Nghiên cứu phân tích kết cấu dầm chuyển trong nhà nhiều tầng

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH THIẾT KẾ KẾT CẤUDẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG Nguyễn Trung Hiếu, Nguyễn Thị Ngọc Giao, Nguyễn Trường Thanh Lớp 09XD1N, Khoa Kỹ Thuật Công Trình TÓM TẮT Ngày nay,

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH THIẾT KẾ KẾT CẤU

DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG

Nguyễn Trung Hiếu, Nguyễn Thị Ngọc Giao, Nguyễn Trường Thanh

Lớp 09XD1N, Khoa Kỹ Thuật Công Trình

TÓM TẮT

Ngày nay, nhà nhiều tầng đều là những công trình phức hợp đáp ứng nhiều công năng: thương mại, dịch vụ ở các tầng dưới, văn phòng làm việc và căn hộ ở các tầng bên trên.Yêu cầu này đòi hỏi các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ hơn ỏ các tầng trên Giải pháp đòi hỏi một kết cấu chuyển giữa các tầng.Tại thành phố Hồ Chí Minh, kết cấu dầm (sàn) chuyển đã được sử dụng cho các công trình: Hùng Vương Plaza (37 tầng), Sài Gòn Pearl (39 tầng), Sealing Tower (26 tầng), căn hộ cao cấp Hạnh Phúc (20 tầng), cao ốc văn phòng Nhơn Trạch – Đồng Nai (17 tầng),…Các tài liệu nghiên cứu và phân tích kết cấu chuyển hầu như rất hiếm trên thế giới và Việt Nam là chưa có

Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu sự làm việc và đưa ra trình tự tính toán thiết

kế kết cấu chuyển.

QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

1 Đặc điểm dầm chuyển

Ưu điểm

Giải quyết được việc trốn cột, tạo không gian lớn cho tầng bên dưới, kết cấu chuyển

có khả năng vượt nhịp lớn, nhịp có thể lên đến 16-20m, giảm kích thước cấu kiện của các tầng trên kết cấu chuyển

Khuyết điểm

Tải trọng tập trung bên trên kết cấu chuyển khá lớn, khi xảy ra động đất kết cấu rất dễ phá hoại

Tính toán, thi công dầm chuyển tương đối phức tạp, khó khăn trong lắp dựng giàn giáo cũng như đổ bê tông toàn khối cấu kiện lớn

Trọng lượng bản thân công trình phân bố không đồng điều, tập trung khối lượng lớn ở tầng có dầm chuyển làm cho công trình dễ mất ổn định khi có ngoại lực tác dụng vào công trình (động đất, gió bão) và các kết cấu bên dưới của dầm chuyển dễ mất ổn định

2 Phân loại và hướng dẫn sử dụng các phần tử trong việc mô hình kết cấu bằng phần mềm

2.1 Theo hình học kết cấu chuyển có 4 dạng cơ bản sau

Hình 1 Dầm đỡ 1 cột Hình 2 Dầm đỡ 2 cột

Hình 3 Dầm đỡ vách liên tục Hình 4 Dầm đỡ vách không liên tục

Trong kết cấu chuyển chia ra 3 cấu kiện (bộ phận) cơ bản sau:

- Cấu kiện truyền tải bên trên dầm chuyển (TPC)

- Cấu kiện nhận tải – dầm chuyển (TFB)

- Cấu kiện chống đỡ bên dưới dầm chuyển (SPC)

2.2 Khi sử dụng phần tử cho từng cấu kiện cần xét đến vấn đề sau:

Đối với TPC (chỉ cần xét đến điều kiện về tiết diện)

- Nếu h<3b thì chọn phần tử Frame

- Nếu h>3b thì chọn phần tử Area

Đối với TFB (phải xét đến điều kiện về tiết diện và mặt phẳng truyền tải của TPC)

- Nếu h>3b thì chọn phần tử Area

- Nếu mặt phẳng truyền tải của TPC không thuộc mặt phẳng chứa trục dầm TFB thì chon phần tử Area

- Nếu h<3b và mặt phẳng truyền tải của TPC thuộc mặt phẳng chứa trục dầm TFB thì chọn phần tử Frame

Đối với SPC

- Nếu h>3b thì chọn phần tử Area

- Nếu bề rộng b>1/3 nhịp thông thủy thì chọn phần tử Area

- Nếu h<3b và có bề rộng < 1/3 nhịp thông thủy thì chọn phần tử Frame

Trường hợp khi TFB là phần tử Area chịu mômen xoắn thì nên chọn phần tử Area cho cấu kiện SPC

