Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng sàn đến sự phân phối tải trọng gió trong nhà có kết cấu khung vách

Để làm sáng tỏ vai trò, mức độ ảnh hưởng của độ cứng sàn đến sự phân phối tải trọng, phân bố nội lực và chuyển vị ngang đối với các kết cấu công trình, dưới tác động của tải trọng ngang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

NGUYỄN NHẬT HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG SÀN

ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG GIÓ TRONG NHÀ CÓ KẾT CẤU KHUNG VÁCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐỒNG NAI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

NGUYỄN NHẬT HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG SÀN

ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG GIÓ TRONG NHÀ CÓ KẾT CẤU KHUNG VÁCH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù nhiều hay ít, dù trực tiếp hay gián tiếp Sự quan tâm giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè là rất cần thiết Để hoàn thành được bài nghiên cứu luận văn thạc sĩ, tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô, những người đã trao những kiến thức cơ bản, những bài học, những kinh nghiệm quý báu để tác giả có thể hình dung được một cách khái quát những gì cần thiết để thực hiện và hoàn thành bài nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy PGS.TS Phạm Thanh Tùng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu và động viên tác giả trong

quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô giáo Trường Đại học Lạc Hồng đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình tạo điều kiện để tác giả có thể thực hiện và hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này

Đồng Nai, ngày tháng 9 năm 2019 Tác giả

Nguyễn Nhật Hải

LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng sàn đến

sự phân phối tải trọng gió trong nhà có kết cấu khung vách” đây là công trình

nghiên cứu của riêng tác giả Các kết quả trong luận văn là trung thực

Tác giả xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Đồng Nai, ngày tháng 9 năm 2019

Tác giả

Nguyễn Nhật Hải

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của không khí Gió bão gây áp lực lớn lên công trình, rất nguy hiểm và có sức phá hoại rất lớn Ngày nay khi mà trái đất đang nóng dần lên dẫn đến biến đổi khí hậu, càng làm cho

sự ảnh hưởng của gió, bão tới công trình ngày càng lớn Do đó, cần đề xuất một mô hình tính toán hệ chịu lực nhà cao tầng có kể đến ảnh hưởng của độ cứng bản sàn, chịu tải trọng gió, phù hợp với sự làm việc của công trình Thiết lập bài toán phân phối tải trọng gió tác dụng lên kết cấu đứng nhà cao tầng

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 3

1.1 Nhà cao tầng và hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng 3

1.1.1 Nhà cao tầng 3

1.1.2 Hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng 6

1.2 Đặc điểm kết cấu sàn 10

1.2.1 Sàn sườn toàn khối 11

1.2.2 Thiết kế kết cấu sàn 12

1.3 Gió và tác động của gió vào công trình 13

1.3.1 Gió và những tính chất của gió 13

1.3.2 Tác động của gió lên nhà cao tầng 14

1.4 Kết luận chương 1 15

Chương 2: NGHIÊN CỨU ĐỘ CỨNG SÀN ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG GIÓ TRONG NHÀ CÓ KẾT CẤU KHUNG VÁCH 16

2.1 Tổng quan về phân phối tải trọng ngang trong công trình nhà nhiều tầng 16

2.1.1 Tải trọng gió 16

2.2 Ảnh hưởng của kết cấu sàn đến sự làm việc của các hệ chịu lực thẳng đứng 23 2.3 Khái niệm và phân loại độ cứng 25

2.3.1 Khái niệm độ cứng 25

2.3.2 Phân loại độ cứng 26

2.3.3 Độ cứng theo phương đứng và độ cứng theo phương ngang 29

2.4 Phân phối tải trọng ngang cho nhà có sơ đồ giằng 30

2.4.1 Trường hợp vách đối xứng trên mặt bằng và tải trọng đối xứng 30

2.4.2 Trường hợp hệ có vách không đối xứng trên mặt bằng chịu tải trọng đối xứng………… 32

2.4.3 Trường hợp nhà có vách đặt theo hai phương 36

2.4.4 Trường hợp nhà có lõi 38

2.5 Phân phối tải trọng ngang cho nhà có sơ đồ khung giằng 39

2.5.1 Trường hợp hệ kết cấu đối xứng 39

2.5.2 Trường hợp hệ kết cấu không đối xứng 40

2.6 Vấn đề nội lực cấp hai (hiệu ứng cấp hai p-Δ) 41

2.7 Kết luận chương 2 43

Chương 3: KHẢO SÁT ĐỘ CỨNG SÀN ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG GIÓ TRONG NHÀ CÓ KẾT CẤU KHUNG VÁCH 44

3.1 Sơ lược về cách thức tiến hành 44

3.2 Vật liệu và tải trọng 44

3.2.1 Vật liệu 44

3.2.2 Tải trọng 45

3.3 Mô hình và các trường hợp tính toán 45

3.3.1 Mô hình công trình 45

3.3.2 Trường hợp tính toán 47

3.4 Phân tích ứng xử của độ cứng sàn 47

3.4.1 Chu kỳ và dạng dao động của công trình 48

3.4.2 Ảnh hưởng của tải trọng gió khi thay đổi chiều dày sàn 58

3.4.3 Ảnh hưởng của tải trọng gió khi thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 62

3.5 Phân phối tải trọng gió trong nhà có kết cấu khung vách 66

3.5.1 Phân phối tải trọng gió khi thay đổi chiều dày sàn 66

3.5.2 Phân phối tải trọng gió khi thay đổi hệ số độ cứng sàn 71

3.6 Nhận xét chương 3 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các dịch chuyển tương đối ứng với ba dạng dao động riêng đầu tiên của

hệ có khối lượng phân bố đều và có độ cứng không đổi theo chiều cao 18Bảng 3.1: Tải trọng tính toán 45Bảng 3.2: Các trường hợp khảo sát 47Bảng 3.3: Chu kỳ dao động của công trình theo các mode dao động trường hợp thay đổi chiều dày sàn 48Bảng 3.4: Chu kỳ dao động của công trình theo các mode dao động trường hợp thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 49Bảng 3.5: Bảng so sánh tổng tải trọng gió tác dụng lên công trình trường hợp

thay đổi chiều dày sàn 60Bảng 3.6 Bảng so sánh tổng tải trọng gió tác dụng lên công trình trường hợp

thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nhà cao tầng cao nhất trên thế giới 4

Hình 1.2: Công trình nhà cao tầng điển hình ở Việt Nam 5

Hình 1.3: Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng 7

Hình 1.4: Hệ kết cấu khung và khung có tầng cứng 8

Hình 1.5: Hình dạng các vách cứng 8

Hình 1.6: Lõi kín và lõi hở 10

Hình 1.7: Kết cấu sàn với khung chịu lực 12

Hình 1.8: Tác động của gió lên công trình nhà cao tầng 15

Hình 2.1: Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan 19

Hình 2.2: Đường cong để xác định hệ số động lực  20

Hình 2 3: Hệ khung – vách nhà nhiều tầng 24

Hình 2.4: Tải trọng ngang tác động vào công trình 24

Hình 2.5: Phân loại độ cứng theo cách xác định 25

Hình 2.6: biến dạng dọc trục và biến dạng uốn của cấu kiện dưới tác dụng của các trường hợp tải trọng 27

