Hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tẩng

Mặc dù, hiện tượng co ngắn cột và độ vênh co ngắn gây ra nhiều tác hại đến công trình làm nứt vỡ các bộ phận không chịu lực như vách kính, vách bao che làm ảnh hưởng không nhỏ đến công n

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: GS TS Phan Quang Minh

Phản biện 2: TS Nguyễn Quang Tùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày

11 tháng 3 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 Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây với xu thế hội nhập toàn cầu, cùng với nhịp điệu tăng trưởng của nền kinh tế và sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới và trong nước, nhu cầu sử dụng lao động nhiều nên dẫn đến mật độ dân số tăng nhanh tại các thành phố lớn Do diện tích đất xây dựng ngày một khan hiếm, nhu cầu xây dựng các nhà cao tầng như trung tâm thương mại, nhà ở, văn phòng là xu thế và là mục tiêu của các nhà đầu tư bất động sản hiện nay Song song với sự phát triển của nhà cao tầng thì việc nghiên cứu, thiết kế tính toán nhà cao tầng đang được các đơn vị tư vấn thiết

kế đặc biệt quan tâm Mặc dù, hiện tượng co ngắn cột và độ vênh co ngắn gây ra nhiều tác hại đến công trình làm nứt vỡ các bộ phận không chịu lực như vách kính, vách bao che làm ảnh hưởng không nhỏ đến công năng sử dụng của công trình, mất mỹ quan kiến trúc và ảnh hưởng đến tâm lý của người sử dụng, nhiều đơn vị tư vấn thiết

kế chưa quan tâm đến hiện tượng này Vì thế, đề tài nghiên cứu

“Hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tầng” là rất cần thiết Hiện có nhiều phương

pháp hạn chế ảnh hưởng co ngắn không điều được đua ra, nhưng phương pháp kết hợp tầng cứng và phân tích ứng xử công trình theo giai đoạn thi công có kể đến từ biến và co ngót là khá mới mẻ và góp phần làm phong phú nghiên cứu về ứng xử phi tuyến của công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tìm hiểu các nguyên nhân của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tầng

- Nghiên cứu các phương pháp để hạn chế tác hại của hiện tượng co ngắn cột

- Mô phỏng và phân tích nội lực cho một nhà cao tầng theo giai đoạn thi công

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng co ngắn trong cột và vách bê tông cốt thép của nhà cao tầng

- Phạm vi nghiên cứu: Ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn trong cột do các nguyên nhân biến dạng đàn hồi, từ biến và co ngót gây ra

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết tính toán các biến dạng đàn hồi, từ biến và co ngót trong cột và vách bê tông cốt thép

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để thực hiện mô hình hóa và phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công

5 Nội dung chương mục trình bày trong luận văn

Nội dung cơ bản các chương của đề tài như sau:

Phần mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 1 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG CO NGẮN CỘT ĐẾN NỘI

LỰC NHÀ CAO TẦNG 1.1 Khái niệm về nhà cao tầng

1.2 Lịch sử phát triển nhà cao tầng

1.2.1 Nhà cao tầng ở Hoa Kỳ

1.2.2 Nhà cao tầng ở Châu Âu

1.2.3 Nhà cao tầng ở Mỹ La tinh, Trung Đông và Châu Á

1.2.4 Nhà cao tầng ở Việt Nam

1.3 Các hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

1.3.1 Đặc điểm chịu lực nhà cao tầng

1.3.3.5 Hệ hỗn hợp: khung – tường (Vách) chịu lực

1.3.3.6 Hệ khung – lõi chịu lực

1.3.3.7 Hệ khung – hộp chịu lực

1.3.3.8 Hệ hộp – tường chịu lực

1.3.3.9 Hệ hộp - lõi chịu lực (ống trong ống)

1.3.3.10 Hệ tường - lõi chịu lực

1.5 Một số vấn đề trong thiết kế nhà cao tầng

1.5.1.Thỏa mãn yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng

1.5.2 Đảm bảo độ bền và ổn định

1.5.3 Chống cháy

1.6 Hiện tƣợng co ngắn cột bê tông cốt thép

Co ngắn cột là hiện tượng bê tông cốt thép chịu lực theo

phương thẳng đứng (cột, lõi, vách) bị biến dạng co ngắn dưới tác dụng của tải trọng, co ngót và từ biến của bê tông Ở đây sử dụng thuật ngữ “co ngắn cột” đồng nhất với thuật ngữ quốc tế “column shortening” với ý nghĩa bao hàm tất cả các cấu kiện chịu lực theo phương thẳng đứng Giá trị co ngắn cột phụ thuộc vào tải trọng và thời gian chất tải

Biến dạng co ngắn không đồng đều giữa các cấu kiện cột, lõi, vách BTCT trong kết cấu nhà nhiều tầng do tác dụng của tải trọng, từ biến và co ngót của bê tông sẽ tạo ra sự phân bố lại nội lực giữa cột, vách, dầm và gây ra nứt vỡ cho các cấu kiện không chịu lực (vách ngăn, tường kính …) Do vậy, hiện tượng co ngắn cột cần được xem xét trong quá trình thiết kế, thi công của các công trình nhà cao tầng và siêu cao tầng

Các cấu kiện thẳng đứng như cột và vách bê tông cốt thép, từ khi bắt đầu thi công đến khi sử dụng sẽ có các biến dạng dọc trục gồm:

những cột cạnh nhau sẽ sinh ra lực cắt và momen trong cấu kiện kết nối là dầm và sàn, do sự chuyển vị tương đối thẳng đứng của các gối tựa Sự phân bố lại của nội lực sẽ có xu hướng truyền tải trọng đến cột có co ngắn ít Tương tự, những vấn đề sẽ nảy sinh ra nếu cột lớn

có vị trí gần tường chống cắt

Ảnh hưởng của co ngắn không đều thường xảy ra lớn nhất đối với cột đặt cạnh vách Cột với biến dạng cao hơn do nhận tải đứng nhiều, tỷ số khối lượng trên diện tích bề mặt nhỏ hơn Sự chuyển vị khác nhau được cộng dồn trên chiều cao của khối nhà, bắt đầu mặt đất đến giá trị cao nhất tại cos mái Do đó, sự ảnh hưởng tăng khi chiều cao nhà tăng lên và tích lũy sự vặn có thể gây ra hư hại những kết cấu không chịu lực như tường ngăn và vách kính, làm chúng bị kéo căng quá mức trên những cốt cao hơn

Ảnh hưởng của giai đoạn thi công và thời gian xây dựng công trình đến co ngắn cột là rất quan trọng Nếu dầm kết nối vào lõi chịu cắt đến các cột biên, khi có chuyển vị thẳng đứng giữa lõi và cột

sẽ bị ngàm bởi sự truyền của dầm và đặc trưng của ứng suất đã bao gồm trong đó

Hình 1.20 Độ vênh co ngắn ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của dầm sàn và gây nứt vỡ tường kính, vách ngăn, nứt dầm, sàn

1.7 Các nhân tố ảnh hưởng của co ngắn cột

Nứt Vách ngăn Kính

Nứt

1.7.1 Biến dạng đàn hồi do cột và vách chịu tải trọng nén, phụ thuộc vào

1.7.2 Co ngót bê tông, phụ thuộc vào

1.7.3 Từ biến, phụ thuộc vào

Hình 1.21 Biến dạng của bê tông theo thời gian do từ biến, co

ngót

Hình 1.22 Hàm số co ngót theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn ACI

Hình 1.23 Hàm số cường độ nén theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn

ACI

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG CỦA CỘT VÀ VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG NHÀ CAO TẦNG 2.1 Một số mô hình tính toán biến dạng trong cột bê tông cốt thép

+ γc : trọng lượng riêng của bê tông (kg/m3)

+ fcmt0: cường độ nén trung bình của bê tông tại thời điểm đặt tải (MPa)

- Cường độ nén trung bình tại thời điểm t:

 C0(t, t0): biểu diễn từ biến cơ bản ( từ biến gốc)

 Cd(t, t0, tc): biểu diễn từ biến phụ thuộc vào sự mất nước của bê tông

 t, t0, tc: là tuổi của bê tông, tuổi bê tông bắt đầu khô hoặc cuối của xử lý ẩm, và tuổi của bê tông tác dụng tải trong ngày

Trong đó: q1 = 1/E0

E0 là tiệm cận mô đun đàn hồi Dùng E0 thay vì dùng mô đun đàn hồi tĩnh quy ước Ecm được thuận lợi bởi vì bê tông biểu diễn từ biến rõ rệt, chỉ cho tải trọng trong thời gian ngắn

2.2 Tính biến dạng và co ngắn cột theo giai đoạn thi công

2.2.1 Nguyên tắc chung về trình tự giai đoạn thi công

Theo truyền thống thì nhà cao tầng được thi công tuần tự từng tầng một, từ tầng dưới lên tầng trên Tải trọng tác dụng lên một cấu kiện thẳng đứng nào đó biến đổi theo thời gian trong suốt quá trình thi công Do biến dạng đàn hồi phụ thuộc vào giá trị tải trọng,

từ biến phụ thuộc vào tải trọng và thời gian chất tải nên ta phải tính toán biến dạng của hệ kết cấu theo từng giai đoạn thi công Xét nhà cao 30 tầng, giả thiết thi công xong mỗi tầng với thời gian như nhau

là T, tải trọng tác dụng lên cột thứ i mỗi tầng là Pi, (i=1÷30)