3 Tải trọng phân tích

3.1 Tĩnh tải

Tĩnh tải là tải trọng có độ lớn không đổi, vị trí cố định và tác dụng trong suốt thời gian tồn tại của công trình Phần tĩnh tải tác động lên kết cấu chuyển có giá trị tăng dần trong quá trình thi công xây dựng công trình

3.2 Hoạt tải

Hoạt tải là tải trọng có những đặc điểm: tác dụng lên một phần hoặc toàn bộ kết cấu;

độ lớn và sự phân bố của chúng trên kết cấu có thể thay đổi theo thời gian; cường độ tối đa của tải trọng không được biết chính xác trong thời gian tồn tại của công trình

Tải trọng và tác động: xác định theo TCXD 2737-1995

Tải trọng động đất: xác định theo TCVN 375-2006

3.3 Tổ hợp tải trọng

Tổ hợp tải trọng là sự kết hợp các trường hợp tải trọng khác nhau có thể xảy ra đồng thời gây nguy hiểm cho toàn bộ kết cấu

Khi phân tích nội lực trong quá trình xây dựng phải xét đến yếu tố phi tuyến trong cấp tải, biến dạng khung tiến triển ứng với từng cấp tải Tải trọng: hoạt tải lúc thi công thường nhỏ và tác dụng tức thời, không xét đến trong trường hợp này; sử dụng tĩnh tải khi phân tích phi tuyến

Khi tổ hợp tải trọng vẫn xem kết cấu chuyển là một bộ phận khung nên vẫn xét đầy

đủ các trường hợp tải

4 Phân tích phi tuyến

Đối với công trình có kết cấu chuyển khi phân tích nội lực phải xét đến yếu tố phi tuyến hình học của tải trọng, kết quả nội lực và biến dạng của phân tích phi tuyến lớn hơn nhiều so với phân tích tuyếnt tính Quá trình phân tích phi tuyến được thực hiện theo trình

tự khi phân tích nội lực ở step 1 được cộng vào step 0, khi phân tích nội lực ở step 2 được cộng vào step 1, quá trình phân tích được thực hiện cho đến step thứ i và nội lực cộng vào step thứ i – 1

Hình 5 Biến dạng của khung ứng với phân tích tuyến tính và phi tuyến

Trong đó:

n – số tầng của công trình

i – số lần phân tích phi tuyến (i = 0: step 0, i = 1: step 1, …)

5 Tính động đất theo phương đứng

Khi xác định nội các kết cấu thẳng đứng thì lực động đất theo phương ngang gây nguy hiểm cho kết cấu, với các kết cấu nằm ngang thì lực động đất theo phương đứng sẽ nguy hiểm hơn lực động đất theo phương ngang

Đối với kết cấu chuyển tải trọng tập trung bên trên khá lớn, khi xảy ra động đất rất nguy hiểm, kết cấu rất dễ phá hoại

của tác động động đất cần được xét trong các trường hợp sau:

Các bộ phận kết cấu nằm ngang hoặc gần như nằm ngang có nhịp bằng hoặc lớn hơn 20m

Các thành phần kết cấu dạng côngxôn nằm ngang hoặc gần như nằm ngang dài hơn 5m

Các thành phần kết cấu ứng lực trước nằm ngang hoặc gần như nằm ngang Các dầm đỡ cột

Các kết cấu có cách chấn đáy

Việc phân tích để xác định các hệ quả của thành phần thẳng đứng của tác động động đất có thể dựa trên mô hình không đầy đủ của kết cấu, bao gồm các cấu kiện chịu tác dụng của thành phần động đất thẳng đứng và có xét tới độ cứng của các cấu kiện liền kề

Cần đưa vào tính toán các hệ quả của thành phần thẳng đứng chỉ đối với các cấu kiện đang xét và các cấu kiện đỡ hoặc cấu kiện liên quan trực tiếp với chúng

Theo TCXDVN 375:2006, tải trọng động đất tác dụng lên công trình được xác định theo 2 phương pháp:

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động

6 Sản phẩm đề tài

Tài liệu hướng dẫn phân tích phi tuyến cho kết cấu bằng phân mềm phân tích kết cấu SAP2000 và ETABS

Đưa ra giải pháp kết cấu hợp lý, đáp ứng nhu cầu công năng đa dạng của kết cấu nhà nhiều tầng tại Việt Nam