Hình 2.7: Biến dạng xoắn và biến dạng cắt của các cấu kiện dưới các trường hợp tải trọng 28

Hình 2.8: Độ cứng tổng thể theo các phương của hệ kết cấu 29

Hình 2.9: Trường hợp vách đối xứng và tải trọng đối xứng 30

Hình 2.1: Sơ đồ tính T1, T2, T3 31

Hình 2.11: Nhà có vách không đối xứng trên mặt bằng 32

Hình 2.12: Phân phối tải trọng ngang cho nhà có vách không đối xứng trên mặt bằng 33

Hình 2.13: Sơ đồ để xác định vị trí tâm xoắn 35

Hình 2.14 Sơ đồ vách đặt theo hai phương 36

Hình 2.15: Nhà có lõi bố trí đối xứng 38

Hình 2.16: Nhà có bố trí không đối xứng 39

Hình 2.17: Sơ đồ nhà có khung, vách đối xứng 39

Hình 2.18: Sơ đồ tính toán nhà có sơ đồ khung giằng 40

Hình 2.19: Sơ đồ nhà có khung, vách không đối xứng 40

Hình 2.20: Sơ đồ để tính EJd 42

Hình 3.1: Sơ đồ hệ kết cấu không gian 46

Hình 3.2: Mặt bằng tầng điển hình 47

Hình 3.3: Chu kỳ dao động của công trình trường hợp thay đổi chiều dày sàn 48

Hình 3.4: Chu kỳ dao động của công trình trường hợp thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 49

Hình 3.5: Dạng dao động của công trình theo phương X ở modal 1 50

Hình 3.6: Dạng dao động của công trình theo phương Y ở modal 2 51

Hình 3.7: Dạng dao động của công trình theo phương X ở modal 4 52

Hình 3.8: Dạng dao động của công trình theo phương Y ở modal 6 53

Hình 3.9: Dạng dao động của công trình theo phương X ở modal 1 54

Hình 3.10: Dạng dao động của công trình theo phương Y ở modal 2 55

Hình 3.11: Dạng dao động của công trình theo phương X ở modal 4 56

Hình 3.12: Dạng dao động của công trình theo phương Y ở modal 6 57

Hình 3.13: So sánh tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương X trường hợp thay đổi chiều dày sàn 58

Hình 3.14: So sánh tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương Y trường hợp thay đổi chiều dày sàn 59

Hình 3.15: So sánh tổng tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương X trường hợp thay đổi chiều dày sàn 60

Hình 3.16: So sánh tổng tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương X trường hợp thay đổi chiều dày sàn 61

Hình 3.17: So sánh tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương X trường hợp thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 62

Hình 3.18: So sánh tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương Y trường hợp thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 63

Hình 3.19: So sánh tổng tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương X trường hợp thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 64

Hình 3.20: So sánh tổng tải trọng gió tác dụng lên công trình theo phương Y rường hợp thay đổi hệ số giảm độ cứng sàn 65

Hình 3.21: So sánh lực dọc trong cột trục 3C khi thay đổi chiều dày sàn 66

Hình 3.22: So sánh lực dọc trong vách trục 1A khi thay đổi chiều dày sàn 67

Hình 3.23: So sánh lực dọc trong vách trục 3A khi thay đổi chiều dày sàn 68

Hình 3.24: So sánh lực cắt trong lõi khi thay đổi chiều dày sàn 69

Hình 3.25: So sánh moment trong lõi khi thay đổi chiều dày sàn 70

Khi tăng chiều dày sàn, moment trong lõi giảm từ tầng 1 đến tầng 30, giá trị giảm từ 26.16% đến 38.56% 70

Hình 3.26: So sánh lực dọc trong cột trục 3C khi thay đổi hệ số độ cứng sàn 71

Hình 3.27: So sánh lực dọc trong vách trục 1A khi thay đổi hệ số độ cứng sàn 72

Hình 3.28: So sánh lực dọc trong vách trục 3A khi thay đổi hệ số độ cứng sàn 73

Hình 3.29: So sánh lực cắt trong lõi khi thay đổi hệ số độ cứng sàn 74

Hình 3.30: So sánh moment trong lõi khi thay đổi hệ số độ cứng sàn 75

Khi giảm hệ số độ cứng sàn, moment trong lõi tăng từ tầng 1 đến tầng 30, giá trị tăng từ 14.44% đến 21.74% 75

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu những vấn đề liên quan đến kết cấu nhà cao tầng là một đòi hỏi thực

tế hiện nay của Việt Nam Sàn là một bộ phận kết cấu quan trọng của kết cấu công trình và thường có các quan niệm sau:

Sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng và mềm (chịu uốn được) ngoài mặt phẳng của nó Đây là giả thuyết được áp dụng khá phổ biến cho các phương pháp tính toán hệ kết cấu nhà cao tầng, nhưng chưa phản ánh đầy đủ sự làm việc thực tế của hệ kết cấu nhà cao tầng

Bên cạnh đó, qua nghiên cứu của Drozdov.P.F (1976-1986), Phan Quang Minh (1996), Richard Liew J.Y, Balendra.T, Chen W.F (1999) đã có kết luận: Sàn chỉ có độ cứng hữu hạn trong mặt phẳng của nó

Để làm sáng tỏ vai trò, mức độ ảnh hưởng của độ cứng sàn đến sự phân phối tải trọng, phân bố nội lực và chuyển vị ngang đối với các kết cấu công trình, dưới tác động của tải trọng ngang là cần thiết và đòi hỏi phải có những nghiên cứu đầy đủ, kỹ càng hơn

2 Mục đích nghiên cứu

Đề xuất một mô hình tính toán hệ chịu lực kết cấu vách nhà cao tầng có kể đến ảnh hưởng của độ cứng sàn, chịu tải trọng ngang, phù hợp hơn với sự làm việc của công trình

3 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của độ cứng sàn đến nội lực và chuyển vị ngang của các kết cấu đứng nhà cao tầng chịu tải trọng ngang

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các hệ kết cấu chịu lực sàn liên kết với khung vách trong nhà cao tầng

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phân tích số liệu trên máy tính

6 Bố cục của luận văn

Chương 1: Tổng quan kết cấu nhà nhiều tầng

Chương 2: Nghiên cứu độ cứng sàn đến sự phân phối tải trọng gió trong nhà có kết cấu khung vách

Chương 3: Khảo sát độ cứng sàn đến sự phân phối tải trọng gió trong nhà có kết cấu khung vách

Chương 1 TỔNG QUAN KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG

1.1 Nhà cao tầng và hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng

1.1.1 Nhà cao tầng

“Nhà cao tầng là công trình mang đặc trưng của công trình có chiều cao lớn Nhà cao tầng là kết quả của quá trình tăng mật độ dân số và thiếu đất ở đối với các thành phố có kinh tế phát triển”

