giới thiệu về các công trình thực tế sử dụng hệ kết cấu vỏ dàn lưới thép 14
Trang 61.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam về kết cấu vỏ dàn lưới thép nhà cao
tầng 21
1.4 Đánh giá về các kết quả nghiên cứu 22
CHƯƠNG 2 CƠ SỞKHOA HỌC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ KẾT CẤU VỎ DÀN LƯỚI THÉP 23
2.1 Phương pháp xác định góc nghiêng tối ưu của thanh xiên trong hệkết cấu vỏ dàn lưới thép 23
2.1.1 Nghiên cứu lý thuyết kết cấu vỏ dàn lưới thép 23
2.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu vỏ dàn lưới thép 30
2.2 Phương pháp thiết kế sơ bộ kích thước tiết diện 36
2.3 Phân phối độ cứng giữa vỏ dàn lưới thép và kết cấu bên trong 38
2.3.1 Sự làm việc độc lập của kết cấu vỏ dàn lưới thép 38
2.3.2 Sự làm việc tổng thể của kết cấu vỏ dàn lưới thép với hệ khung bên trong 40
2.4Phân tích hiệu ứng làm việc không gian của hệ kết cấu vỏ dàn lưới thép 42
2.4.1 Phân tích môđun vỏ dàn lưới thép 42
2.4.2 Phân tích hiệu ứng làm việc không gian 44
CHƯƠNG 3 VÍ DỤ ÁP DỤNG 49
3.1 Lựa chọn phương án kết cấu hợp lý 49
3.1.1 Sơ đồ tính các phương án 50
3.1.2 Tải trọng tác dụng lên công trình 52
3.1.3 Kết quả tính toán 55
3.1.4 Nhận xét và kết luận 57
3.2 Ví dụtính toán 57
3.2.1Giới thiệu hệ kết cấu của phương án đã chọn 57
3.2.2 Xác định sơ bộ kích thước của cấu kiện 58
Trang 73.2.3 Mô hình hệ kết cấu bằng phần mềm Etabs 9.7.4 63
3.2.4 Tính tải trọng gió tĩnh và tải trọng gió động 68
3.2.5Tính tải trọng động đất 74
3.2.6Biểu đồ nội lực hệ kết cấu 78
3.2.7Biểu đồ nội lực hệ kết cấu trong một số trường hợp 84
3.2.8Kiểm tra tiết diện giằng 94
3.2.9Thiết kế một số liên kết 96
3.2.10 Nhận định kết quả 100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 101
Kiến nghị 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 8DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ad,w Diện tích mặt cắt ngang của thanh xiên ở phần bụng
Ad,f Diện tích mặt cắt ngang của thanh xiên ở phần cánh
σd Ứng suất của thanh
εd Biến dạng của thanh
E Môđun đàn hồi của thép
γ Biến dạng do cắt
χ Biến dạng do uốn
nw Số thanh xiên ở phần bụng
nf Số thanh xiên ở phần cánh
B Kích thước công trình theo phương lực tác dụng
H Chiều cao công trình
θ Góc nghiêng thanh xiên
f Tỷ số biến dạng của thanh bụng do V gây ra và biến dạng của thanh
cánh do M gây ra
NG,mod Lực tác dụng của trọng lực G lên một môđun
NW,mod Lực tác dụng của lực mômen MW lên một môđun
VW,mod Lực tác dụng của tải trọng ngang W lên một môđun
NdG Lực dọc trong thanh xiên của môđun dưới tác dụng của NG,mod
NcG Lực dọc trong thanh ngang của môđun dưới tác dụng của NG,mod
NdM Lực dọc trong thanh xiên của môđun dưới tác dụng của NW,mod
NcM Lực dọc trong thanh ngang của môđun dưới tác dụng của NW,mod
NdV Lực dọc trong thanh xiên của môđun dưới tác dụng của VW,mod
NcV Lực dọc trong thanh ngang của môđun dưới tác dụng của VW,mod
Trang 9DANH MỤCBẢNG
Bảng 2.1 Thông số hình học của công trình
Bảng 2.2 Chu kỳ dao động và chuyển vị của mô hình 1
Bảng 2.3 Chu kỳ dao động và chuyển vị của mô hình 2
Bảng 2.4 Tải trọng áp dụng cho công trình
Bảng 2.5 Phân phối tải trọng tác dụng lên vỏ dàn lưới và kết cấu
bên trong Bảng 3.1 Tải trọng gió tĩnh theo phương ngang
Bảng 3.2 Chu kỳ dao động theo phương X-X
Bảng 3.3 Chu kỳ dao động theo phương Y-Y
Bảng 3.4 Kết quả chuyển vị ở đỉnh công trình khi chịu tải trọng
gió tĩnh và động đất El Centro Bảng 3.5 Nội lực trong cấu kiện dầm
Bảng 3.6 Kết quả tải trọng gió tĩnh
Bảng 3.7 Chu kỳ dao động riêng của công trình
Bảng 3.8 Kết quả tải trọng gió động
Bảng 3.9 Các dạng dao động theo phương X
Bảng 3.10 Các dạng dao động theo phương Y
Bảng 3.11 Kết quả tải trọng động đất
Bảng 3.12 Nội lực thanh giằng X
Trang 10DANH MỤCBIỂU ĐỒ
Biểu đồ 1.1 Góc nghiêng tối ưu – So sánh với 3 trường hợp nghiên cứu Biểu đồ 1.2 Quan hệ giữa Δ H và θ
Biểu đồ 1.3 Quan hệ giữa tổng khối lượng thép và góc nghiêng θ Biểu đồ 2.1 Quan hệ giữa tỷ số H/B và góc nghiêng tối ưu
Biểu đồ 2.2 Chuyển vị ngang ở đỉnh với góc tương ứng của mô hình 1 Biểu đồ 2.3 Chuyển vị ngang ở đỉnh với góc tương ứng của mô hình 2 Biểu đồ 2.4 Chuyển vị ngang ở đỉnh của công trình 42 tầng với các
góc nghiêng khác nhau Biểu đồ 2.5 Chuyển vị ngang ở đỉnh của công trình 20 tầng với các
góc nghiêng khác nhau Biểu đồ 2.6 Chuyển vị ngang ở đỉnh với các góc nghiêng khác nhau Biểu đồ 2.7 Góc nghiêng thanh xiên tối ưu với số tầng khác nhau Biểu đồ 2.8 Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số H/B với f
Biểu đồ 2.9 So sánh độ cứng của vỏ dàn lưới thép và lõi giằng
Biểu đồ 2.10 Phân bố tải trọng lên vỏ dàn lưới thép và hệ thanh bên
trong
Trang 11DANH MỤCHÌNH VẼ
Hình 1.1 Kết cấu nhà kiểu khung cứng
Hình 1.2 Kết cấu nhà kiểu khung giằng
thép Hình 1.10 Công trình John Hancock Building ở Chicago (1969) Hình 1.11 Kết cấu khung giằng và kết cấu vỏ dàn lưới thép
Hình 1.12 Ba công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu vỏ dàn lưới thép Hình 1.13 Swiss Re : Sơ đồ kích thước thanh xiên trong FEM
Hình 1.14 Thi công vỏ dàn lưới thép Swiss Re Building
Hình 1.15 Nút liên kết vỏ dàn lưới thép Swiss Re Building
Hình 1.16 Cấu kiện điển hình hình chữ “A” của vỏ dàn lưới thép
Swiss Re Building Hình 1.17 Hearst Tower : Sơ đồ kích thước thanh xiên trong FEM Hình 1.18 Thi công vỏ dàn lưới thép Hearst Tower
Hình 1.19 Nút liên kết vỏ dàn lưới thép Hearst Tower
Hình 1.20 Guangzhou West Tower : Kích thước thanh xiên và hình
ảnh thi công thực tế
Trang 12Hình 2.1 Một môđun dàn lưới điển hình
Hình 2.2 Sự làm việc chịu trượt của đoạn nhà
Hình 2.3 Đồ thị hàm số : y = cos 2 θ sinθ
Hình 2.4 Biến dạng uốn của đoạn nhà
Hình 2.5 Nội lực trong các thanh xiên của dàn cánh khi chịu uốn Hình 2.6 Hai trường hợp chịu lực điển hình
Hình 2.7 Mô hình hóa công trình bằng phần mềm Sap2000
Hình 2.8 Kết cấu 60 tầng với các góc nghiêng thanh xiên khác
nhau Hình 2.9 Tách riêng hai kết cấu vỏ dàn lưới thép và lõi giằng Hình 2.10 Môđun hệ kết cấu vỏ dàn lưới thép dưới tác dụng của các
lực cơ bản Hình 2.11 Ảnh hưởng của trọng lực trên thanh xiên môđun
Hình 2.12 Môđun vỏ dàn lưới thép dưới tác dụng của tải trọng
thẳng đứng và ảnh hưởng của sự uốn cong Hình 2.13 Môđun vỏ dàn lưới thép dưới tác dụng của tải trọng
ngang và ảnh hưởng của sự uốn cong Hình 2.14 Sự truyền tải lực trong hệ kết cấu vỏ dàn lưới thép
Hình 3.1 Mặt bằng kết cấu tầng điển hình
Hình 3.2 Sơ đồ tính và phương án kết cấu vỏ dàn lưới thép có sử
dụng cột biên Hình 3.3 Sơ đồ tính và phương án kết cấu vỏ dàn lưới thép không