Tài liệu hướng dẫn tính toán, trình tự thiết kế cho kết cấu dầm chuyển và phục vụ việc làm luận văn tốt nghiệp của sinh viên ngành Xây dựng và thực hành thiết kế kết cấu nhà cao tầng

Tài liệu phân tích, đánh giá tính hợp lý về mặt kỹ thuật của kết cấu dầm chuyển Đánh giá ưu khuyết điểm, phạm vi sử dụng của kết cấu dầm chuyển

Hình 6 Mô hình 3D từ Etabs Hình 7 Mặt bằng kết cấu tầng chuyển

7 1 Trường hợp 1: Kết cấu chuyển đỡ cột

Bảng 1 So sánh nội lực giữa 2 cách phân tích kết cấu chuyển đỡ cột

Vị trí

mặt

cắt

(m)

TUYẾN

TÍNH

PHI TUYẾN

CHÊNH LỆCH (%)

TUYẾ N TÍNH

PHI TUYẾN

CHÊNH LỆCH (%)

Kết cấu chuyển

đỡ vách Kết cấu chuyển

đỡ cột

5.50 1482.60 1621.08 9.34 1399.55 1515.49 8.28

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DẦM CHUYỂN ĐỠ CỘT

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 (m)

(kN)

TUYẾN TÍNH PHI TUYẾN

BIỂU ĐỒ MOMEN DẦM CHUYỂN ĐỠ CỘT

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 (m) (kNm)

TUYẾN TÍNH PHI TUYẾN

7 2 Trường hợp 2: Kết cấu chuyển đỡ vách liên tục

Bảng 2 So sánh nội lực giữa 2 cách phân tích kết cấu chuyển đỡ vách liên tục

Vị trí

mặt cắt

(m)

TUYẾN TÍNH

PHI TUYẾN

CHÊNH LỆCH (%)

TUYẾN TÍNH

PHI TUYẾN

CHÊNH LỆCH (%)

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT KẾT CẤU CHUYỂN ĐỠ VÁCH LIÊN TỤC

-1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 (m)

(kN)

TUYẾN TÍNH PHI TUYẾN

BIỂU ĐỒ MOMEN KẾT CẤU CHUYỂN ĐỠ VÁCH LIÊN TỤC

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50

(m) (kNm)

TUYẾN TÍNH PHI TUYẾN

Phân tích các công trình Petrolimex (Huế), Chung cư Hạnh Phúc, Tungshing… cũng

đã cho các kết quả tương tự về sự ảnh hưởng phi tuyến tải trọng xảy ra trong quá trình thi công

KẾT LUẬN

Kết cấu chuyển khi phân tích nội lực phải phân tích yếu tố phi tuyến tải trọng; dầm chuyển đỡ cột và dầm chuyển đỡ vách không liên tục khi phân tích phi tuyến cho kết quả nội lực lớn hơn phân tích tuyến tính từ 10 – 15%; dầm chuyển đỡ vách liên tục nội lực phân tích phi tuyến lớn hơn tuyến tính từ 20 – 28%

Trong giai đoạn thiết kế cơ sở, khi mà các phương án kết cấu được đưa ra có thể thay đổi liên tục, để tiết kiệm thời gian và công sức thì có thể lấy kết quả nội lực trong dầm chuyển nhân với hệ số 1,2 Mặc dù về giá trị tính toán có sự sai khác nhau nhưng giúp có được những nhận định ban đầu về dạng kết cấu, từ đó có thể đưa ra các phương án kết cấu hợp lý hơn Khi đến giai đoạn thiết kế chi tiết cần phải phân tích phi tuyến để kiểm tra lại nội lực dầm chuyển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

& thi công kết cấu nhà cao tầng (tập 1, tập 2) Nhà xuất bản Xây Dựng

phần cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

Xây Dựng (IBST)

cao tầng bằng Etabs 9.0.4 NXB Thống Kê – 2007

[5] Etabs Documentations and Tutorials… - Phần mềm Etabs version 9.14 của hãng Csi (Hoa Kì)

Trình Nhiều Tầng NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội – 1994

Công Trình

NXB Xây Dựng 1985

[10] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 2737-1995 “Tải trọng và tác động”

[11] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 198-1997 “ Thiết kế kết cấu nhà cao tầng”

[12] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 375: 2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”

[13] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 356: 2005 “Tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép”