Nghiên cứu khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế

NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ Học viên: Bùi Thanh Nhiên Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI THANH NHIÊN

NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài: ‘‘Nghiên cứu khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế” là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Bùi Thanh Nhiên

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu 1

4 Phạm vi nghiên cứu 1

5 Phương pháp nghiên cứu 1

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn 2

7 Bố cục đề tài: 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG 3

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông 3

1.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới 4

1.1.2 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam 6

1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 6

1.2.1 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế giới 6

1.2.2 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ở Việt Nam 8

1.3 Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông 11

1.3.1 Kiến trúc 11

1.3.2 Kinh tế 11

1.3.3 Chịu nhiệt và chống ăn mòn 11

1.3.4 Thi công 12

1.4 So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác 12

1.5 Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông 15

1.5.1 Yêu cầu về cấu tạo của sàn liên hợp thép - bê tông 15

1.5.2 Sự làm việc của sàn liên hợp thép - bê tông 17

1.6 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP

BÊ TÔNG 19

2.1 Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép – bê tông 19

2.2 Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép – bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) 20

2.2.1 Nguyên lý rung động sàn 20

2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá của việc đi bộ với tần số thấp và tầng số cao 22

2.2.3 Tần số tự nhiên trong hệ thống sàn liên hợp 27

2.3 Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn do hoạt động đi bộ 29

2.3.1 Tiêu chuẩn áp dụng 29

2.3.2 Các thông số yêu cầu bắt buộc 29

2.4 Kết luận chương 2 34

CHƯƠNG 3 KIỂM SOÁT VÀ KHỐNG CHẾ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN 35

3.1 Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn do hoạt động đi bộ 35

3.1.1 Sơ đồ khối thuật toán đánh giá dao động của hệ thống sàn liên hợp 35

3.1.2 Ví dụ tính toán đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông dựa trên AISC DG11 37

3.1.3 Đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông bằng phần mềm SAP2000 V20 44

3.2 Khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông khi thiết kế 47

3.2.1.Tăng chiều dày sàn bê tông 48

3.2.2.Tăng kích thước dầm chính, dầm phụ 48

3.3 Kết luận chương 3 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ

TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ

Học viên: Bùi Thanh Nhiên

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Nhờ vào những ưu điểm nổi bật về mặt kết cấu và tốc độ thi công, sàn liên hợp thép bê tông đang được sử dụng ngày càng phổ biến trong hàng loạt các công trình từ thương mại, công nghiệp đến nhà ở tại Việt Nam Tuy nhiên, vấn đề khống chế dao động của sàn do các hoạt động của con người gây ra vẫn chưa được quan tâm đầy đủ trong thiết

kế sàn liên hợp Hạn chế rung động để đáp ứng các tiêu chí về sự thoải mái của con người

là một trong những yêu cầu quan trọng trong thiết kế sàn Luận văn đã xây dựng qui trình thuật toán để đánh giá ảnh hưởng của hoạt động đi bộ của con người lên sàn liên hợp thép

bê tông dựa trên Hướng dẫn thiết kế kết cấu thép số 11 của Viện Thép xây dựng Hoa kỳ

Đề tài cũng so sánh kết quả tính toán gia tốc theo phương pháp phân tích lý thuyết với kết quả tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Các yếu tố khác ảnh hưởng đến dao động của sàn liên hợp thép - bê tông cũng được khảo sát và đánh giá

Từ khóa – sàn liên hợp; dao động; gia tốc; độ võng; hoạt động đi bộ

VIBRATION CONTROL IN DESIGN OF LARGE-SPAN COMPOSITE

CONCRETE-STEEL FLOORS

Abstract: Composite concrete-steel floors have been popular structural elements in a wide range of building types including commercial, industrial and residential buildings in Vietnam, due to their remarkable advantages in structural efficiency and speed of construction However, vibration of floors is not sufficiently considered during the design

of composite concrete-steel floors Limiting the vibration to meet the criteria of human comfort is one of important requirements in floor design The thesis developed the analytical procedure to evaluate the influence of human induced walking excitation on the composite concrete-steel floors based on the Steel Design Guide 11 of the American Institute of Steel Construction The research also compared the acceleration calculated from the analytical theory with that from the finite element method Other parameters having impact on vibration of composite concrete-steel floors were also investigated and assessed

Key words - composite floor; vibration; acceleration; deflection; walking

excitation

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả

năng chịu lực như nhau 13

Bảng 1.2 So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau 14

Bảng 1.3 So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng, một nhịp 14

Bảng 1.4 So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng, ba nhịp 14

Bảng 1.5 So sánh trọng lượng thép dầm sàn 15

Bảng 2.1 Tần số do hoạt động đi bộ và các hệ số động 24

Bảng 2.2 Khuyến nghị về gia tốc giới hạn trong thiết kế sàn 29

Bảng 3.1 Kết quả đánh giá dao động sàn khi tăng chiều dày sàn với khoảng cách dầm phụ thay đổi 42 Bảng 3.2 Kết quả đánh giá dao động sàn khi tăng độ cứng dầm chính và dầm phụ44