sử dụng cột biên Hình 3.4 Sơ đồ tính và phương án kết cấu vỏ dàn lưới thép dạng tổ
ong không có cột biên Hình 3.5 Giản đồ gia tốc trận động đất El Centro
Hình 3.6 Tiết diện dàn lưới biên công trình
Hình 3.7 Mô hình hệ kết cấu trong Etabs
Trang 13Hình 3.8 Mặt đứng công trình (Công trình đối xứng theo cả 2
phương) Hình 3.9 Mặt bằng tầng 20
Hình 3.10 Mặt bằng tầng 21
Hình 3.11 Mặt bằng tầng 22
Hình 3.12 Mặt bằng tầng 23
Hình 3.13 Các trường hợp tải trọng đưa vào Etabs
Hình 3.14 Biểu đồ lực dọc (N) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
(TH1) Hình 3.15 Biểu đồ lực căt (Q) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
(TH1) Hình 3.16 Biểu đồ mômen (M) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng
đứng (TH1) Hình 3.17 Biểu đồ lực dọc (N) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng gió X (TH6) Hình 3.18 Biểu đồ lực cắt (Q) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng gió X (TH6) Hình 3.19 Biểu đồ mômen (M) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng
đứng và tải trọng gió X (TH6) Hình 3.20 Biểu đồ lực dọc (N) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng động đất (TH10) Hình 3.21 Biểu đồ lực cắt (Q) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng động đất (TH10) Hình 3.22 Biểu đồ mômen (M) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng
đứng và tải trọng động đất (TH10) Hình 3.23 Biểu đồ lực dọc (N) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
(TH1) Hình 3.24 Biểu đồ lực cắt (Q) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
(TH1) Hình 3.25 Biểu đồ mômen (M) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng
đứng (TH1) Hình 3.26 Biểu đồ lực dọc (N) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng gió X (TH6) Hình 3.27 Biểu đồ lực cắt (Q) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng gió X (TH6)
Trang 14Hình 3.28 Biểu đồ mômen (M) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng
đứng và tải trọng gió X (TH6) Hình 3.29 Biểu đồ lực dọc (N) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng động đất (TH10) Hình 3.30 Biểu đồ lực cắt (Q) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng đứng
và tải trọng động đất (TH10) Hình 3.31 Biểu đồ mômen (M) của hệ kết cấu khi chịu tải trọng
đứng và tải trọng động đất (TH10) Hình 3.32 Biểu đồ lực dọc (N) của hệ kết cấu khi chịu tải
Hình 3.33 Biểu đồ lực cắt (Q) của hệ kết cấu khi chịu tải
Hình 3.34 Biểu đồ mômen (M) của hệ kết cấu khi chịu tải
Hình 3.35 Chiều dài tính toán thanh giằng
Hình 3.36 Liên kết giữa dầm chính và dầm phụ
Hình 3.37 Chi tiết liên kết với nút của dàn lưới
Hình 3.38 Chi tiết liên kết giữa dầm chính loại 2 với nút của của dàn
lưới
Trang 15MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
- Các nhà cao tầng hiện nay có một dạng kết cấu phổ biến là khung kết hợp lõi và vách Chức năng đặc thù của các kết cấu này là: khung chịu tải trọng đứng, lõi chịu tải trọng ngang, vách tăng khả năng chịu xoắn Điều này cũng làm tăng rủi ro nếu một trong ba kết cấu này bị phá hủy hoặc không đủ khả năng chịu lực Hơn nữa, những cấu kiện này tập trung tải trọng xuống móng, dẫn đến yêu cầu giải pháp móng phức tạp và khi xảy ra lún lệch sẽ làm phát sinh thêm nội lực trong kết cấu
- Một kết cấu cao tầng mới là cấu trúc vỏ dàn lưới thép.Vỏ là mạng lưới các thanh thép đan chéo nhau, kết nối tại các nút, hỗ trợ lẫn nhau Chúng tạo ra một hệ thống kết cấu không gian dạng vỏ cứng, tiếp nhận tải trọng của các tầng nhà và tải trọng ngang Hệ kết cấu này tạo ra hiệu ứng làm việc không gian trong toàn vỏ kể cả khi có một tải trọng tác dụng tại một điểm trên vỏ
Do vậy phát huy sự làm việc đồng thời của các thanh nên tiết diện các thanh cho phép thanh mảnh và không có sự cố sụp đổ toàn nhà khi một số thanh bị phá hủy
Do vậy, vấn đề nghiên cứu sự làm việc của kết cấu vỏ dàn lưới thép nhà cao tầng là cấp thiết
* Mục đích nghiên cứu
- Đặc điểm chịu lực của hệ kết cấu vỏ dàn lưới thép phụ thuộc chủ yếu vào góc nghiêng giữa các thanh xiên và mặt phẳng ngang Cho nên khi thiết kế cần chọn một góc nghiêng hợp lý để đem lại hiệu quả cao trong việc tăng độ cứng công trình và tiết kiệm vật liệu
- Sự làm việc tổng thể của kết cấu vỏ dàn lưới thép với hệ khung bên trong
- Sự làm việc độc lập của kết cấu vỏ dàn lưới thép
- Chỉ ra hiệu ứng làm việc không gian của kết cấu vỏ dàn lưới thép
Trang 16- Đưa ra những khuyến cáo về sự làm việc của hệ kết cấu này
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nhà cao tầng có kết cấu vỏ dàn lưới thép
- Phạm vi nghiên cứu: Không tính toán và thiết kế chi tiết liên kết, cấu kiện
* Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập các nghiên cứu tiêu biểu liên quan về nhà cao tầng sử dụng hệ kết
cấu vỏ dàn lưới thép
- Sử dụng phương pháp giải tích và phương pháp phân tích kết cấu trên phần mềm ETABSđể thực hiện với nhiều ví dụ và nhận định kết quả
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài muốn chỉ ra những hiệu ứng làm việc đặc biệt hiệu quả của hệ kết cấu
vỏ dàn lưới thép nhà cao tầng mà các kết cấu khác không có được
* Cấu trúc luận văn
Ngoài phần MỞ ĐẦU và KẾT LUẬN, luận văn có phần NỘI DUNG bao gồm 3 chương :
- CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
- CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ KẾT CẤU VỎ DÀN LƯỚI THÉP
- CHƯƠNG 3 : VÍ DỤ ÁP DỤNG
Trang 17Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
Trang 18KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Các kết quả chính đạt được của luận văn bao gồm :
- Nghiên cứu được phương pháp lựa chọn góc nghiêng của các thanh xiên trong kết cấu vỏ dàn lưới thép
-Phân tích được sự làm việc không gian của hệ kết cấu vỏ dàn lưới thép dưới tác động của các loạitải trọng
- Chỉ ra hiệu quả làm việc đồng thời của các thanh giằng trong cả hệ kết cấu nhằm giảm thiểu các rủi ro khi có một số thanh bị phá hoại cũng như giúp các thanh có tiết diện đồng đều và không lớn
- So sánh được ba phương án kết cấu khác nhau của nhà 44 tầng, cho thấy phương án kết cấu vỏ dàn lưới thép hiệu quả hơn cả
Kiến nghị
-Kết cấu vỏ dàn lưới thép tạo cho công trình nhẹ nhưng lại có độ cứng cao, vật liệu có khả năng tái sử dụng, thi công nhanh nên phù hợp với các công trình nhà cao tầng và siêu cao tầng
Hướng nghiên cứu
-Hướng nghiên cứu tiếp theo là về kết cấu vỏ dàn lưới thép hai lớp để so sánh hiệu quả làm việc với kết cấu vỏ dàn lưới thép một lớp