Khái niệm nhà cao tầng đối với từng quốc gia khác nhau thì khác nhau Nói chung khái niệm nhà cao tầng có thể được định nghĩa cơ bản như sau: Một công trình xây dựng được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với nhà thông thường

Theo “Nhà cao tầng bê tông cốt thép” của Võ Bá Tầm (2012) nhà cao cao tầng có

thể phân loại theo chiều cao do Ủy Ban nhà cao tầng quốc tế như sau:

Loại I: 9 tầng đến 16 tầng (Chiều cao nhà <50m)

Loại II: 17 tầng đến 22 tầng (Chiều cao nhà H=50-70m)

Loại III: 26 tầng đến 40 tầng (Chiều cao nhà H=75-100m)

Loại IV: hơn 40 tầng (Chiều cao nhà H>100m), hay còn được gọi là nhà chọc

trời

Trên thế giới nhà cao tầng đã được xây dựng rộng rãi ở các quốc gia và cường quốc phát triển Nhà cao tầng là điểm nổi bật và là sự phô trương về sự giàu mạnh của đất nước so với các nước khác Nhà cao tầng xuất hiện đầu tiên ở Mỹ và sau đó các quốc gia khác trên thế giới cũng bước vào ‘‘cuộc đua Nhà cao tầng’’

Hiện nay trên bảng xếp hạng nhà cao tầng trên thế giới đánh giá tòa nhà cao nhất hiện nay là công trình Burj Khalifa tại thành phố Dubai là công trình có độ cao lớn nhất với chiều cao là 828m, công trình cao thứ hai thấp hơn công trình đứng thứ nhất gần 200m là công trình Shanghai Tower tại thành phố Thượng Hải – Trung Quốc với chiều cao là 632m

a/ Tòa Burj Khalifa – Dubai b/ Shanghai Tower - Thượng Hải

(Nguồn: Huỳnh Quốc Hùng, (2012)) Hình 1.1: Nhà cao tầng cao nhất trên thế giới

Ở Việt Nam Nhà nhà cao tầng xuất hiện trong khoảng hơn 20 năm trở lại đây và đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ ở các thành phố lớn Nhà ở Việt Nam được xem

là nhà cao tầng khi tòa nhà đó có chiều cao trên 40m và trên 9 tầng thì được xem là nhà cao tầng Mới đây nhất nhà cao tầng ghi dấu ấn của hệ thống nhà cao tầng ở Việt Nam

có thể sánh vai với các công trình cao tầng trên thế giới Với thiết kế có kiến trúc lạ mắt và công trình có chiều cao đứng vị trí thứ 8 các công trình nhà cao tầng nhất thế giới là tòa nhà Bitexco và tòa Landmark 81 vừa mới được hoàn thiện đã cho thấy được nhu cầu khao khát phát triển của Việt Nam

a/ Tòa nhà Bitexco công trình kiến trúc độc đáo

b/ Tòa nhà Landmark 81 công trình cao thứ 8 trên thế giới

(Nguồn: Huỳnh Quốc Hùng, (2012)) Hình 1.2: Công trình nhà cao tầng điển hình ở Việt Nam

Trong nhà nhiều tầng người ta bố trí một hệ kết cấu không gian gồm các kết cấu phát triển theo phương đứng như khung, vách, lõi và các kết cấu phát triển theo phương ngang là sàn các tầng Các kết cấu này liên kết với nhau thành một hệ không gian để chống lại các lực dọc, moment uốn và moment xoắn xuất hiện trong hệ kết cấu

Sự phân bố độ cứng của công trình theo độ cao nhằm hạn chế chuyển vị ngang cũng như việc giảm khối lượng tham gia các thành phần giao động của công trình có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của công trình

Là công trình có kết cấu phức tạp nhằm đáp ứng khả năng chịu lực lớn do tải trọng đứng và tải trọng ngang tác động Với đặc trưng là một công trình có chiều cao lớn, nhà cao tầng chịu tác động mạng mẽ bởi tải trọng ngang tác động lên công trình nhà cao tầng

Trong quá trình thiết kế công trình nhiều tầng các kỹ sư thiết kế phải nắm bắt được các yếu tố tải trọng tác động lên công trình cũng như sử dụng các hệ kết cấu chịu lực trong công trình Kết cấu chịu lực trong công trình phải đảm bảo về các chỉ tiêu tính toán về cường độ và độ ổn định để bảo đảm cho ngôi nhà không bị sụp đổ dưới tác

động của tải trọng tĩnh và tải trọng động (Trọng lượng bản thân, gió, động đất, hoạt tải

sử dụng, nhiệt độ), xác định ứng xử của công trình biến dạng (Hạn chế chuyển vị ngang của đỉnh nhà và chuyển vị tương đối giữa hai sàn), hạn chế chuyển vị và và hạn

chế dao động ở các mức sàn để đảm bảo an toàn và mức độ dễ chịu của người sử dụng Càng lên cao tốc độ gió càng lớn, cho nên nhà càng cao thì hệ thống kết cấu để chống chuyển vị ngang càng phức tạp Chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng thẳng

đứng (Trọng lượng bản thân và hoạt tải sử dụng) tỉ lệ bậc nhất với chiều cao nhà

Trong khi đó chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng ngang tăng nhanh hơn nhiều khi chiều cao nhà tăng lên

1.1.2 Hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng

Hệ kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu tiếp nhận tải trọng đứng và tải trọng ngang Về cơ bản, hệ chịu lực được cấu tạo từ các dạng kết cấu như: Hệ kết

cấu khung chịu lực (Cấu kiện dạng thanh: dầm, cột), Hệ kết cấu tường, vách chịu lực,

Hệ kết cấu không gian (Lõi cứng, lưới, ống v.v…)

Nhằm tăng khả năng chịu lực và đảm bảo về yêu cầu kiến trúc cho nhà cao tầng, việc thiết kế kếu cấu chịu lực trong nhà cao tầng có thể phối hợp các hệ kết cấu lại với nhau để tạo ra nhiều hệ chịu lực khác nhau phù hợp với nhiều công trình khác nhau

Theo Lê Thanh Huấn (2007) các tổ hợp kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng có thể chia

- Kết cấu khung + lõi

- Kết cấu khung + vách + lõi V.v…

Theo ‘‘Giáo trình kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép’’ của tác giả Huỳnh Quốc

Hùng (2012), sự kết hợp các hệ kết cấu chịu lực có thể biểu diễn tương quan mối quan

hệ giữa chúng thông quan sơ đồ liên kết như trong hình 1.3:

(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép –Lê Thanh Huấn (2007))

Hình 1.3: Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng

1.1.2.1 Hệ kết cấu khung

Đa số khung được sử dụng là khung có nút cứng, chúng có khả năng vừa chịu tải

trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang (Gió, động đất v.v ) Hệ khung được tạo từ các thanh đứng (cột) và thanh ngang (dầm) liên kết cứng tại các chỗ giao nhau tạo

thành các khung phẳng, các khung phẳng này liên kết với nhau bằng các thanh ngang tạo thành các khung không gian