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cầu Melan Arch 4

Hình 1.2 Dầm thép thường và dầm thép liên hợp 4

Hình 1.3 One Atlantic Center, Atlanta (USA), 50 tầng 5

Hình 1.4 Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) 7

Hình 1.5 Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo) 7

Hình 1.6 Citibank ở Duisburg (Germany) 8

Hình 1.7 Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM 8

Hình 1.8 Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh 9

Hình 1.9 Vietinbank Tower, Hanoi 9

Hình 1.10 Khách sạn JW Marriott, Hà Nội 10

Hình 1.11 Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ 10

Hình 1.12 Sàn liên hợp với tấm tôn thép định hình 15

Hình 1.13 Hình dạng tấm tôn thép định hình 16

Hình 1.14 Kích thước của sàn và tấm tôn thép định hình 16

Hình 1.15 Các dạng tạo liên kết điển hình trong sàn liên hợp 17

Hình 1.16 Sự làm việc của sàn liên hợp 17

Hình 1.17 Tiết diện phá hoại của các dạng phá hoại khác nhau 18

Hình 2.1 Bệnh viện Plymouth Derriford 19

Hình 2.2 Một dạng dao động điển hình của sàn 21

Hình 2.3 Phản ứng cộng hưởng do đi bộ 22

Hình 2.4 Giới hạn cho phép của tần số và gia tốc đỉnh 23

Hình 2.5 Sơ đồ đơn giản của phản ứng dao động 23

Hình 2.6 Mô hình tải trọng thẳng đứng của người đi bộ 24

Hình 2.7 Hệ số động, α, so với tần số tự nhiên 25

Hình 2.8 Phản ứng xung bước chân 26

Hình 2.9 Tổng trọng lượng của hệ thống sàn 30

Hình 2.10 Chiều rộng tham gia làm việc của dầm phụ 31

Hình 2.11 Chiều rộng tham gia làm việc của dầm chính 33

Hình 3.1 Diện tích ô sàn xét tính toán 37

Hình 3.2 Mặt cắt ngang ô sàn 38

Hình 3.3 Mặt bằng sàn mô phỏng 45

Hình 3.4 Chi tiết ô sàn (2-3)/(B-C) xem xét dao động 45

Hình 3.5 Gia tốc của sàn tại vị trí điểm a 46

Hình 3.6 Gia tốc của sàn tại vị trí điểm b 46

Hình 3.7 Giao thoa gia tốc của sàn tại vị trí điểm a và điểm b 47

Hình 3.8 So sánh phản ứng sàn trước và sau khi thay đổi chiều dày sàn 47

Hình 3.9 Gia tốc tính toán khi tăng độ cứng dầm 48

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sàn liên hợp thép bê tông hiện đang là công nghệ hàng đầu trong ngành xây dựng của thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng Trước kia, khi sử dụng các kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ Để khắc phục các nhược điểm trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến cho các công trình nhà nhiều tầng cũng như nhà khung nhịp lớn Kết cấu này đã tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy Công trình sử dụng kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế

và đảm bảo tính thẩm mỹ Bên cạnh những ưu việt mà sàn liên hợp thép bê tông mang lại thì có những vấn đề đặt ra: đối với sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn trước những yếu tố tác động sẽ dao động như thế nào, cách để kiểm soát và hạn chế rung động này ra sao cần được quan tâm nghiên cứu là điều cần thiết Vậy nên đề tài

“Nghiên cứu khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế” có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng nghiên cứu:

- Sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn

4 Phạm vi nghiên cứu:

- Hạn chế dao động kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông do hoạt động của con người

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dao động của sàn liên

hợp thép - bê tông

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 V20 để mô phỏng dao động của hệ kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn:

Nghiên cứu trong luận văn dựa trên cơ sở Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) biên soạn và xuất bản tháng 5 năm 2016 và một số tài liệu tham khảo liên quan Ngoài ra luận văn còn áp dụng những kiến thức về sức bền vật liệu, cơ học

kết cấu và phần mềm SAP2000 V20 để tính toán dao động theo AISC DG11

7 Bố cục đề tài:

Chương 1: Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.3 Đặc tính kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.4 So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép - bê tông so với kết cấu khác

1.5 Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông

1.6 Kết luận chương I

Chương 2: Một số vấn đề về dao động của sàn liên hợp thép bê tông

2.1 Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép - bê tông

2.2 Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép - bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11)

2.3 Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông

Lịch sử phát triển của kết cấu hỗn hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Thực chất kết cấu này là một cá biệt của kết cấu BTCT Do tính chất cấu tạo của thép trong kết cấu liên hợp khác với trong kết cấu BTCT thông thường, tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như BTCT thường và do đó việc thiết kế kết cấu loại này cũng mang tính chất hoàn toàn khác

Kết cấu liên hợp thép bêtông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp với bêtông hoặc bêtông cốt thép để chúng cùng tham gia chịu lực Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng bao gồm:

+ Bê tông được nhồi trong kết cấu thép ( Concrete Filled Tube – CFT):

+ Bê tông bọc ngoài kết cấu thép ( Concrete Encased Sections – CES):

+ Thép kết cấu liên kết với bê tông:

Việc hình thành kết cấu này bắt nguồn từ hai nguyên nhân Nguyên nhân thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn bằng các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng, khi hàm lượng quá lớn hình thành nên kết cấu liên hợp Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bê tông để chống xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực, từ đó hình thành nên kết cấu liên hợp thép – bê tông Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết cấu này cũng đã được sử dụng tới hơn thế kỷ, và càng ngày càng thấy có nhiều điểm ưu việt cần phải khai thác

1.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới

Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông dùng trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm

Tại Mỹ, năm 1894, cầu Melan Arch được thiết kế bởi một kỹ sư người Áo J Melan được đánh dấu là ứng dụng liên hợp đầu tiên Cầu vòm bê tông, cốt thép và

thép kết cấu vượt nhịp 30feet (~9m) qua một dòng suối ở một thành phố nhỏ Rock

Rapids ở Northvvest Iowa

Hình 1.1 Cầu Melan Arch

Ở Châu Âu, những năm 1900, ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp thép – bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép ( theo giáo sư P.R Knowles)

Khi sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông người ta nhận thấy rằng việc tạo ra các chi tiết neo để tăng lực dính kết giữa bê tông và thép là cực kì quan trọng và không thể thiếu được Người ta băt đầu tạo liên kết giữa sàn bê tông và dầm thép hình đỡ sàn bằng các liên kết cơ học Những liên kết đó loại trừ hoặc là giảm sự trượt tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép, vì thế sàn bê tông và dầm thép sẽ làm việc chung tạo thành một kết cấu liên hợp gọi là “dầm liên hợp”

biến trong xây dựng nhà cao tầng ở Mỹ Đối với nhà cao tầng, việc sử dụng kết cấu liên hợp có lợi thế thi công bê tông theo phương pháp trượt ván khuôn, khi đó hệ khung thép đủ để chịu tải trọng thi công và do đó tốc độ thi công nhanh hơn Tòa nhà Atlantic Centre Project ở Atlanta cao 221m là một ví dụ tiêu biểu cho loại kết cấu này, ở đó hệ khung lõi cứng của nhà được thi công theo phương pháp ván khuôn trượt

Hình 1.3 One Atlantic Center, Atlanta (USA), 50 tầng

Năm 1944 ở Mỹ, tiêu chuẩn Quốc gia đầu tiên về kết cấu hỗn hợp thép – bê tông AASHTO (The American Association of State Highway Transportation) mới được ban hành

Sau tiêu chuẩn Mỹ (AASHTO) và của Đức (DIN 1078), Ủy ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) đã thống nhất ban hành một số tiêu chuẩn cho mọi quốc gia trong công cộng về lĩnh vực xây dựng Bộ tiêu chuẩn European Codes gồm 9 tập Trong đó bộ tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp thép - bê tông (Eurocodes 4) đã được đưa vào sử dụng năm 1997 Trong đó phần ENV 1994-4-1 là Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng, đầy

đủ các phần từ vật liệu đến thiết kế sàn, dầm, cột… bằng kết cấu liên hợp thép – bê

Ở Nhật Bản, từ năm 1910, kết cấu hỗn hợp thép – bê tông đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi trong việc xây dựng nhà cao tầng (theo báo cáo của Giáo sư Minoru Wakabayashi trường đại học tổng hợp Kyoto)

1.1.2 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam

Ở Việt Nam, lý thuyết tính toán cấu kiện liên hợp thép – bê tông (bê tông cốt cứng) đã được đưa vào giáo trình “ Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện cơ bản” xuất bản 1995, dựa vào lý thuyết tính toán của Nga Năm 2006, “ Giáo trình Kết cấu liên hợp thép – bê tông” của PGS.TS Phạm Văn Hội đã viết theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Design of Composite Steel and Concrete Structures) và các tài liệu ứng dụng tiêu chuẩn trên để thiết kế các cấu kiện liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam Với yêu cầu phát triển xây dựng hiện nay, loại kết cấu này chắc chắn sẽ được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam

1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.2.1 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế giới

Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở Mỹ cần kể đến tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) Tòa nhà cấu tạo từ các mảng tường

bê tông cốt thép toàn khối ở bốn góc nhà, giữa các cột thép bọc bê tông, các sàn dùng dầm thép đỡ bản sàn bê tông đổ tại chỗ liền với ván khuôn thép cố dịnh Nhà cao 778 feet (237 m), diện tích khoảng 2.000.000 feet vuông (185.806m2), chu kỳ dao động riêng của nhà là 6,7 giây, chi phí thép cho nhà trung bình khoảng 16 found cho 1feet vuông (khoảng 78kG/m2)

Hình 1.4 Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA)

Tháp Thiên niên kỷ (Viên – Áo), tòa nhà này có 55 tầng với diện tích khoảng 1000m2 và có chiều cao hơn 202m (bao gồm cả awngten)

Hình 1.5 Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo)

Trụ sở của Citibank ở Duisburg (Germany), cao 15 tầng (72m), diện tích 14.500m2 Theo chiều cao, tòa nhà được xây dựng cứ 3m trong một tuần

Hình 1.6 Citibank ở Duisburg (Germany)

1.2.2 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ở Việt Nam

Diamond Plaza ở TP HCM (21 tầng), sử dụng kết cấu khung thép bọc vật liệu chống cháy là sỉ lò cao, công trình của công ty xuất nhập khẩu Hồng Hà ở Hà Nội sử dụng kết cấu sàn liên hợp

Hình 1.7 Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM

Bitexco Finaancial Tower được xây dựng trên diện tích 5.267m2 quy mô 68 tầng với chiều cao 262m Tòa nhà được thiết kế bằng thép và kính

Hình 1.8 Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh

Vietinbank Tower Hà Nội bao gồm 2 tòa tháp, được liên kết với nhau bằng khối đế 7 tầng Tháp thứ nhất cao 68 tầng, tháp thứ hai cao 48 tầng

Hình 1.9 Vietinbank Tower, Hanoi

JW Marriott Hà Nội đạt tiêu chuẩn 5 sao, tọa lạc trên diện tích 63.000m2 và 16.000m2 mặt nước, bao gồm 9 tầng

1.3 Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông

Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo khả năng chịu lực, độ cứng dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc, kinh tế, thi công,

cũng như khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn

1.3.1 Kiến trúc

Kết cấu liên hợp cho phép sự đa dạng trong kiến trúc bằng cách kết hợp các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu Ngoài ra, với tiết diện nhỏ của dầm cho phép tạo ra:

Lợi ích tỷ số nhịp và chiều cao được thể hiện:

- Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao toàn bộ công trình và tiết kiệm được diện tích bao che;

- Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao dẫn đến tạo ra những không gian rộng lớn, giảm số lượng cột trong mặt bằng;

- Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao

Kết cấu liên hợp được lắp đặt dễ dàng và nhanh hơn nên:

- Tiết kiệm chi phí thi công, thời gian hoàn thành công trình sớm;

- Đưa công tình vào sử dụng dần đến thu hồi vốn nhanh hơn

1.3.3 Chịu nhiệt và chống ăn mòn

Các công trình kết cấu thép cổ điển tốn rất nhiều chi phí để bảo vệ thép kết cấu dưới tác dụng nhiệt của lửa Các kết cấu hiện đại và kết cấu liên hợp có thể chịu lửa bằng cách kết hợp với bê tông cốt thép, bê tông sẽ bảo vệ thép do bê tông có khối lượng lớn và dẫn nhiệt kém;

Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong thép mà còn tăng khả năng chịu lực, tăng

độ ổn định của cấu kiện;

Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường Điều này càng có ý nghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn

- Mặt dưới tấm thép vẫn giữ được sạch sẽ sau khi đổ bê tông và nếu sử dụng các tấm thép màu sẽ tăng tính thảm mỹ;

- Cốt thép trong sàn: Cốt thép được đặt trong sàn sẽ tăng khả năng chịu momen dương, chống co ngót, nút do nhiệt độ, chịu momen âm là bản liên tục Sự làm việc liên hợp đạt được khi sử dụng tấm thép sóng;

- Tốc độ thi công nhanh, đơn giản: Thép tấm có trọng lượng nhẹ thuận lợi vận chuyển và cất giữ ở công trường Một xe có thể vận chuyển 1500m2 thép tấm làm sàn, một đội có thể lắp đặt 400m2 thép tấm trong ngày;

- Chất lượng cấu kiện: các cấu kiện bằng thép được chế tạo tại nhà máy dưới

sự quản lý nghiêm ngặt, giảm thiểu được các yếu tố phát sinh, tăng độ chính xác cao

Thi công, xây lắp một công trình kết cấu liên hợp thép – bê tông rất nhanh và kinh tế chia ra thành các quá trình sau:

- Đầu tiên khung thép có giằng hoặc không giằng sẽ được lắp dựng, nếu các ống thép được lắp vào trong kết cấu thì các lồng cốt thép đã được lắp đặt cố định ở xưởng sản xuất;

- Các chi tiết truyền lực giữa bê tông và cốt thép như bracket, tấm thép đệm, neo chống trượt đã được chuẩn bị tại công xưởng để tăng tốc độ xây lắp và phải được lên kế hoạch chi tiết.Sau khi lắp đặt các cột xong, các dầm thép sẽ được lắp vào giữa các cột (có thể chỉ gác lên các cột);

- Sàn bê tông đúc sẵn hoặc tấm thép tôn để làm sàn được gác lên phục vụ như sàn công tác, tấm coppha;

- Cuối cùng đúc bê tông sàn và cột cùng một lúc Sau khi bê tông đông cứng,

độ cứng và khả năng chịu lực của cột và dầm sẽ tăng lên, liên kết sẽ tự động chuyển sang liên kết nửa cứng

1.4 So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác

Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn nhiều so với kết cấu không liên hợp Điều này thể hiện rõ qua kết quả so sánh thể hiện ở bảng

1.1 và bảng 1.2 Bảng tổng hợp này được tham khảo từ giáo trình thuộc chương trình châu Âu về chuyển giao kỹ thuật ở Việt Nam

Kết cấu liên hợp thép – bê tông có thể đạt hiệu quả kinh tế cao So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp lớn hơn , nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn

Để có thể so sánh định lượng, tác giả P R Knowles đã lập bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà 5 tầng một nhịp thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và dẻo cho hai loại khung: Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép – bê tông (Bảng 1.3)

Bảng 1.4 so sánh trọng lượng thép và giá thành toàn bộ cho khung sáu tầng ba nhịp được thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và đàn dẻo cho hai loại khung: Loại khung thép hoàn toàn và khung thép liên hợp thép – bê tông

Bảng 1.5 so sánh chi phí thép cho dầm khung của nhà khi thiết kế bằng thép, bằng liên hợp thép – bê tông và bằng liên hợp thép – bê tông có dùng biện pháp thi công tạo ứng lực trước trong dầm thép

Bảng 1.1: So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi

khả năng chịu lực như nhau [1]

Dầm liên hợp Dầm thép không có liên kết chịu cắt

Chiều cao cao

Bảng 1.2: So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông

cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau [1]

Bảng 1.5: So sánh trọng lượng thép dầm sàn [1]

Dầm liên hợp tạo ứng lực trước trong thép 55

1.5 Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông

1.5.1 Yêu cầu về cấu tạo của sàn liên hợp thép - bê tông

Sàn liên hợp sử dụng phổ biến trong nhà cao tầng bao gồm các thành phần: tấm thép tôn định hình, cốt thép và bê tông đổ tại chỗ Sự làm việc của sàn liên hợp

thép – bê tông là nhờ vào sự tiếp xúc giữa bê tông và thép

Hình 1.12 Sàn liên hợp với tấm tôn thép định hình

Sàn liên hợp thép – bê tông là bản sàn một phương, các bản sàn gác lên các dầm phụ được đỡ bởi các dầm chính đặt vuông góc với dầm phụ và gác lên các cột Tùy theo ô bản lớn hay bé mà sử dụng thanh chống trong quá trình thi công, các ô bản có nhịp nhỏ hơn 3.5m thì không cần sử dụng thanh chống

Cốt thép trong bản liên hợp được dùng để:

- Phân phối tải trọng ;

- Gia cường cục bộ tại các lỗ mở của bản;

- Chống cháy, chịu Mômen âm phía trên và khống chế vết nứt do co ngót của

bê tông

Vai trò của tấm tôn:

- Đóng vai trò là sàn công tác trong quá trình thi công;

- Đóng vai trò là cốp pha vĩnh cữu cho cho sàn liên hợp;

- Đóng vai trò là cốt thép lớp dưới của bản sàn liên hợp khi bê tông đã đông cứng

Hình 1.13 Hình dạng tấm tôn thép định hình

Yêu cầu cấu tạo:

- Chiều dày sàn liên hợp từ 10 – 40 cm;

- Chiều dày của tấm tôn từ 0,75 – 1,0 mm, chiều cao từ 40 – 80 mm;

- Có lớp mạ kẻm mỏng ở 2 mặt để chống ăn mòn;

- Thép tấm định hình là thép dập nguội Sự dập nguội làm tăng độ bền cơ học

của thép dẫn đến làm tăng khả năng chịu lực của tiết diện;

- Giới hạn đàn hồi của tấm tôn khoảng 300 N/mm2;

- Chiều dày của toàn bộ sàn liên hợp là h, không được nhỏ hơn 80mm Chiều dày của riêng phần bê tông hc trên các sườn của tấm tôn không được nhỏ hơn 40

mm để tránh sự phá hoại giòn và đảm bảo lớp bảo vệ cho cốt thép Nếu sàn làm việc liên hợp với dầm hoặc sử dụng như vách cứng, chiều dày tổng thể h không được nhỏ hơn 90 mm và hc không được nhỏ hơn 50 mm

- Kích thước tiêu chuẩn của cốt liệu trong bê tông phụ thuộc vào kích thước nhỏ nhất của cấu kiện và không được lớn hơn giá trị nhỏ nhất trong các giá trị sau :

 0,4hc

 b0/3 , với b0 là chiều rộng trung bình của sườn tấm tôn;

 31,5 mm (kích thước mắt sàn rây cốt liệu)

Hình 1.14 Kích thước của sàn và tấm tôn thép định hình

- Yêu cầu đối với gối tựa : gối tựa của sàn liên hợp phải có bề rộng nhỏ nhất

là 75mm đối với các loại khối thường như dầm thép hoặc dầm bê tông và 100mm

đối với các loại gối ít gặp như gạch đá

Hình 1.15 Các dạng tạo liên kết điển hình trong sàn liên hợp

1.5.2 Sự làm việc của sàn liên hợp thép - bê tông

1.5.2.1 Ba dạng làm việc của bản liên hợp

- Tương tác hoàn toàn : không có trượt giữa thép và bê tông ở mặt tiếp xúc, phá hoại có thể là giòn hoặc dẻo, lực tới hạn Pu lớn nhất;

- Không tương tác : trượt rất lớn xảy ra tại bề mặt tiếp xúc của bê tông và thép, gần như không có sự truyền lực cắt, lực tới hạn Pu nhỏ nhất;

- Tương tác một phần : trượt bé, lực cắt truyền một phần, tải tới hạn Pu có giá trị trung gian giữa hai trường hợp trên, phá hoại giòn hoặc dẻo

Hình 1.16 Sự làm việc của sàn liên hợp

Độ cứng của sàn liên hợp :

- Thể hiện bằng phần đầu của đường cong P – δ;

- Độ cứng lớn nhất ứng với tương tác hoàn toàn

- Ba dạng liên kết giữa thép và bê tông :

 Liên kết lý hóa : bé nhưng luôn tồn tại trong tấm tôn định hình;

 Liên kết ma sát : hình thành ngay khi xuất hiện sự trượt vô cùng bé;

 Liên kết neo cơ học : xuất hiện sau khi có sự trượt đầu tiên và phụ thuộc vào hình dáng mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông

1.5.2.2 Các dạng phá hoại

- Dạng phá hoại I : Phá hoại do Mômen dương xảy ra tại giữa nhịp, xảy ra với những nhịp sàn lớn có bậc liên kết cao giữa thép và bê tông Phá hoại theo tiết diện loại I

- Dạng phá hoại II : Phá hoại do trượt ngang, xảy ra khi liên kết giữa thép và

bê tông đạt tới khả năng chịu lực giới hạn Phá hoại theo tiết diện II dọc theo chiều dài trượt Ls

- Dạng phá hoại III : Phá hoại do lực cắt đứng tại vị trí gối tựa, xảy ra với bản có chiều dày lớn, nhịp ngắn và chịu tải nặng Phá hoại xảy ra theo tiết diện III

Hình 1.17 Tiết diện phá hoại của các dạng phá hoại khác nhau

1.6 Kết luận chương 1

Với tính chất làm việc, sự tương tác giữa các loại vật liệu của kết cấu liên hợp có rất nhiều ưu việt, nên việc phát triển lý thuyết tính toán của kết cấu liên hợp phát triển song song với sự phát triển của công nghệ xây dựng nhà cao tầng Với các công trình yêu cầu nhịp lớn hoặc cao tầng kết cấu bê tông cốt thép thông thường bộc lộ rõ những giới hạn của mình, đó là kích thước kết cấu chịu lực chính, cột, dầm rất lớn, tiến độ thi công chậm Do đó, việc áp dụng kết cấu liên hợp trong các công trình nhịp lớn, cao tầng là sự tất yếu của một dạng kết cấu mới với các tính năng ưu việt, phù hợp với sự phát triển không ngừng của đất nước

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

2.1 Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép – bê tông

Thuật ngữ “rung động” áp dụng cho sàn chính là sự dao động của tòa nhà và người cư ngụ trong quá trình hoạt động hàng ngày Chuyển động này thường là dọc (lên xuống), nhưng rung động theo chiều ngang cũng có thể có Trong cả hai trường hợp, hậu quả của rung động không những gây phiền toái cho người sử dụng mà còn ảnh hưởng đến đồ đạc, phụ kiện, thậm chí là cấu trúc tòa nhà Mức độ nghiêm trọng của rung động sẽ phụ thuộc vào nguồn gốc của chuyển động, thiết kế và cách bố trí của tòa nhà Các rung động gây ra hậu quả nặng nề do động đất và vụ nổ nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của đề tài này

Rung động sàn nói chung là do các lực tác động trực tiếp lên sàn bởi tác động của con người, máy móc hoặc gián tiếp bằng cách di chuyển các giá đỡ sàn sau khi truyền qua cấu trúc tòa nhà hoặc qua mặt đất Các nguồn rung động chính trong các tòa nhà là:

- Hoạt động của con người, ví dụ như đi bộ, khiêu vũ, nhảy

- Máy móc, thiết bị gây rung động sàn

- Các tác động từ bên ngoài, ví dụ như giao thông ở tầng trệt hoặc dưới lòng đất, hoặc buông gió…

Hình 2.1 Bệnh viện Plymouth Derriford

Nguồn rung phổ biến nhất gây ra những phiền toái, làm ảnh hưởng đến tâm

thể gây phiền toái cho người làm việc hoặc sinh sống trong tòa nhà Đối với các loại hoạt động có lực tác động lớn hơn do con người như khiêu vũ và nhảy, cũng cần được chú ý trong quá trình thiết kế để hạn chế rung động

Các rung động gây ra do máy móc được giải quyết tốt nhất tại nguồn thông qua việc cung cấp các bộ phận cách ly hoặc tấm đệm bị động Các máy được cài đặt trong nhà máy có xu hướng tạo ra những rung động lớn nhất do kích cỡ và tính chất hoạt động của chúng Tuy nhiên, rung động sàn ít khi là vấn đề ở hầu hết các nhà máy, vì nó được chấp nhận bởi lực lượng lao động như một phần của môi trường công nghiệp

Gió gây ra rung động nói chung là không phải là một vấn đề đối với xây dựng xây dựng thông thường, chẳng hạn như thấp để tăng vừa thương mại hoặc khu dân cư tòa nhà Ở những nơi cần được xem xét, các nhà thiết kế xây dựng phải tham khảo mã thực hiện tải trọng gió phù hợp

Rung động đất có thể là vấn đề, nhưng tốt nhất là xử lý ở nguồn Tuy nhiên, nếu có vấn đề xảy ra, chẳng hạn như khi một tòa nhà nằm kế bên một con đường tấp nập, cần phải thực hiện các bước để giảm thiểu sự truyền tải vào và thông qua cấu trúc tòa nhà

2.2 Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép – bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) [3]

Hầu hết các vấn đề về rung động sàn đều liên quan đến các yếu tố lặp đi lặp lại

do máy móc hoặc bởi các hoạt động của con người như nhảy múa, thể dục nhịp điệu hoặc đi bộ, trong đó đi bộ phức tạp hơn so với những hoạt động khác vì lực thay đổi

vị trí với từng bước chân Các lực lặp đi lặp lại phụ thuộc thời gian do con người gây ra được biểu diễn bằng chuỗi Fourier :

Q t F

1

2

 (2.1)

Trong đó: + N: số lượng các sóng hài xem xét;

+ Q: trọng lượng cơ thể người, lb;

+ α i : Hệ số động cho lực điều hòa thứ i;

+ i: Sóng hài (1, 2, 3, );

+ f step :tần số bước, Hz;

+ t: Thời gian, s;

+ þi : pha dao động điều hòa thứ i, rad;

Phương pháp dự đoán phản hồi bắt đầu bằng một dự đoán các chế độ rung động tự nhiên, một trong số đó được đặc trưng bởi tần số tự nhiên của nó, hình dạng chế độ, giảm chấn và phương thức khối lượng Lý thuyết rung động cổ điển hoặc phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để dự đoán các tần số và chế độ hình dạng tự nhiên Một ví dụ về kiểu chế độ sàn được hiển thị trong hình 2.2 Các yếu tố phi cấu trúc như trần nhà, cơ khí thiết bị, phân vùng và đồ đạc được ước tính bằng cách sử dụng hướng dẫn dựa trên kinh nghiệm

Hình 2.2 Một dạng dao động điển hình của sàn [3]

Tần số tự nhiên cơ bản quyết định loại phản ứng rung động đối với các hoạt động của con người Nếu tần số dao động cơ bản là đủ thấp và kết hợp với kích thích dao động tuần hoàn có cùng tần số, gây ra phản ứng tối đa tạo nên hiện tượng cộng hưởng Một hệ thống cho phép phản hồi như vậy được gọi là một hệ thống tần

số thấp, thường ít hơn 9 Hz Hiện tượng cộng hưởng được thể hiện hình 2.3

sử dụng lý thuyết rung động cổ điển

2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá của việc đi bộ với tần số thấp và tầng số cao [3]

Các hướng dẫn thiết kế rung động sàn thường kết hợp các tiêu chí và phương pháp nghiên cứu khác nhau về độ thoải mái của con người để xác định đáp ứng sàn khi kiểm tra AISC DG11 cho thấy gia tốc sàn không được vượt quá giới hạn thích hợp được khuyến nghị trong hình 2.4, Các ngưỡng gia tốc, được biểu thị bằng một phần nhỏ của gia tốc trọng lực, liên quan đến các hoạt động khác nhau của con người trong các môi trường khác nhau Ví dụ, một giới hạn gia tốc cực đại 0,5% g (tức là 0,05 m /s2) thường được sử dụng cho các văn phòng tần số khác nhau

là từ 4 đến 8 Hz, trong khi đó đối với cầu đi bộ ngoài trời là 5% g, tức là cao hơn gấp mười lần

Hình 2.4 Giới hạn cho phép của tần số và gia tốc đỉnh [3]

2.2.2.1 Tần số thấp (<9 Hz)

Phản ứng đi bộ thường được chi phối bởi một chế độ và phương trình dự đoán phản ứng được lý tưởng hóa bằng sơ đồ đơn giản như hình 2.5 Phản ứng gia tốc ở trạng thái ổn định được cho bởi công thức:

 (2.2)

Trong đó: + M: khối lượng chế độ cơ bản, lb-s2/in

+ P: biên độ của lực đẩy, lb

+ β: Tỉ lệ giảm chấn

Hình 2.5 Sơ đồ đơn giản của phản ứng dao động [3]

Mô hình tải trọng người đi bộ (hình 2.10) được mô tả bằng một lực theo

phương thẳng đứng F(t) như công thức (2.1) Tuy nhiên, có một thành phần tạo ra

rung động động nhỏ so với do động điều hòa gây ra cộng hưởng được thể hiện tại

hình 2.3 Đồng thời, trọng lượng tĩnh của con người, Q, trong công thức (2.1) nên

phương trình được viết lại như sau:

F(t)= α h Qsin(2πhf step t) (2.3) Trong đó: α h : số lượng hài hòa gây ra cộng hưởng

Các hệ số động,α i , được tra theo bảng 2.1, trọng lượng cơ thể là 157 lb

Hình 2.6 Mô hình tải trọng thẳng đứng của người đi bộ [3]

Biên độ, α h Q, trong công thức (2.3) được thay cho P trong công thức (2.2)

Đồng thời, nhân thêm hệ số giảm để giải thích cho việc xây dựng cộng hưởng

không hoàn chỉnh từ đi bộ Gia tốc đỉnh được viết lại như sau:

M

Q R

Gia tốc đỉnh do đi bộ được đánh giá bằng cách chọn dao động điều hòa thấp

nhất, h, trong đó f = hf step khớp với tần số tự nhiên của cấu trúc sàn Gia tốc đỉnh

được so sánh với giới hạn thích hợp trong hình 2.4 Hệ số động, α i, của bước dao

động thứ 2 và thứ tư và tần số tự nhiên sàn, f n , được đơn giản hóa bằng công thức

sau:

f n

e 0,35

83,

M

Q R



2



e RQ a

n

f p

/ 5 , 0 2

) 83

, 0

e lb R a

n

f

) 83

, 0 (

n

f

35 , 0 0

e P g

35 , 0

 (2.7)

Trong đó: + ap: Gia tốc do cộng hưởng với tải trọng điều hòa, in./s2

+ g: Gia tốc trọng trường, 386 in./s2

: Tỉ lệ gia tốc của bản sàn khi chịu tải trọng do người đi

bộ đối với gia tốc trọng trường;

+ f n = tần số tự nhiên của sàn, Hz

2.2.2.2 Tần số cao (>9 Hz)

Hệ thống tần số cao là hệ thống dưới sự tác động của tải trọng động không hình thành cộng hưởng vì tất cả tần số phản ứng đều lớn hơn tần số dao động điều hòa được xem xét Phản ứng của một hệ thống tần số cao tương tự như một loạt các đáp ứng xung riêng lẻ với từng bước chân và sau đó tắt dần ( hình 2.8)

Hình 2.8 Phản ứng xung bước chân [3]

Kerr (1998), Willford và cộng sự (2006) đã sử dụng phép đo bằng thực

nghiệm về xung hiệu quả, I eff , kết quả là vận tốc trung bình tương tự bước chân thực

tế, vận tốc đỉnh của bước chân áp dụng theo công thức (2.8) và gia tốc đỉnh theo

30 , 1

43 , 1

Q f

f I

n

step eff (2.10)

Liu và Davis (2015) đã sử dụng công thức (2.9) để xác định gia tốc đỉnh sau

bước chân với một hệ số điều chỉnh, R M, công thức này đã góp phần làm cơ sở cho

dự đoán phản ứng xung trong tiêu chí đánh giá dao động với tần số cao:

M

I R f

a p 2 n M eff

 (2.11) Giải thích các thành phần trong công thức (2.8), (2.9), (2.10) và (2.11):

+ I eff: xung hiệu quả, lb-s;

+ a p: Gia tốc do cộng hưởng với tải trọng điều hòa, in./s2

+ f step :tần số bước đi bộ, Hz;

+ R M : hệ số điều chỉnh đối với tần số cao, lấy bằng 2,0;

+ τ: thời gian sau khi tác động bước chân, s;

+ Q: trọng lượng cơ thể, lb;

+

g

W M

2

 : khối lượng cơ bản của sàn hoặc cầu đi bộ, lb-s2/in

+ W: khối lượng hiệu quả của sàn nhà hoặc cầu đi bộ, lb

2.2.3 Tần số tự nhiên trong hệ thống sàn liên hợp [3]

Sàn liên hợp là hệ thống hai chiều có nhiều chế độ rung với tần số rất khó

dự đoán chính xác Tuy nhiên, chế độ cơ bản thường phần lớn dựa trên các phản ứng tổng thể và tần số tự nhiên cơ bản có thể được tính khá chính xác bằng cách sử dụng sau các giải pháp dạng khép kín Hệ thống sàn được giả định là một tấm bê

tông được hỗ trợ bởi hệ dầm thép Các tần số tự nhiên, f n, của chế độ cơ bản được ước tính bằng cách kết hợp chúng Tần số tự nhiên có thể được ước lượng bằng phương trình cơ bản sau:

2 / 1

(2.12)

Trong đó: + E s: modul đàn hồi của thép, lấy bằng 29.000 ksi

+ I t : moment quán tính chuyển đổi, in4

+ L: khoảng cách nhịp, in

+ g: gia tốc trọng trường, lấy bằng 386 in./s2 hoặc 9,806 m/s2

+ w: tải trọng phân bố đều trên đơn vị chiều dài, kip/in

Tần số hệ thống sử dụng mối quan hệ Dunkerley được viết lại như sau:

2 2 2

111

g j

wL

384

5 4



 : chuyển vị tương đối, in

Đối với chế độ kết hợp và theo mối quan hệ Dunkerley thì công thức (3.4) được viết

lại như sau:

g j n

g f







 18 0 , (2.15)

Trong đó: + ∆ g: chuyển vị của dầm chính, in

+ ∆ j : chuyển vị của dầm phụ, in

Đối với nhà cao tầng, tần số của cột có thể gây ra các vấn đề cộng hưởng nghiêm trọng với nhịp điệu của hoạt động , đặc biệt là aerobics Phương trình (2.15) được viết lại như sau:

c g j n

g f

Trong đó: + ∆ c: chuyển vị của cột do tải trọng tác động , in

Từ nghiên cứu của Band and Murray (1996), moment quán tính hiệu quả, I e, có thể ước tính sử dụng công thức sau:

comp chords

e

I I

Trong đó: + I chords: moment quán tính dầm thép, in4

+ I comp : Moment quán tính chuyển đổi của sàn composite, in4

+ I e: moment quán tính hiệu quả của dầm cho biến dạng cắt và lệch tâm chung, in4

r

j

e

C (2.19a)

Trong đó: + D: chiều cao danh nghĩa của dầm, in.;

+ L: Chiều dài dầm, in

Dựa trên nghiên cứu của Band and Murray (1996), moment quán tính hiệu quả được

hỗ trợ các gối đệm trên dầm ước tính sử dụng công thức sau:

4

chords r e chords r g

I C I I

C



 (2.20) Moment quán tính hiệu quả của thép cán nóng hoặc tổ hợp dầm được hỗ trợ các gối đệm trên dầm ước tính sử dụng công thức sau:

4

x comp x

g

I I I



 (2.21)

Trong đó: + I x: moment quán tính dầm thép, in4

2.3 Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn do hoạt động đi bộ [3]

2.3.1 Tiêu chuẩn áp dụng

Tiêu chuẩn được áp dụng cho sàn liên hợp có tần số thấp là đạt yêu cầu gia

tốc đỉnh, a p , do kích thích đi đi bộ không vượt quá giới hạn gia tốc cho phép, a 0 /g

được xác định từ công thức (2.7):

g

a W

e P g

35 , 0

Giới hạn gia tốc cho phép a 0 /g tra bảng 2-2 sau đây:

Bảng 2.2 Khuyến nghị về gia tốc giới hạn trong thiết kế sàn [3]

Nơi áp dụng Gia tốc giới hạn a o /g × 100%

Văn phòng, căn hộ, nhà thờ, trường

học và khu vực yên tĩnh

0.5%

2.3.2 Các thông số yêu cầu bắt buộc

Khối lượng hiệu quả, W

Khối lượng hiệu quả được ước tính bằng cách xác định khối lượng dầm phụ, dầm chính và sau đó kết hợp chúng theo tỷ lệ tương đối, được xác định bằng công