BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- NGUYỄN HỒNG LĨNH SỬ DỤNG PHẦN TỬ THANH DÀN MÔ PHỎNG KẾT CẤU VÁCH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG RIÊNG NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
NGUYỄN HỒNG LĨNH
SỬ DỤNG PHẦN TỬ THANH DÀN MÔ PHỎNG KẾT CẤU VÁCH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG RIÊNG NHÀ
CAO TẦNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP
Hà Nội 2018
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
NGUYỄN HỒNG LĨNH KHÓA: 2016 – 2018
SỬ DỤNG PHẦN TỬ THANH DÀN MÔ PHỎNG KẾT CẤU VÁCH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG RIÊNG NHÀ
CAO TẦNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS LÊ HỮU THANH
Hà Nội 2018
Trang 3LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc
Hà Nội, các thầy cô trong Khoa sau đại học cùng với các thầy giáo, cô giáo các Khoa, bộ môn đã giảng dạy và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành khóa học 2016 - 2018
Đặc biệt tôi cảm ơn thầy TS Lê Hữu Thanh người trực tiếp hướng dẫn khoa học luận văn đã tạo mọi điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tình giúp
đỡ cũng như đầu tư tài liệu để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp
Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Sức bền – Kết cấu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, các thầy cô trong tiểu ban bảo vệ đề cương, các thầy cô trong tiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, đã có những ý kiến góp ý quý báu cho nội dung luận văn
Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Nhưng tôi xin hứa sẽ đầu tư nghiên cứu thêm những vấn đề còn hạn chế, thiếu sót đó để hoàn thiện thêm kiến thức của tôi trong quá trình làm việc sau này
Hà Nội, ngày , tháng năm 2018
Học viên
Nguyễn Hồng Lĩnh
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ 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
Nguyễn Hồng Lĩnh
Trang 5MỤC LỤC Lời cám ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, chữ viêt tắt
Danh mục các bảng
Danh mục hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU 1
Tính cấp thiết của đề tài 1
Mục đích nghiên cứu của đề tài 3
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
Phương pháp nghiên cứu 3
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4
Cấu trúc luận văn của đề tài 4
NỘI DUNG 5
CHƯƠNG 1: KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG VÀ HỆ VÁCH TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 5
1.1 Khái niệm và phân loại nhà cao tầng 5
1.2 Kết cấu nhà cao tầng 11
1.2.1 Hệ khung 14
1.2.2 Hệ tường (vách) chịu cắt 16
1.2.3 Hệ Khung - Tường chịu cắt 16
1.2.4 Hệ khung lõi 17
1.2.5 Hệ Ống trong Ống (Tube in Tube) 18
1.3 Vách trong kết cấu nhà cao tầng tại Việt Nam 19
1.4 Phân loại kết cấu vách trong nhà cao tầng 20
Trang 61.4.1 Theo chức năng chịu tải 20
1.4.2 Theo kích thước hình học 21
1.4.3 Các phân loại khác 22
1.5 Phân tích kết cấu nhà cao tầng có sử dụng vách 22
1.5.1 Mô hình tính toán 23
1.5.2 Sơ đồ tính toán 25
1.6 Phương pháp phân tích động lực học nhà cao tầng 26
1.6.1 Phương pháp giải tích 28
1.6.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 29
1.7 Mô hình phần tử vách trong phân tích kết cấu nhà cao tầng 30
1.7.1 Mô hình phần tử tấm 31
1.7.2 Mô hình Micro 32
1.7.3 Mô hình Macro 33
1.7.4 Mô hình thanh dàn ảo 34
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG RIÊNG NHÀ CAO TẦNGSỬ DỤNG PHẦN TỬ THANH DÀN ẢO MÔ PHỎNG KẾT CẤU VÁCH 36
2.1 Dao động riêng kết cấu nhà cao tầng 36
2.1.1 Hệ một bậc tự do 36
2.1.2 Dao động riêng của hệ có nhiều bậc tự do 42
2.2 Mô hình vách chịu cắt bằng phần tử thanh dàn 48
2.2.1 Phần tử thanh dàn tương đương (ảo) 48
2.2.2 Mô hình vách nhà cao tầng bằng pần tử thanh dàn tương đương 53 2.3 Tính toán vách nhà cao tầng theo mô hình thanh dàn 56