2.2.1.1 Xét biến dạng của cột tầng 1

Thời gian 1T:

- Có tải trọng P1 tác dụng lên cột gây biến dạng

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P1 là: thời điểm chất tải t0 = T, thời điểm tính biến dạng t = T

Thời gian 2T:

- Có thêm tải trọng P2 tác dụng lên cột gây biến dạng

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P1 là: t0 = T, t = 2T

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P2 là: t0 = 2T, t = 2T Thời gian 3T:

- Có thêm tải trọng P3 tác dụng lên cột gây biến dạng

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P1 là: t0 = T, t = 3T

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P2 là: t0 = 2T, t = 3T

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P3 là: t0 = 3T, t = 3T Tính toán tương tự đối với các mốc thời gian còn lại từ 4T → 30T, ta sẽ có tổng biến dạng của cột tầng 1 gây bởi tải trọng các tầng trong từng giai đoạn thi công

Thi công xong tầng 1 Thi công xong tầng 2 Thi công xong tầng 3

Hình 2.2 Biến dạng của cột tầng 1 theo từng giai đoạn thi công

2.2.1.2 Xét biến dạng của cột tầng 2

Thời gian 1T:

- Có tải trọng P2 tác dụng lên cột gây biến dạng

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P2 là: t0 = T, t = T Thời gian 2T:

- Có thêm tải trọng P3 tác dụng lên cột gây biến dạng

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P2 là: t0 = T, t = 2T

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P3 là: t0 = 2T, t = 2T Thời gian 3T:

- Có thêm tải trọng P4 tác dụng lên cột gây biến dạng

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P2 là: t0 = T, t = 3T

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P3 là: t0 = 2T, t = 3T

- Thời gian tính toán biến dạng đối với P4 là: t0 = 3T, t = 3T Tính toán tương tự đối với các mốc thời gian còn lại từ 4T → 29T, ta sẽ có tổng biến dạng của cột tầng 2 gây bởi tải trọng các tầng trong từng giai đoạn thi công

Thi công xong tầng 2 Thi công xong tầng 3 Thi công xong tầng 4

Hình 2.3 Biến dạng của cột tầng 2 theo từng giai đoạn thi công 2.2.2 Phương pháp phân tích nội lực và chuyển vị của các cấu kiện trong mô hình tính toán nội lực sử dụng phần mềm Etabs

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO GIAI

ĐOẠN THI CÔNG 3.1 Giới thiệu chung về mô hình hóa kết cấu, thuyết minh tính toán

3.1.1 Thiết lập mô hình tính toán

Mô hình tính toán, nghiên cứu được sử dụng mô hình của một công trình Mặt bằng kết cấu điển hình như hình vẽ (HÌNH 3.1) gồm 30 tầng, chiều cao của tầng là 3,6m, kết cấu hệ hỗn hợp khung – vách, bê tông cốt thép chịu lực Giả thiết tường gạch xây trên tất cả các dầm, tường dày 200mm, tĩnh tải tác dụng lên dầm 10kN/m Dầm khung có tiết diện 800x600mm Các cột bê tông cốt thép có cấp độ bền B30, cột có tiết diện 80x80 Sàn BTCT có cấp độ bền B30, dày

200 Bê tông cấp độ bền B30 với Rb = 17 MPa, Eb = 32,5.103 MPa

Hình 3.1 Mặt bằng điển hình của nhà cao tầng

Hình 3.2 Mô hình khung tính toán 3.1.2 Cơ sở lập thuyết minh tính toán

3.1.3 Áp dụng công thức ACI 209R-92 vào tính toán biến dạng

3.2 Xây dựng mô hình phân tích

3.2.1 Khảo sát đối với mô hình không sử dụng tầng cứng

3.2.2 Khảo sát đối với mô hình có sử dụng một tầng cứng tại tầng

trường hợp cụ thể sau :

Trường hợp 1: Là tiến hành phân tích theo cách thông

thường (chúng ta chất toàn bộ tải trọng của các tầng để tính toán nội lực và chuyển vị)

Trường hợp 2: Là tiến hành phân tích theo giai đoạn thi

công (chúng ta chất tải trọng của từng giai đoạn một, theo trình tự thi công để tính toán nội lực và chuyển vị cho đến tầng cuối cùng)