Hệ khung có ưu điểm là tạo ra không gian sử dụng lớn, chịu được tác động của cả tải trọng đứng và tải trọng ngang Nhưng khi sử dụng hệ khung cũng có một số nhược

điểm là có độ cứng không lớn, và độ kháng uốn theo phương ngang thấp nên bị hạn chế sử dụng trong nhà có chiều cao trên 40m

Để tăng độ cứng của khung theo Phạm Phú Anh Huy (2010) cần bố trí thêm các

giằng ngang tạo bởi các dầm có chiều cao lớn tạo thành tầng cứng, Khả năng chịu tải của công tình có tầng cứng có thể tăng lên khoảng 30% so với hệ khung không bố trí tầng cứng

(Nguồn: Phạm Phú Anh Huy, (2010)) Hình 1.4: Hệ kết cấu khung và khung có tầng cứng

1.1.2.2 Hệ kết cấu Vách (Tường chịu lực)

Là kết cấu chịu lực tải trọng ngang và hạn chế công trình bị uốn tốt Kết cấu vách tương tự như cột bê tông cốt thép, được ngàm trực tiếp vào móng và chiều cao xuyên suốt công trình, ngoài ra vách làm việc như một cột với chiều cao tiết diện lớn để tăng khả năng chịu uốn do tải trọng ngang tác dụng lên công trình Vách trong nhà cao tầng chỉ chịu uốn tốt theo một phương nhất định, vậy nên để tăng khả năng chịu uốn của công trình, người ta bố trí hệ vách theo hai phương

(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép –Lê Thanh Huấn (2007))

Hình 1.5: Hình dạng các vách cứng

Ngoài ra trong kết cấu chịu tác động của tải trọng ngang bởi gió ảnh hưởng đến công trình thì gây hiện tượng xoắn do sự lệch tâm khối lượng của công trình Chính vì vậy, khi bố trí kết cấu vách cho nhà cao tầng người ta thường bố trí đối xứng trên diện tích mặt bằng công trình

Độ cứng của các vách thường chiếm tỷ lệ lớn trong tổng độ cứng của toàn hệ Khi vách bị khoét lỗ, khả năng chịu lực uốn và cắt của vách sẽ bị giảm đi và cần phải được đưa vào tính toán Độ cứng của các vách thường chiếm tỷ lệ lớn trong tổng độ cứng của toàn hệ Vì vậy, các vách nên có chiều cao chạy suốt từ móng lên mái và có độ cứng không đổi trên toàn bộ chiều cao hoặc nếu phải giảm thì giảm dần từ dưới lên trên

Giống như đặc điểm của hệ kết cấu vách, kết cấu lõi trong công trình nhà cao tầng được đặt cách xa nhau sao cho vị trí bố trí lõi không là lệch tâm giữa tâm cứng và trọng tâm của nó để công trình giảm thiểu tối đa hiện tượng xoắn khi dao động

Lõi cứng làm việc như một consol lớn ngàm vào mặt móng công trình, lõi có tiết diện kín, hở hoàn toàn hoặc nửa hở, tuy nhiên thực tế lõi cứng thường có tiết diện

hở hoặc nửa hở

(Nguồn: Phạm Phú Anh Huy, (2010))

Hình 1.6: Lõi kín và lõi hở

1.1.2.4 Hệ kết cấu theo phương ngang

Ngoài những hệ kế cấu chịu lực theo phương đứng chịu tải trọng ngang cho công trình kể trên còn hệ kết cấu theo phương ngang chịu tải trọng đứng được sử dụng trong công trình như: Hệ kết cấu dầm-sàn, hệ kết cấu sàn không dầm Trong đó ngoài việc hạn chế biến dạng và chuyển vị đỉnh của công trình tầng cứng cũng là kết cấu gánh chịu tải trọng đứng rất tốt với hệ dầm lớn liên kết trược tiếp vào lõi hoặc vách của công trình

Các hệ kết cấu chịu lực theo phương ngang truyền các tải trọng ngang về các hệ kết cấu theo phương đứng và phân tán xuống lòng đất

1.2 Đặc điểm kết cấu sàn

Đặc điểm chủ yếu của kết cấu sàn là nó nằm ở vị trí ngang (Có thể nghiêng chút ít), chịu tải trọng đứng theo phương vuông góc với mặt phẳng sàn

Sàn trực tiếp nhận tải trọng thẳng đứng để truyền xuống dầm (Tường) và cột, sau

đó truyền xuống móng công trình Sàn còn có vai trò quan trọng, làm việc như vách

cứng nằm ngang tiếp nhận tải trọng ngang (Gió, động đất) để truyền vào kết cấu thẳng đứng (Khung, vách, lõi…) qua đó truyền xuống móng

Kết cấu sàn được tựa lên các kết cấu đỡ (Gối tựa) theo phương đứng là tường,

cột, khung Dưới tác dụng của tải trọng đứng kết cấu sàn làm việc chịu uốn

Trong nhà cao tầng, kết cấu sàn còn làm nhiệm vụ vách cứng nằm ngang để truyền tải trọng gió lên các kết cấu chịu lực chính là các khung, vách cứng đứng và lõi cứng

Kết cấu sàn chủ yếu được làm bằng bêtông cốt thép Ngoài ra cũng có thể làm bằng kết cấu thép, kết cấu gỗ v.v…

Với sàn bêtông cốt thép, theo phương pháp thi công chia ra:

- Sàn toàn khối, được đổ bê tông tại vị trí thiết kế (Đổ bê tông tại chỗ)

- Sàn lắp ghép, được chế tạo sẵn (Kết cấu đúc sẵn)

1.2.1 Sàn sườn toàn khối

Bộ phận chủ yếu là kết cấu bản, ngoài ra thường có thêm hệ dầm sàn

Với các gian nhà có mặt bằng tương đối bé, dùng tường chịu lực thì có thể chỉ làm một bản sàn liên kết với tường

Với gian nhà có mặt bằng không gian lớn, dùng tường chịu lực, có thể bố trí các dầm sàn song song theo một phương, dầm sàn kê lên tường chịu lực

Trường hợp có dùng khung chịu lực mà khoảng cách giữa các khung không lớn, các dầm cũng có thể chỉ đặt theo một phương, nó vừa là dầm sàn, cũng là dầm khung Khi nhà có không gian khá rộng, dùng khung chịu lực, hệ dầm thường đặt theo hai phương trong đó cần phân biệt dầm khung và dầm sàn

Dầm khung (Còn được gọi là dầm chính) là dầm liên kết với cột tạo thành khung chịu lực Dầm sàn (Dầm phụ) là dầm trực tiếp đỡ bản và gối lên dầm khung hoặc

tường

1 Bản ; 2 Dầm Phụ ; 3 Dầm Chính ; 4 Cột ; 5 Tường

(Nguồn: Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép –Lê Thanh Huấn (2007))

Hình 1.7: Kết cấu sàn với khung chịu lực

Việc tính toán kết cấu sàn, dù cho theo phương pháp nào, dù cho tính toán có chi

li đến đâu thì kết quả cũng chỉ gần đúng vì mội việc tính toán đều phải dựa vào một số giả thiết nhằm đơn giản hóa mà các giả thiết đều là gần đúng

Về tải trọng, giả thiết về hoạt tải là phân bố đều, liên tục trên mặt sàn, thực tế thì hoạt tải thường là những lực gần như là tập trung và phân bố không đều, không liên tục

Về vật liệu, trong sơ đồ đàn hồi giả thiết bêtông cốt thép là vật liệu đàn hồi, đồng chất Thực tế thì bêtông là vật liệu có tính dẻo và trong vùng kéo có thể có vết nứt Biến dạng dẻo của bêtông lại tăng theo nội lực và thời gian

Trong sơ đồ tính toán xem dầm sàn là gối tựa của bản, dầm khung là gối tựa của dầm sàn và gối tựa không có chuyển vị thẳng đứng Thực tế dầm sàn và dầm khung đều có thể có độ võng và như vậy gối tựa sẽ có chuyển vị thẳng đứng

Trong sơ đồ đàn hồi xem các gối tựa như là gối đơn, kê trên một điểm, cấu kiện

(Bản, dầm) có thể xoay trên điểm đó và như vậy sẽ dễ dàng truyền ảnh hưởng của hoạt

tải từ nhịp này sang nhịp khác Thực tế tại liên kết cứng cấu kiện khó có thể xoay tự do

và ảnh hưởng của hoạt tải khó truyền từ nhịp này sang nhịp khác

Thực chất của tính toán không phải ở chỗ xác định thật chính xác giá trị nội lực tại từng tiết diện mà ở chỗ xét được khả năng bất lợi có thể xảy ra và đảm bảo được độ

an toàn chung cho kết cấu Với yêu cầu như vậy thấy rằng dù có dùng các giả thiết gần đúng và dù có dùng sơ đồ đàn hồi hay sơ đồ dẻo để thiết kế thì vấn đề an toàn vẫn được bảo đảm trong phạm vi chấp nhận được

1.3 Gió và tác động của gió vào công trình

1.3.1 Gió và những tính chất của gió

Gió là một hiện tượng trong tự nhiên hình thành do sự chuyển động của không khí Các khối khí sẽ di chuyển từ những vùng có khí áp cao đến những vùng có khí áp thấp, sự di chuyển này tác động đến mọi vật thể nằm trên đường đi của nó Đặc trưng của sự ảnh hưởng bởi gió lên các vật thể là áp lực gió

Trong xây dựng gió tác động mạnh mẽ lên các công trình Khi kể đến gió cần chú

ý quan tâm đến yếu tố về hướng gió và vận tốc gió Gió ảnh hưởng đến các vật thể và môi trường xung quanh, gây ra những hiện tượng như sóng biển, xói mòn địa hình, lay chuyển lá cây, điều hòa không khí v.v… Gió được xem là nguồn năng lượng sạch và mang lại nhiều lợi cho con người cũng như các động, thực vật khác Nhưng bên cạnh

đó, khi gió tác động quá lớn thì trở thành thảm họa như hiện tượng bão, lốc xoáy v.v…

dễ làm ngã đổ cây cối, cột đèn, làm tốc mái nhà… gây thiệt hại nghiêm trọng đối với

cơ sở vật chất, sức khỏe và tính mạng của con người

1.3.2 Tác động của gió lên nhà cao tầng

Khi gió thổi vượt qua một công trình thì tất cả các vùng của công trình đó đều chịu một áp lực nhất định Phía đón gió xuất hiện áp lực trội đập trực tiếp vào mặt đón gió, ở phía sau công trình, phía khuất gió và ở bên hông (mặt bên) công trình xuất hiện

áp lực âm do gió hút Trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737:1995 đã đề cập cụ thể các tác động của tải trọng gió lên công trình xây dựng

Đối với nhà thấp tầng, ảnh hưởng của gió đến ngôi nhà không đáng kể, phần lớn gió tác dụng đến ngôi nhà chỉ là những cơn gió có vận tốc nhỏ do độ che kín của nhà thấp bởi cây cối và các ngôi nhà thấp tầng xung quanh Trong thiết kế gió tác dụng đến nhà thấp tầng chỉ quan tâm chú trọng đến những vùng thường xuyên xảy ra bão và lốc xoáy Đối với những ngôi nhà thấp trong khu vực thành thị gió chỉ gây áp lực lên mái nhà thấp tầng

Dưới tác dụng của tải trọng gió, các công trình cao tầng có độ thanh mảnh lớn sẽ

có dao động Tuỳ theo phân bố độ cứng của công trình mà dao động này có thể theo phương bất kỳ trong không gian

Nhà cao tầng với đặc tính cao vượt trội nên gió sẽ tác động trực tiếp và hoàn toàn tác dụng của gió vào bề mặt tòa nhà Tác động của gió đến nhà cao tầng tỷ lệ với chiều cao tòa nhà, nhà có chiều cao càng lớn thì ảnh hưởng của gió đến cong trình càng mạnh

và càng phức tạp Vì vậy dẫn đến việc phân tích thiết kế công trình cao tầng sẽ trở nên khó khăn hơn

Thông thường chúng được phân tích thành hai phương chính: Phương dọc và Phương ngang luồng gió, trong đó dao động theo phương dọc luồng gió là chủ yếu Với các công trình thấp, dao động này là không đáng kể, nhưng với các công trình cao khi dao động sẽ phát sinh lực quán tính làm tăng thêm tác dụng của tải trọng gió

(Nguồn: Dr Bungale S.Taranath, (2010)) Hình 1.8: Tác động của gió lên công trình nhà cao tầng

Sự phá hoại đối với nhà thấp tầng thường xảy ra ở hệ kết cấu bao che, đặc biệt là kết câu mái Do độ cứng của nhà thấp tầng thường được xem là khá lớn Phản ứng

động lực của công trình do tác động của gió là không đáng kể (Ngoại trừ đối với nhà thấp tầng nhịp lớn hoặc đối với kết cấu mái nhẹ như sân vận động nhà thì tải trọng gió được trình bày nhưng không phải là vấn đề cốt yếu) Đối với nhà thấp tầng người ta chỉ

chú ý đến độ bền, trong khi đó đối với nhà cao tầng, người ta còn phải chú ý đến cả độ cứng Độ cứng càng lớn tức chu kỳ càng bé, thì tải trọng gió càng bé, nhưng tải trọng động đất lại càng tăng lên và ngược lại

Các giải pháp kỹ thuật nhằm phòng ngừa và giảm nhẹ các thiệt hại do tác động của gió bão và lốc xoáy gây ra cho công trình xây dựng trong các vùng bị ảnh hưởng của thiên tai Các giải pháp kỹ thuật cho nhà bao gồm các mặt từ quy hoạch, kiến trúc, kết cấu, vật liệu đến thi công

1.4 Kết luận chương 1

Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong kết cấu công trình Để đưa ra giải pháp kết cấu sàn phù hợp với ảnh hưởng lên kết cấu khung vách cần có sự đánh giá về sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu chịu lực Ảnh hưởng của

hệ kết cấu đến tác động của tải trọng gió cần được đưa ra lý thuyết tính toán phù hợp

và sẽ đề cập ở chương 2

Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐỘ CỨNG SÀN ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI TẢI

TRỌNG GIÓ TRONG NHÀ CÓ KẾT CẤU KHUNG VÁCH 2.1 Tổng quan về phân phối tải trọng ngang trong công trình nhà nhiều tầng Kết cấu nhà nhiều tầng là một hệ thống không gian liên kết khung, vách, lõi và

sàn với nhau Để tính nội lực trong các cấu kiện có thể sử dụng các phần mềm thông dụng được xây dựng trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn, coi bê tông cốt thép

là vật liệu đàn hôi, đồng chất và đồng hướng Vì số liệu đầu vào và đầu ra rất lớn nên người thiết kế dễ bị mắc sai lầm trong tính toán, một phần là do quản lý số liệu, phần khác là do không nắm được hình ảnh về trạng thái làm việc của hệ kết cấu

Dưới đây sẽ trình bày những phương pháp tính toán cơ bản, qua đó ta có thể nắm được trạng thái ứng suất, biến dạng của hệ kết cấu nhà nhiều tầng Trong tính toán nhà nhiều tầng, việc phân chia tải trọng thẳng đứng từ sàn, mái về các kết cấu phát triển theo phương thẳng đứng và tính toán nội lực trong các cấu kiện về cơ bản không khác với các kết cấu nhà ít tầng, ngoại trừ việc không cho phép bỏ qua biến dạng dọc trục trong các cột, vách và lõi Trong khi đó, việc phân phối tải trọng ngang (gió, động đất) cho các kết cấu phát triển theo phương đứng lại là vấn đề khó và không thể tính toán

một cách đơn giản Vì vậy ở đây chỉ tập trung vào vấn đề phân phối tải trọng ngang 2.1.1 Tải trọng gió

Theo tiêu chuẩn Tải trọng và tác động TCVN 2737 – 95, áp lực gió tác động vào

mặt ngoài nhà (xem rằng các cửa bị đóng kín) được chia thành hai thành hai phần: phần tĩnh và phần động

2.1.1.1 Phần tĩnh của tải trọng gió

Giá trị tiêu chuẩn của phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao z so với mốc tiêu chuẩn đạt được xác định theo

W= W0kc (2.1) Trong đó:

W0 - Giá trị áp lực gió, phụ thuộc vào vùng áp lực gió theo địa danh hành chính (bảng 1 và bảng 2, phụ lục 2)

Nếu có số liệu về tốc độ gió thì có thể tinh W0 theo :

k - hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao, xác định theo bảng

c - hệ số khí động, lấy theo bảng

Phần tĩnh của tải trọng gió được xem là phân bổ đều trên phương ngang ở cao trình

z nào đó Phần đón gió sẽ bị đẩy vào (c có dấu cộng) còn phần phía sau nhà sẽ bị hút ra (c có dấu trừ) Nên hiểu rằng, xem áp lực gió phân bổ đều theo phương ngang chỉ là giả định Trong thực tế, gió phân bổ không đều và sẽ làm cho nhà bị xoắn Điều này cần được người thiết kế lưu ý và sẽ được đề cập ở mục sau

Ở một vài nước khác, người ta còn xét đến trường hợp cửa không đóng kín, gây

thêm tải trọng ngang theo hướng gió Theo TCVN 2737 – 95, hệ số độ tin cậy của tải

trọng gió được lấy bằng 1,2 tương ứng với nhà có thời gian sử dụng giả định là 50 năm Khi thời gian sử dụng khác đi thì giá trị tính toán của tải trọng gió phải thay đổi bằng cách nhân với hệ số cho trong bảng

2.1.1.2 Phần động của tải trọng gió

Sự thay đổi liên tục của tốc độ gió trong cơn bão làm cho nhà bị dao động, hệ quả

là làm tăng thêm tải trọng ngang do gió gây ra, đó là phần động của tải trọng gió

Theo TCVN 2737 – 95, không cần phải tính đến phần động của tải trọng gió đối với

nhà có chiều cao dưới 40 m

a) Tần số dao động riêng của nhà

Đối với những nhà có khối lượng riêng phân bố đều theo chiều cao, độ cứng EJ của

hệ kết cấu phát triển theo phương đứng không đổi theo chiều cao và được liên kết ngàm trên mặt móng thì tần số dao động riêng thứ i được xác định như đối với một thanh công sôn đặt đứng có vô hạn bậc tự do, theo công thức:

 (2.3)

H – Chiều cao của toàn bộ công trình

Trong tính toán nhà nhiều tầng người ta thường tập trung khối lượng của một đoạn chiều cao nhà bằng chiều cao tầng thành một chất điểm có cao độ bằng cao độ của sàn tầng ấy Nếu cao độ của tầng j là hj thì ξj*= hj/H là chiều cao tương đối của chất điểm thứ j

Các dịch chuyển tương đối của chất điểm thứ j (không thứ nguyên) ứng với ba dạng dao động riêng đầu tiên yj1, yj2 , yj3 được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Các dịch chuyển tương đối ứng với ba dạng dao động riêng đầu tiên của hệ

có khối lượng phân bố đều và có độ cứng không đổi theo chiều cao

 = 7,860 B3 = 1,00 b) Tính toán phần động của tải trọng gió

Theo TCVN 2737 – 95, giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió Wp ở độ cao z được xác định như sau :

Đối với công trình có tần số dao động riêng cơ bản f1 (Hz) lớn hơn giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL (f1 > fL) quy định trong bảng, thì phần động của tải trọng gió được xác định trên cơ sở chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió theo công thức:

W = Wζν (2.5) Trong đó:

W – Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao tính toán, được xác định theo công thức (2.1)

 - Hệ số áp lực động của tải trọng gió ở độ cao z lấy theo bảng

ν– Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió, được lấy theo bề mặt tính toán của công trình Bề mặt tính toán gồm có phần bề mặt tường đón gió, khuất gió, tường bên, mái, mà qua đó áp lực gió truyền được lên các bộ phận kết cấu của nhà Nếu bề mặt tính toán có dạng hình chữ nhật và được định hướng song song với các trục cơ bản như trên hình (2.1 )

(Nguồn: TCVN 2737:1995 - Tải trọng và tác động) Hình 2.1: Hệ tọa độ khi xác định hệ số tương quan

thì hệ số ν được xác định theo bảng phụ thuộc các tham số ρ và χ Các tham số cũng được ρ và χ được xác định theo bảng

Đối với nhà mặt bằng đối xứng, có f1 < fL và mọi công trình có f1 < fL < f2 với f2 là tần số dao động riêng thứ 2 của công trình, thành phần động của tải trọng gió ở độ cao

z được xác định theo công thức :

W = m.ξ.ψy ; (2.6) Trong đó :

m – là khối lượng của phần công trình mà trọng tâm có độ cao z , thường lấy là khối lượng tương đương và cao độ của một mức sàn nào đó

 - Hệ số động lực, được xác định theo đồ thị trên hình (2.2), phụ thuộc vào thông số ε và độ giảm loga của dao động

 - hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, lấy bảng 1.2

wo- Giá trị áp lực gió, lấy theo bảng 1 và bảng 2, phụ lục 2

(Nguồn: TCVN 2737:1995 - Tải trọng và tác động) Hình 2.2: Đường cong để xác định hệ số động lực  Đường cong   0 , 3 ứng với công trình bằng bê tông cốt thép và gạch đá, kể cả công trình bằng khung thép có kết cấu bao che Đường cong   0 , 15 ứng với các tháp trục thép, ống khói, các thiết bị dạng cột có bệ bằng bê tông cốt thép

- Hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành r phần, trong phạm vi mỗi phần đó, tải trọng gió được xem là không đổi

1 2 1

w

r

k pk k

r

k k k

Mk - Khối lượng của phần công trình thứ k ;

yk – Dịch chuyển ngang tương đối của trọng tâm phần thứ k ứng với dạng dao động riêng thứ nhất

wpk– Thành phần động phân bố đều của tải trọng gió ở phần thứ k của công trình, được xác định theo công thức (2.5)

y – Dịch chuyển ngang tương đối ở độ cao z ứng với dạng dao động riêng thứ nhất

Đối với nhà nhiều tầng có độ cứng, khối lượng và bề rộng mặt đón gió không đổi theo chiều cao, cho phép xác định giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió ở

độ cao z theo công thức

W pH- Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió ở độ cao H của đỉnh công trình, xác định theo công thức (2.5 )

Đối với nhà có tấn số dao động riêng cơ bản thứ s thỏa mãn bất đẳng thức:

fs < fL < fs+1 (2.10) cần tính toán thành phần động của tải trọng gió có kể đến s dạng dao động đầu tiên Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên phần thứ j ứng với dạng dao động thứ i được xác định theo công thức :

Wp(ji) = Mjii y ji (2.11) Trong đó

Mj – Khối lượng tập trung của phần nhà thứ j;

i - Hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i, khi đó, trong công thức (2.7)

phải thay f1 bằng fi;

y ji - Dịch chuyển tương đối của trọng tâm phần nhà thứ j tương ứng với dạng dao động riêng thứ i;

i Hệ số, được xác định bằng cách chia nhà thành n phần, trong pham vi mỗi phần, tải trọng gió được xem là không đổi :

n

j

ji F ji

i

M y

W y

1 2 1

) (

(2.12)

Trong đó:

yji - Được xác định theo bảng hoặc công thức (2.4);

W F( ji) - Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác động lên phần thứ j của nhà, ứng với dạng dao động thứ i khi chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió, xác định theo công thức:

X

1

2

)( (2.14 ) Trong đó:

X - Tổng nội lực hoặc chuyển vị do thành phần tĩnh và động;

Xt - Nội lực hoặc chuyển vị do thành phần tĩnh của tải trọng gió gây ra;

X i đ - Nội lực hoặc chuyển vị do thành phần động của tải trọng gió gây ra ứng với dạng dao động thứ i;

s - Số dạng dao động đã được đưa vào tính toán

2.2 Ảnh hưởng của kết cấu sàn đến sự làm việc của các hệ chịu lực thẳng đứng

Với giả thiết sàn cứng tuyệt đối trong mặt phẳng, chỉ là sự tương đối Trong thực

tế xây dựng kết cấu sàn nhà có nhiều loại: Sàn bê tông đổ liền khối, sàn bê tông lắp ghép, sàn bê tông thép, sàn nhiều lớp từ các vật liệu khác nhau Mỗi loại sàn đều có liên kết cấu tạo riêng nhưng không phải lúc nào cũng có khả năng làm việc như một kết cấu liền khối, không chỉ có các chuyển vị thẳng hoặc xoay mà khổng có biến dạng góc Với kết cấu sàn có dầm bê tông đổ liền khối dùng giả thiết sàn cứng tuyệt đối là phù hợp

Trong nhà cao tầng thường dùng các lưới cột kích thước lớn từ 6 đến l0m, nhưng chiều cao tầng lại hạn chế đến mức có thể Sự trái ngược này thường đuợc giải quyết bằng việc ứng dụng các kết cấu sàn không dầm hay gọi là sàn phẳng Bản sàn được kê trực tiếp lên các đầu cột, tường, vách, lõi và thường dùng bê tông ứng lực trước để tăng khả năng chống uốn, võng, và nứt Đã có những nghiên cứu chứng tỏ, ứng với các giá trị độ cứng nhất định của sàn phẳng cần phải xét tới biến dạng của sàn trong tính toán Vai trò của sàn cứng đặc biệt quan trọng khi nhà có hệ khung vách hoặc khung - lõi Ví dụ trong hệ khung - vách, nhà sẽ có đường cong uốn như trên (hình 2.3c)

Đường cong uốn của hệ khung có dạng trên hình (2.3a) tại chân ngàm có lực cắt

và góc nghiêng lớn nhất Ngược lại, tường cứng hoặc lõi cứng có đường cong uốn như thanh công xon, và góc nghiêng lớn nhất lại ở vị trí đỉnh tường Song để đạt được sự đồng điệu trong biến dạng uốn cho toàn hệ thì trong các liên kết sẽ xuất hiện những phản ứng, nội lực khác nhau về giá trị và vị trí (hình 2.3c) Kích thước chiều dài các mũi tên chỉ độ lớn của các phản lực Và nhờ vai trò của hệ giằng ngang mà hệ khung dường như đẩy ngang hệ vách cứng ở phía trên và co nó lại ở phía dưới Kết quả lực cắt sinh ra do tải trọng ngang được hệ khung tiếp thu phần lớn ở phía trên còn vách, lõi tiếp thu phần còn lại ở phía dưới

a) Khung; b) Vách (lõi); c) Sơ đồ biên dạng của hệ thống qua các liên kết (giằng)

a) Sơ đồ kết cấu chịu tải trọng ngang; b, c) Sơ đồ liên kết và tải trọng thành phần

(Nguồn: Dr Bungale S.Taranath, (2010)) Hình 2.4: Tải trọng ngang tác động vào công trình

Trong trường hợp tổng quát, khi chấp nhận những giả thiết nêu trên thì mọi bộ phận kết cấu bố trí rời rạc trong công trình đều cùng chịu lực và tuân theo một quy luật nhất định trong một hệ kết cấu thống nhất, kể cả trường hợp các vách, lõi, khung bị giảm yếu ở những tầng dưới (hình 2.4) Trong sơ đồ này, tải trọng ngang tác động vào công trình có thể được xem như tổng các thành phần tải trọng do các kết cấu đơn vị tiếp nhận tương ứng với độ cứng uốn của chúng

2.3 Khái niệm và phân loại độ cứng

2.3.1 Khái niệm độ cứng

Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng của một cấu kiện, bộ phận kết cấu hoặc

hệ kết cấu dưới tác dụng của ngoại lực Giá trị của độ cứng biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng và biến dạng Độ cứng không phải là một giá trị bất biến mà thay đổi trong quá trình làm việc của cấu kiện hoặc kết cấu dưới tác dụng của tải trọng

Tuỳ theo cách thức xác định mà độ cứng chia làm 3 loại: độ cứng ban đầu, độ cứng cát tuyến và độ cứng tiếp tuyến Cách thức xác định 3 loại độ cứng này được minh họa trong hình 2.5

(Nguồn: Giáo trình sức bền vật liệu - Đặng Việt Cương, (năm 2008))

Hình 2.5: Phân loại độ cứng theo cách xác định

Hình 2.5 cho thấy phản ứng của kết cấu khi hệ chịu tải trọng ngang, đường cong phản ứng là đường biểu diễn quan hệ giữa lực cắt đáy V với tổng chuyển vị ngang d

Độ cứng ban đầu đàn hồi K0 của kết cấu được xác định bằng độ dốc ban đầu của

đường cong phản ứng, đây là giai đoạn làm việc tuyến tính xảy ra ở hầu hết các vật liệu

xây dựng Độ cứng cát tuyến Ks là độ dốc của đường thẳng nối tâm 0 tới các điểm trên

đường cong phản ứng (tương ứng với các cấp tải trọng) Các vật liệu xây dựng thông

thường đều có độ cứng ban đầu K0 lớn hơn độ cứng cát tuyến Ks Trong miền dẻo, độ

cứng của kết cấu thường được xác định bằng độ cứng tiếp tuyến Kt, đó là độ dốc của

đường tiếp tuyến với đường cong phản ứng Sự giảm giá trị Kt cho thấy giai đoạn

mềm hoá biến dạng của kết cấu

Độ cứng được sử dụng nhiều nhất trong tính toán kết cấu là độ cứng cát tuyến,

giá trị của độ cứng cát tuyến phản ánh được biến dạng của hệ kết cấu ứng với các cấp

của tải trọng Theo định nghĩa như trong hình 1.4, độ cứng cát tuyến được xác định

bằng công thức sau:

F k



Trong đó, F là tải trọng (lực, mô men) còn d là biến dạng (chuyển vị, góc

xoay) của hệ kết cấu

Độ cứng cũng có sự phân biệt theo cấp độ của vật thể, đó là độ cứng của cấu kiện

và độ cứng của hệ kết cấu (hay độ cứng tổng thể) ở cấp độ cấu kiện, tuỳ theo loại tải

trọng và biến dạng tương ứng mà có các loại độ cứng: độ cứng dọc trục, độ cứng chống

uốn, độ cứng chống xoắn và độ cứng chống cắt ở cấp độ hệ kết cấu, tuỳ theo

phương của tải trọng mà độ cứng được phân ra thành độ cứng theo phương đứng

và độ cứng theo phương ngang

2.3.2 Phân loại độ cứng

2.3.2.1 Độ cứng dọc trục

Độ cứng dọc trục là khả năng chống lại biến dạng của cấu kiện dưới tác dụng của

tải trọng dọc theo một trục của cấu kiện Biến dạng dài của một thanh có chiều dài L

diện tích tiết diện A chịu tải trọng dọc trục N được xác định như sau:

N EA k

Độ cứng chống uốn là khả năng chống lại biến dạng uốn của cấu kiện dưới tác

dụng của mô men uốn (hình 1.2b) Biến dạng uốn của một cấu kiện được đặc trưng bởi

độ cong của trục cấu kiện Theo định nghĩa độ cong của trục cấu kiện là nghịch đảo

của bán kính cong của đường đàn hồi Độ cong của cấu kiện có mô men quán tính tiết

diện I chịu tác dụng của mô men M được xác định như sau:

(Nguồn: Giáo trình sức bền vật liệu - Đặng Việt Cương, (năm 2008))

Hình 2.6: biến dạng dọc trục và biến dạng uốn của cấu kiện dưới tác dụng của các

trường hợp tải trọng

2.3.2.3 Độ cứng chống xoắn

Độ cứng chống xoắn của cấu kiện là khả năng chống lại biến dạng dưới tác dụng

của mô men xoắn (hình 1.3a) Biến dạng xoắn được biểu thị qua góc xoắn

tương đối j giữa hai mặt cắt của thanh Góc xoay giữa tiết diện hai đầu thanh dài L có

mô men quán tính chống xoắn Ip chịu tác dụng của mô men xoắn Mz được xác định

theo công thức:

z

p

M L GI

Suy ra độ cứng chống xoắn của thanh là:

p

z GI M

Độ cứng chống cắt của cấu kiện là khả năng chống lại biến dạng dưới tác dụng

của lực cắt Biến dạng cắt là sự trượt tương đối d giữa hai mặt cắt của thanh Độ trượt

tương đối giữa hai đầu thanh dài L có diện tích tiết diện A chịu lực cắt V được xác định

theo công thức:

VL GA

Trong đó G là mô dun chống cắt của vật liệu

(Nguồn: Giáo trình sức bền vật liệu - Đặng Việt Cương, (năm 2008))

Hình 2.7: Biến dạng xoắn và biến dạng cắt của các cấu kiện dưới các trường hợp tải

trọng

2.3.3 Độ cứng theo phương đứng và độ cứng theo phương ngang

Độ cứng theo phương đứng là khả năng chống lại biến dạng thẳng đứng của hệ kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng Độ cứng theo phương ngang ngang là khả năng chống lại biến dạng theo phương ngang của hệ dưới tác dụng của tải trọng ngang

(Nguồn: Động đất và thiết kế công trình chịu động đất – Nguyễn Lê Ninh (2009))

Hình 2.8: Độ cứng tổng thể theo các phương của hệ kết cấu

Cả biến dạng đứng và biến dạng ngang đều được lấy là chuyển vị của một điểm quy ước trên đỉnh công trình Hình 2.8 thể hiện các biến dạng dưới tác dụng của tải trọng đứng và ngang của hệ kết cấu Trên thực tế, do yêu cầu về thiết kế kháng chấn và mức độ nguy hiểm của tải trọng theo phương ngang nên người ta thường chú trọng nhiều hơn đến độ cứng theo phương ngang (độ cứng ngang) của kết cấu công trình

Độ cứng ngang còn được chia thành độ cứng ngang tổng thể của hệ và

độ cứng ngang tương đối theo tầng Độ cứng ngang tổng thể được đánh giá qua lực cắt đáy (tổng tải trọng ngang) và chuyển vị ngang tại đỉnh công trình, độ cứng ngang tương đối theo tầng được đánh giá qua lực cắt tầng (Vi) và chuyển vị ngang tương đối ( i) của tầng đó (hình 2.8b)