2.3.1 Xác lập vùng B và D trong bê tông 56
2.3.2 Tách vùng D và xác định tải trọng tại góc của vùng D 57
2.3.3 Vẽ sơ đồ giàn truyền tải giữa các vùng trong cấu kiện 57
Trang 72.3.4 Vẽ mô hình giàn ảo 57
2.3.5 Tính toán cấu kiện dàn 58
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 59
3.1 Tính toán vách đơn trong kết cấu nhà cao tầng 59
3.1.1 Mô hình tính toán 59
3.1.2 Kết quả phân tích số 62
3.2 Phân tich vách nhà nhiều tầng 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73
Trang 8DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1 A Diện tích mặt cắt ngang
2 c Hệ số cản nhớt ( damping cofficient)
3 E Module đàn hồi ( Young,s modulus)
4 f Tần số dao động tự do
5 g Gia tốc trọng trường
9 p(t) Tải trọng theo thời gian
10 PTHH Phần tử hữu hạn
13 u Chuyển vị theo phương ngang (trục X)
14 v Chuyển vị theo phương đứng (trục Y)
18 ω Tần số góc ( trong dao động tự do)
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số thứ tự Nội dung hình vẽ
Hình 1.1 Phân loại nhà cao tầng theo CTBUH
Hình 1.2 Lịch sử phát triển nhà cao tầng qua một số công trình tiêu
biểu [17]
Hình 1.3 Lịch sử phát triển nhà cao tầng [17]
Hình 1.4 Tòa nhà Lotte Center, Hà Nội, Việt Nam [18]
Hình 1.5 Hanoi Tower –Một trong số những công trình cao tầng
đầu tiên được xây dựng tại Hà Nội, [18]
Hình 1.6 Mật độ nhà cao tầng cao tại khu vực nhỏ ở Hà Nội [20] Hình 1.7 Hệ kết cấu chịu tải trọng ngang trong nhà cao tầng
Hình 1 8 Lựa chọn hệ kết cấu theo chiều cao công trình [17]
Hình 1 9 Tòa tháp Trump, tòa nhà bằng kết cấu bê tông cốt thép
cao nhất nước Mỹ Hình 1 10 Sơ đồ hệ khung
Hình 1.11 Mặt bằng bố trí hệ vách (tường) chịu lực
Hình 1.12 Hệ kết cấu vách chịu lực trong nhà cao tầng[17]
Hình 1.13 Hệ kết cấu Khung – Vách chịu lực trong nhà cao tầng
[17]
Hình 1.14 Sơ đồ hệ khung-lõi chịu lực
Hình 1.15 Sơ đồ hệ Tube in Tube và Tháp Willis sử dụng kết cấu
Tube in Tube (1973) [17]
Hình 1 16 Bố trí vách trong công trình[22]
Hình 1 17
Các dạng phá hoại do tải trọng gây ra đối với kết cấu vách (a) Do moment uốn, (b) Do lực cắt chân cột, (c) Do tải trọng theo phương đứng và (d) Do mất ổn định
Hình 1.18 Phân loại vách theo kích thước hình học
Trang 10Hình 1.19 Phân loại vách theo tạo hình
Hình 1.20
Ảnh hưởng của độ cứng dầm sàn tới tính toán kết cấu nhà cao tầng, (a) Hệ kết cấu khung, (b) Hệ kết cấu vách và (c)
Hệ vách và khung làm việc đồng thời [8]
Hình 1.21 Sơ đồ phẳng tính toán nhà cao tầng (a) Hệ giằng, (b) Hệ
khung giằng Hình 1.22 Sơ đồ không gian phân tích nhà cao tầng
Hình 1.23 Mô hình tính toán động lực học công trình nhà cao tầng
có kể tới độ cứng và hệ số cản môi trường Hình 1.24 Phần tử tấm 4 nút
Hình 1.25 (a) Mô hình theo các lớp phần tử trong dầm của Monti và
Spacone (b) Mô hình Belmouden và Letstuzzui [14]
Hình 1.26 Mô hình hai phần tử [14]
Hình 1.27 Mô hình dàn ảo áp dụng cho vách trong nhà cao tầng[14] Hình 2 1 Dao động của hệ có một bậc tự do
Hình 2 2 Dao động tuần hoàn của hệ kết cấu có một bậc tự do Hình 2 3 Dao động tự do của hệ kết cấu khi kể tới hệ số cản nhớt
của môi trường Hình 2 4 Dao động của hệ n bậc tự do
Hình 2 5 Hệ dàn tương đương trong cấu kiện chịu cắt
Hình 2 6 Mô hình thanh chống và giằng trong dàn tương đương Hình 2 7 Mô hình nối các vùng không liên tục bằng dàn tương
đương Hình 2 8 Mối tương quan giữa cường độ bê tông và góc nghiêng
của thanh chống xiên trong dàn tương đương Hình 2 9 Mô hình vách chịu cắt bằng phần tử thanh dàn [16]
Hình 2 10 Ví dụ cho mô hình vách chịu cắt bằng phần tử thanh dàn Hình 2 11 Sơ đồ truyền tải giữa các vùng trong kết cấu chịu tác
dụng của tải trọng tập trung và phân bố Hình 2 12 Một số mô hình dàn ảo sử dụng trong kết cấu
Trang 11Hình 3 1 Sơ đồ kết cấu vách đơn
Hình 3 2 Thông số vật liệu bê tông
