Thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển trong nhà nhiều tầng một só ứng dụng thực tế

Ở nước ta và trên thế giới đã có nhiều công trình nhà nhiều tầng áp dụng giải pháp thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển như: Ánh Dương - Soleil Đà Nẵng, Keangnam Hà Nội, Trump Tower Mỹ,.... Ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Phản biện 1: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 2: TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 27 tháng 01 năm

2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp Trường Đại học

Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Nhà nhiều tầng là một giải pháp kiến trúc tối ưu để giải quyết vấn

đề sử dụng hiệu quả quỹ đất và không gian sống cho các đô thị lớn trên thế giới Thực tế, nhà nhiều tầng ở nước ta và các nước trên thế giới đang ngày càng được xây dựng nhiều về số lượng và quy mô

Do yêu cầu của sử dụng và kiến trúc, một số công trình đôi khi có kết cấu theo chiều đứng thay đổi Giải pháp kết cấu thường được sử dụng là hệ kết cấu chuyển như dầm chuyển (transfer beam)

Ở nước ta và trên thế giới đã có nhiều công trình nhà nhiều tầng

áp dụng giải pháp thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển như: Ánh Dương - Soleil (Đà Nẵng), Keangnam (Hà Nội), Trump Tower (Mỹ), Đối với một công trình thực tế, do yêu cầu kiến trúc mà việc bố trí các dầm chuyển có thể rất linh hoạt và đa dạng Sử dụng phương pháp giàn ảo (Strut and Tie Method), quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 318 – 08 để chọn mô hình giàn ảo những trường hợp này do đó cũng phải phù hợp Việc thiết kế những trường hợp như vậy có thể làm các tính toán điển hình cho thực hành Xuất phát từ những lý do trên mà tác giả lựa chọn và nghiên cứu đề tài này

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mô phỏng sơ đồ kết cấu trên phần mềm Etabs và xác định ngoại lực tác dụng lên dầm chuyển

Phân tích lý thuyết tính toán và cấu tạo dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 318 - 14 Thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển cho các trường hợp cụ thể có thực trong thực tế: dầm đỡ cột, dầm đỡ vách cứng, dầm công sôn Đưa ra các lời khuyên khi thiết kế kết cấu dầm chuyển

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: dầm chuyển bằng bê tông cốt thép không ứng lực trước trong nhà nhiều tầng

Phạm vi nghiên cứu: thiết kế kết cấu dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 318 – 14

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tác giả tìm hiểu, tổng hợp các văn bản, tài liệu đã có, các tư liệu thực tế, phân tích, tổng hợp lý thuyết Đồng thời kế thừa, vận dụng các kết quả nghiên cứu đã thực hiện trước đây và xây dựng lý thuyết tính toán

Phương pháp số: lập mô hình phân tích bằng phần mềm Etabs

để phân tích ứng xử và xác định ngoại lực tác dụng lên dầm chuyển Phương pháp nghiên cứu thực tiễn, đó là thực hành tính toán trên một số công trình thực tế

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể được sử dụng:

- Tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành xây dựng tại các trường Đại học, Cao đẳng, công ty Tư vấn thiết kế xây dựng

- Đưa ra lời khuyên khi thiết kế công trình nhà nhiều tầng

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo thì trong luận gồm có 3 chương như sau:

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG Chương 2: THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN CỦA MỘT SỐ CÔNG TRÌNH THỰC TẾ

CHƯƠNG 1 – KHÁI QUÁT VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHÀ NHIỀU TẦNG

Uỷ ban quốc tế về nhà cao tầng đã đưa ra định nghĩa như sau: nhà nhiều tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng tới ý đồ và cách thức thiết kế Hoặc nói cách tổng quát hơn: một công trình xây dựng được xem là nhiều tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc

sử dụng khác với các nhà thông thường [7, 10]

1.2 PHÂN LOẠI NHÀ NHIỀU TẦNG

Phân loại theo: mục đích sử dụng, chiều cao, hình dạng, vật liệu

1.3 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN NHÀ CAO TẦNG

Thế giới: năm 1880 bắt đầu có nhà cao tầng Ngày nay, xuất hiện nhiều ở các nước Mỹ, UAE, Trung Quốc, Quatar,

Việt Nam: năm 1990 bắt đầu có nhà cao tầng Hiện nay, có nhiều

ở các thành phố lớn: Hà Nội, Đà Nẵng, Tp Hồ Chí Minh,

1.4 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG

- Tải trọng thẳng đứng: tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời

- Tải trọng ngang: tải trọng gió, tải trọng động đất

- Các loại tải trọng khác: co ngót, từ biến của bê tông, lún không đều, hỏa hoạn, cháy nổ, va đập thiết bị,…

1.5 CÁC VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ NHÀ NHIỀU TẦNG

Thỏa mãn yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng; Đảm bảo độ bền và ổn định, đảm bảo độ cứng và chuyển vị ngang; Chùng ứng suất, co ngót hay giãn nở vật liệu do nhiệt độ; Chống cháy, thoát hiểm an toàn, kháng chấn cao, giảm trọng lượng bản thân

1.6 SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 1.6.1 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản của nhà cao tầng

Nhóm các hệ cơ bản: hệ khung, hệ tường, hệ lõi, hệ hộp

Nhóm các hệ hỗn hợp: tạo thành từ sự kết hợp hai hay nhiều hệ cơ bản trên

1.6.2 Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang

Đối với mô men uốn: các kết cấu vuông góc với mặt phẳng uốn và cách xa trục uốn có xu hướng chịu tải trọng lớn

Đối với lực cắt ngang: bố trí kết cấu dạng tổ hợp để có tiết diện ngang lớn, các kết cấu dạng dải theo phương của tải trọng ngang Đối với mô men xoắn: các kết cấu thành phần cần phải bố trí sao cho càng đối xứng càng tốt, tâm cứng của toàn bộ hệ kết cấu càng gần với tâm khối lượng và điểm đặt của hợp lực tải trọng ngang [8]

1.7 CÁC HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG 1.7.1 Kết cấu cao tầng kiểu khung giằng (braced frames)

Trong khung giằng, dầm và cột ngoài nhiệm vụ chính chịu tải đứng, còn kết hợp với các thanh giằng xiên tạo ra miếng cứng dạng giàn có thể chịu tải ngang rất tốt

Các thanh xiên trong hệ giàn có vai trò chịu lực cắt ngang Do chúng chỉ tồn tại lực dọc nên tận dụng được tối đa khả năng của vật liệu dẫn đến kích thước tiết diện bé

1.7.2 Kết cấu cao tầng kiểu khung cứng (rigid frames)

Khung cứng được cấu tạo bởi hệ dầm và cột giao vuông góc với nhau, liên kết tại nút là liên kết cứng giúp chịu được mô men Khung cứng vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang

1.7.3 Kết cấu cao tầng kiểu vách ngang (shear wall)

Kiểu nhà này có kết cấu chịu tải ngang là cách vách ngang phẳng, vách ngang thường làm bằng bê tông cốt thép và được kết hợp chịu tải đứng Chiều cao có thể đạt 35 tầng

1.7.4 Kết cấu cao tầng có vách ngang tương tác (coupled shear wall structures)

Kiểu kết cấu này các vách ngang chỉ tương tác với nhau thông qua sàn cứng vô hạn trong mặt phẳng của nó Vách phân phối lực qua các lực dọc xuất hiện trong sàn

1.7.5 Kết cấu nhà cao tầng Outtriger

Kết cấu bao gồm lõi cứng đặt ở giữa, các cột bố trí xung quanh chu vi Cột làm việc chung với lõi cứng thông qua các dầm cứng nằm ngang

1.7.6 Kết cấu nhà cao tầng kiểu khung-vách

Đây là dạng kết cấu kết hợp giữ khung cứng và vách ngang chịu lực

1.7.7 Kết cấu nhà cao tầng dạng lõi

Trong dạng nhà này, một lõi cứng đặt giữa nhà chịu toàn bộ tải trọng đứng và ngang của công trình Các tấm sàn được đỡ bởi công sôn ngàm vào lõi Một số trường hợp bố trí thêm các cột xung quanh chu vi công trình và bố trí dầm biên để sàn tựa

1.7.8 Kết cấu nhà cao tầng dạng ống

Lưới cột ở chu vi nhà được bố trí gần nhau, kết hợp với dầm có độ cứng lớn tạo ra tấm rất cứng Các tấm khung cứng quanh chu vi tạo nên một tiết diện ống (tube)

1.8 NHÀ CAO TẦNG CÓ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN 1.8.1 Khái quát về nhà cao tầng có hệ kết cấu dầm chuyển

a) b)

Hình 1.8 Một dạng nhà hệ kết cấu có hệ thống dầm chuyển

a) Sơ đồ dầm chuyển đỡ khung b) Hình ảnh thực tế của dầm chuyển

Để đáp ứng các yêu cầu của sử dụng và kiến trúc, các tầng bên dưới cần phải bố trí các cột thưa để tạo được các không gian rộng, còn ở các tầng trên thì cột được bố trí dày để giảm kích thước dầm hoặc sử dụng kết cấu tường chịu lực Dầm giữa các tầng có sự thay đổi như được gọi là các dầm chuyển [9]