Trường hợp 3: Là tiến hành phân tích theo giai đoạn thi

công có xét đến từ biến và co ngót (chúng ta chất tải trọng của từng giai đoạn một theo trình tự thi công để tính toán nội lực và chuyển vị cho đến tầng cuối cùng có kể đến các yếu tố từ biến và co ngót của vật liệu)

3.3 Kết quả tính toán nội lực, biến dạng và co ngắn cột cho từng

mô hình ứng với ba trường hợp

3.3.1 Tính toán, phân tích mô hình không sử dụng tầng cứng

Hình 3.3 Sơ đồ không gian chuyển vị

3.3.1.1 Kết quả nội lực trong dầm liên kết lõi vách và cột biên

Bảng 3.1 Tổng hợp giá trị momen trong dầm liên kết lõi vách (2C)

và cột (2D) của một số tầng điển hình:

Tầng điển

hình

trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3 Đầu

vách (2C)

Đầu cột (2D)

Đầu vách (2C)

Đầu cột (2D)

Đầu vách (2C)

Đầu cột (2D)

Nhận xét về nội lực trong dầm liên kết cột và vách:

- Đối với trường hợp 1 thì giá trị momen tại vị trí liên kết dầm với vách (2C) có giá trị lớn nhất tại tầng 30 là -448,68KN-m, lớn hơn nhiều so với trường hợp 2 khoảng 54% và trường hợp 3 khoảng 50% Trong khi đó đầu kia đối với trường hợp 1có giá trị momen dương Trong trường hợp này, khi tính toán cốt thép thì diện tích cốt thép tại đầu lõi vách có nhiều khả năng vượt giới hạn hàm lượng cốt thép cho phép

Như vậy, đối với trường hợp phân tích theo giai đoạn thi công có xét đến từ biến và co ngót sẽ khắc phục được hiện tượng phát sinh nội lực thứ cấp trong dầm Nên việc thiết kế phân tích theo giai đoạn thi công có xét đến từ biến và co ngót là một nhiệm vụ hết sức cần thiết phải đề cập đến trong thiết kế nhà cao tầng là hoàn toàn hợp lý

3.3.1.2 Phân tích xét chuyển vị cho khung trục 2 giữa lõi vách (nút 14) và cột (nút 5):

Hình 3.5 Biểu diễn co ngắn cột cho 3 trường hợp

Nhận xét về co ngắn cột:

- Đối với trường hợp 1 độ chênh co ngắn được cộng dồn từ tầng dưới lên tầng trên cùng và có giá trị lớn nhất tại tầng 30 là 10,59mm, lớn hơn so với trường hợp 2 khoảng 92,69% và so với trường hợp 3 là 90,14%

3.3.2 Khảo sát đối với mô hình sử dụng một tầng cứng tại tầng

15

Hình 3.6 Sơ đồ không gian chuyển vị

3.3.2.1 Xét nội lực trong dầm liên kết lõi vách và cột biên ứng với 3 trường hợp

Bảng 3.2 Tổng hợp giá trị nội lực trong dầm liên kết cột (2D) và lõi vách (2C) của một số tầng điển hình một tầng cứng:

Tầng điển hình

trường hợp thông thường

Trường hợp thi công giai đoạn

Trường hợp kể đến từ biến và co ngót Đầu lõi

vách (2C)

Đầu cột (2D)

Đầu lõi vách (2C)

Đầu cột (2D)

Đầu lõi vách (2C)

Đầu cột (2D)

Tầng 30 (Trên cao) -359,04 33,88 -200,57 -94,73 -218,86 -77,42 Tầng 16 (ở giữa) -337,77 13,19 -301,41 10,44 -321,68 19,31 Tầng 1(dưới thấp) -183,35 -122,57 -192,82 -108,32 -417,31 134,31

Nhận xét về nội lực trong dầm liên kết cột và vách:

- Đối với trường hợp 1 thì momen tại vị trí liên kết dầm với vách (2C) có giá trị lớn nhất tại tầng 30 là -359,04KN-m, lớn hơn so với trường hợp 2 khoảng 44,13% và trường hợp 3 khoảng 39,04% Trong khi đó đầu kia đối với trường hợp 1 có giá trị momen dương

- Đối với mô hình này thì momen tại đầu dầm với vách (2C)

có giá trị tại tầng 30 là -359,04KN-m, nhỏ hơn so với mô hình không

sử dụng tầng cứng khoảng 20%

Như vậy, đối với trường hợp khi sử mô hình tầng cứng thì hạn chế hiện tượng phát sinh nội lực do co ngắn cột gây ra