Hình 3 3 Mô hình phần tử thanh dàn tương đương
Hình 3 4 Kích thước mặt cắt ngang của thanh đứng
Hình 3 5 Kích thước mặt cắt ngang thanh ngang và xiên
Hình 3 6 Nội lực trong vách
Hình 3 7 Nội lực trong phần tử khung
Hình 3 8 Chuyển vị và biến dạng trong mô hình phần tử Shell Hình 3 9 Chuyển vị và biến dạng trong mô hình phần thanh dàn Hình 3 10 Mode dao động 1 – Mô hình phần tử Shell
Hình 3 11 Mode dao động 1 – Mô hình phần tử thanh dàn
Hình 3 12 Nội lực trong phần tử khung
Hình 3 13 Mode dao động 2 – Mô hình phần tử Shell
Hình 3 14 Mode dao động 2 – Mô hình phần tử thanh dàn
Hình 3 15 Mode dao động 3 – Mô hình phần tử Shell
Hình 3 16 Mode dao động 3 – Mô hình phần tử thanh dàn
Hình 3 17 Mô hình phần tử Shell và khung dàn vách nhà nhiều tầng Hình 3 18 Mode dao động 1 – Nhà nhiều tầng
Hình 3 19 Mode dao động 2 – Nhà nhiều tầng
Hình 3 20 Mode dao động 3 – Nhà nhiều tầng
Trang 12MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài
Vách được thiết kế trong nhà cao tầng chủ yếu để chịu các tải trọng ngang sinh ra trong công trình do các nguyên nhân như: gió, động đất … Vách còn có tên gọi khác là tường chịu cắt (Shear Wall), là cấu kiện tấm mỏng có chiều dài (cao) lớn trong không gian Ngoài các chức năng trên, vách cũng tham gia chịu tải trọng đứng và góp phần tăng độ cứng của công trình (độ cứng chống uốn và xoắn) Trong thiết kế nhà cao tầng, hệ vách có thể được thiết kế thành hệ kết cấu độc lập, tuy nhiên trong hầu hết các công trình, vách thường được sử dụng kết hợp với các hệ chịu tải trọng đứng và ngang khác như: hệ khung, lõi hoặc tường cứng [3]
Trong nhà cao tầng, vách có thể được chế tạo bằng vật liệu: Bê tông cốt thép, bê tông lắp nghép hay bằng thép Để tăng độ cứng, trên mặt bằng công trình vách thường được ưu tiên bố trí ra các biên hoặc vị trí cách xa tâm cứng của công trình Trong một số cách bố trí khác, vách cũng có thể được bố trí tập trung về tâm công trình để tạo thành hệ lõi cứng [12] Căn cứ theo hình dáng công trình, việc bố trí vách phải đảm bảo tăng độ cứng chống uốn và xoắn của công trình Kết cấu khung vách hiệu quả khi bố trí cho các công trình có chiều cao 100 – 130 m [3, 12]
Trên thế giới, tường chịu cắt trong nhà cao tầng được sử dụng từ những năm cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 Ngày nay, tường chịu cắt là dạng kết cấu phổ biến và được ưu tiên sử dụng trong nhà cao tầng kết cấu BTCT Trên thế giới việc phân tích sự làm việc (khả năng chịu lực, biến dạng, ứng xử động lực học…) của vách trong nhà cao tầng được nghiên cứu và giới thiệu trong nhiều tài liệu cũng như các bài báo khoa học Moham R và Prabha C nghiên cứu ảnh hưởng của các loại vách tới ứng xử của nhà cao tầng [11] Capuani et
Trang 13al giới thiệu kết quả nghiên cứu về ứng xử của hệ khung vách làm việc đồng thời [9] Cả hai nghiên cứu trên cùng sử dụng phương pháp phổ dao động để phân tích cho ứng xử của công trình dưới tác dụng của tải trọng động đất
Như ta đã biết, Việt Nam trong một số năm gần đây nhà cao tầng ngày được xây dựng rộng rãi và là phương án được lựa chọn nhiều nhất bởi các Chủ đầu tư khi phát triển các khu đô thị trong các thành phố có mật độ dân cư cao Bên cạnh đó, một số nghiên cứu đã được thực hiện để xét tới ảnh hưởng của vị trí vách cứng đến biến dạng xoắn và chuyển vị trong nhà cao tầng chịu tải trọng ngang [1], hay đánh giá sự làm việc đồng thời của sàn và lõi cứng trong nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng ngang qua việc xét chuyển vị xoay θ [4]
Các nghiên cứu trên có đặc điểm chung là mô hình các vách theo phần
tử tấm (Shell Element) Một số nghiên cứu được thực hiện dựa trên phân tích bằng các phần mềm phân tích kết Trong phân tích động lực học công trình, các thông số như: chu kỳ, tần số, mode dao động, là các dữ liệu phục vụ cho công tác thiết kế công trình khi chịu tải trọng động, thiết kế điều khiển dao động, chống chống xoắn cho công trình Tuy nhiên, như đã biết các thông số trên phụ thuộc vào việc bố trí hệ vách lõi trên mặt bằng và thường cho kết quả tối ưu khi thực hiện phân tích sơ đồ kết cấu theo mô hình 3D Do vậy, việc sử dụng mô hình phần tử Shell làm tăng khối lượng công tác phân tích, thời gian phân tích
Bằng việc sử dụng mô hình phần tử thanh dàn (Truss Element)-là phần
tử đơn giản nhưng vẫn đảm bảo cho được đầy đủ các thông số cơ bản của động lực học công trình sẽ giúp giảm chi phí, thời gian và giá thành thiết kế công trình Đồng thời cũng giúp kỹ sư thiết kế có cái nhìn trực quan nhất về
sự làm việc của vách khi công trình chịu tải trọng ngang (phần tử thanh dàn thể hiện rõ vùng kéo-nén, vùng chịu cắt của vách) Do vậy, xuất phát từ tồn
Trang 14tại trên, tác giả lựa chọn đề tài “Sử dụng phần tử thanh dàn mô phỏng kết cấu vách tính toán dao động riêng nhà cao tầng” là đối tượng nghiên cứu của luận văn này
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài được nghiên với một số mục tiêu đạt được như sau:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán dao động riêng nhà cao tầng s kết cấu vách được mô hình hóa bằng phần tử thanh dàn ảo
- Đề tài được nghiên cứu với mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế trong công tác thiết kế kết cấu vách nhà cao tầng
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Do giới hạn về thời gian của chương trình đào tạo, đề tài được thực hiện nghiên cứu giới hạn trong phạm vi với một số nội dung chính như sau:
- Hệ vách trong kết cấu nhà cao tầng được chế tạo bằng vật liệu Bê tông cốt thép; và công trình có chiều cao tầng < 50 tầng
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán và áp dụng tính toán cho bài toán cụ thể Kết quả tính toán sẽ được so sánh với kết quả tính toán bằng bằng phần mềm phân tích kết cấu SAP 2000 hoặc ETAB Trong đó:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết phân tích vách chịu lực trong nhà cao tầng sử dụng phần tử thanh dàn (truss model), Áp dụng lý thuyết xây dựng được để giải cho bài toán vách của công trình nhà cao tầng cụ thể;
- Khảo sát ví dụ tính toán trên bằng phần mềm phân tích kết cấu, so sánh kết quả thu được từ lời giải giải tích và phương pháp số
Trang 15- Từ kết quả so sánh trên rút ra các kết luận và kiến nghị cho đề tài để áp dụng vào thực tiễn
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu đề tài có thể được sử dụng cho công tác tính toán kết cấu vách nhà cao tầng của tác giả trong công việc thực tế Đề tài là một trong những cơ sở cho người kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp tối ưu trong thiết kế nhà cao tầng; là tài liệu sử dụng cho việc nghiên cứu, học tập của học viên, sinh viên chuyên ngành xây dựng
Cấu trúc luận văn của đề tài
Đề tài “Sử dụng phần tử thanh dàn mô phỏng kết cấu vách tính toán dao động riêng nhà cao tầng” được cấu trúc chia thành các chương chính sau:
Chương mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi
nghiên cứu của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài
Chương 1: Tổng quan về vách nhà cao tầng các phương pháp phân tích
vách trong nhà cao tầng Trình bày lý do lựa chọn mô hình sử dụng trong đề tài áp dụng cho phân tích hệ vách nhà cao tầng
Chương 2: Xây dựng cơ sở lý thuyết phân tích vách chịu lực trong nhà
cao tầng sử dụng phần tử thanh dàn
Chương 3: Ví dụ tính toán, áp dụng lý thuyết xây dựng được tính toán
cho các bài toán cụ thể So sánh kết quả tính toán giải tích với kết quả khảo
sát bằng phần mềm số Phân tích đánh giá kết quả của bài toán
Kết luận và kiến nghị: Từ kết quả của đề tài, tác giả đề xuất các kết
luận và kiến nghị rút ra được từ nghiên cứu của luận văn này