1.8.2 Khái niệm và phân loại dầm chuyển

1.8.2.1 Khái niệm dầm chuyển

Dầm chuyển là loại kết cấu thường cao và rộng được sử dụng để truyền tải trọng từ các vách cứng, từ các cột của các kết cấu bên trên xuống các kết cấu thanh bên dưới hoặc là một dầm công sôn [1, 9]

1.8.2.2 Phân loại dầm chuyển

Phân loại theo: chức năng sử dụng, vật liệu chế tạo, số nhịp dầm

1.8.3 Sơ lược về sự phát triển của nhà nhiều tầng có hệ kết cấu dầm chuyển

Thế giới: những năm 1960 có công trình sử dụng dầm chuyển đầu tiên (Brunswich Building) Từ đó đến nay đã có nhiều công trình có dầm chuyển: Trump Tower, Burj Khalifa,

Việt Nam: năm 1997 có công trình sử dụng dầm chuyển đầu tiên (Khách sạn Melia Hà Nội) Từ đó đến nay đã có nhiều công trình có dầm chuyển: Keangnam, Vinpearl Condotel Đà Nẵng,

1.8.4 Đặc điểm thi công dầm chuyển

Thi công dầm chuyển phức tạp, kỹ thuật cao, tốn nhiều thời gian hơn so với thi công dầm bê tông cốt thép thông thường

1.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Để đáp ứng công năng và các thay đổi về kiến trúc theo chiều đứng trong nhà cao tầng thì giải pháp thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển

thường được sử dụng Thiết kế, thi công dầm chuyển có nhiều khác biệt so với dầm bê tông cốt thép thường

CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO 2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM CHUYỂN

Có độ cứng và tiết diện hình học tương đối lớn Dầm chuyển chịu tải trọng trên một mặt và được đỡ trên mặt đối diện

Nhịp thông thủy bé hơn hoặc bằng 4 lần chiều cao của dầm một nhịp và 5 lần chiều cao của dầm liên tục

Tải trọng tập trung xuất hiện gần vị trí gối đỡ [4]

2.2 PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO THIẾT KẾ HỆ DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG

2.2.1 Tính toán hệ dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo

2.2.1.1 Khái niệm chung về phương pháp giàn ảo

Là một phương pháp đơn giản và trực quan, dựa trên nguyên lý cân bằng tĩnh lực Trọng tâm của phương pháp này là việc lựa chọn một mô hình giàn ảo (Strut and Tie Model) hợp lý để mô tả đường truyền tải trọng trong dầm Đồng thời tiến hành thiết kế dầm chuyển dựa trên các nội lực tính được trong các thanh trong các thanh giàn

2.2.1.2 Các vùng không liên tục

Là vùng có trạng thái ứng suất phức tạp, phân bố biến dạng là phi tuyến lớn, do không liên tục hình học hoặc không liên tục tĩnh học (tải trọng), giả thiết Bernoulli không còn giá trị đối với vùng D

2.2.1.3 Phương pháp thiết kế và mô hình giàn ảo

Sử dụng phương pháp đường tải trọng để phát triển mô hình giàn

ảo Kết hợp phân tích ứng xử trong dầm để lựa chọn mô hình giàn

ảo Các bộ phận của mô hình giàn ảo gồm: thanh chống (Strut), thanh giằng (Tie) và các vùng nút (Nodal zone)

(2.3b) (2.3a)

(2.4) (2.5)

(2.6)

(2.3c)

(2.11) (2.7)

2.2.1.4 Một số lưu ý của mô hình giàn ảo

Bê tông có thể chịu đựng được chỉ ở một khoảng giới hạn của

biến dạng dẻo; Chọn một phân phối của các thanh chống và các

thanh giằng mà hướng và độ lớn của các nội lực tính bằng phân tích

đàn hồi; Các cấu kiện phải có độ dẻo thích hợp cho sự phân phối tải

trọng theo đường dẫn như đã chỉ định

2.2.1.5 Các bước tính toán dầm chuyển theo phương pháp giàn

ảo quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-14

a Các bước tính toán

- Bước 1: nhận biết và cô lập các vùng D

- Bước 2: xác định mô hình giàn ảo

- Bước 3: tính nội lực trong các thanh giàn và kiểm tra ứng suất

- Bước 4: tính, chọn và bố trí cốt thép

Góc nghiêng của các thanh (θ) trong mô hình không được chọn

nhỏ hơn 25o để tránh thanh kéo quá dài và thanh chống quá ngắn

b Một số công thức tính toán có liên quan [1, 13, 16, 17, 19]

 Khả năng chịu uốn của dầm chuyển theo mục 9.5 của [16]

A d f



 Điều kiện chịu lực tại nút: F n F u

 Khả năng chịu lực của thanh chống: F nsf A cu c

 Khả năng chịu lực của vùng nút: F nn f cu A c

' 2

85

d s

8.30412

5/

2

003 0 sin sin

i

i s

f

d f



bd f

f c / y04

(2.12)

 Tính bề rộng của nút: w u

req cu

 Tính bề rộng thanh chống xiên trong vùng D

Wprov = Wst = wtcosθ + lbsinθ

Hình 2.12 Phương pháp xác định vùng nút kiểu C-C-T và kiểu C-C-C

 Kiểm tra ứng suất tại vị trí đặt lực, tại gối tựa theo điều kiện:

' 2

85.0

 Đối với các thanh chống có cốt thép phương pháp tính:

 Tính chiều dài đoạn neo thép:

 Tính lượng cốt thép tối thiểu:

 Quy đổi vật liệu bê tông, cốt thép: f c' R bn

, f y = Rs

2.2.2 Cấu tạo dầm chuyển

Hình 2.13 Cấu tạo dầm

chuyển đỡ cột, đỡ vách, dầm công sôn

(2.13)

(2.17) (2.18)

KÝ HIỆU THANH GIÀN

2.3 CÁC DẠNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO

Gồm các dạng sau: mô hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển công sôn, mô hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển đỡ vách, mô hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển đỡ cột

2.4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN

Xét ví dụ thiết kế kết cấu một dầm chuyển đơn giản bằng bê tông cốt thép không ứng lực trước, dầm có tiết diện dầm bxh = 500mmx1500mm, giả thiết tại điểm đặt tải trọng tập trung P = 3000kN đặt một tấm chịu lực có kích thước 500mm x600mm, tiết diện cột đỡ dầm 500mmx600mm Bỏ qua trọng lượng bản thân dầm

Hình 2.18 Dầm chuyển chịu một tải tập trung

Kết quả mô hình giàn ảo, vùng nút

Hình 2.20 Mô hình giàn ảo, nội lực và tiết diện thanh giàn

Kết quả kiểm tra bền các thanh giàn, vùng nút, ứng suất tại điểm đặt lực tập trung, tại gối tựa và khả năng chịu lực cắt đều thỏa mãn

TẤM CHỊU LỰC

50 50

Dầm chuyển có phân bố biến dạng tuyến tính trong vùng B và phi tuyến trong vùng D, nên thiết kế dầm chuyển theo phương pháp giàn

ảo được sử dụng phổ biến Việc thiết kế trải qua 4 bước với trọng tâm của phương pháp là lựa chọn được mô hình giàn ảo tối ưu ứng với sự linh hoạt trong bố trí dầm chuyển trên mặt bằng

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN CỦA

MỘT SỐ CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 3.1 THIẾT KẾ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN CÔNG TRÌNH ÁNH DƯƠNG – SOLEIL ĐÀ NẴNG CHỊU MỘT LỰC TẬP TRUNG TỪ CỘT, KÝ HIỆU D4-1A

3.1.1 Giới thiệu công trình: Tổ hợp khách sạn 5 sao và căn hộ cao cấp Ánh Dương – Soleil Đà Nẵng

Công trình gồm 02 tầng hầm, 49 tầng nổi Tại tầng 4 có sử dụng

hệ kết cấu dầm chuyển: đỡ cột, đỡ vách cứng [2] Lực dọc tại chân cột, chân vách từ phần mềm Etabs là tải trọng tác dụng lên dầm D4-1A

3.1.2 Thiết kế kết cấu dầm chuyển D4-1A

Tiết diện bxh = 1300x2500mm Tấm chịu lực 1500x1300mm tại lực P = 1661.63T và 700mmx1300mm tại chân cột chữ nhật, đường

CỘT

CỘT

CỘT

3

6 7

-1 29 K N -5

3.47

1 KN

8597.599 KN 4299.211 KN

70

2.487

18 6 46

2019.014

1=

.6

=.2

8597.599 KN 4299.211 KN

18 64 6

6

152 29

7 K N

20 014

=4

7

590 3.471N

 1 = 55.63

0

590 3.471N

V= 4045.708KN 600 1 1

4299.211 KN

70 2.4 87

70 2.4 87

5 2 4

Bước 3: tính các nội lực trong thanh giàn và kiểm tra ứng suất

Hình 3.5 Nội lực và tiết diện các thanh giàn dầm D4-1A

Hình 3.6 Hình kiểm tra độ bền vùng nút dầm D4-1A

DẦM D1-4A

VÙNG NÚT 3