Đánh giá các phương án thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép có kết cấu không đều đặn chịu tải trọng động đất

Để đúc kết những kiến thức đã học được, nhóm em được giao đề tài đồ án tốt nghiệp là: “ Đánh giá các phương án thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép có kết cấu không đều đặn chịu tải t

1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ KẾT CẤU KHÔNG ĐỀU ĐẶN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

SVTH: TÔN THẤT TƯỜNG - STSV: 110150178 - LỚP: 15X1B

VÕ NHẬT THIỆN - STSV: 110150164 - LỚP: 15X1B NGUYỄN ĐÌNH THẢO - STSV: 110150080 - LỚP: 15X1A

GVHD: PGS TS TRẦN QUANG HƯNG PGS TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

KS THÁI VĂN LINH

Đà Nẵng – Năm 2019

TÓM TẮT

Tên đề tài: “Đánh giá các phương án thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép có

kết cấu không đều đặn chịu tải trọng động đất”

Nhóm sinh viên thực hiện:

Tôn Thất Tường Số thẻ SV: 110150178 Lớp: 15X1B

Võ Nhật Thiện Số thẻ SV: 110150164 Lớp: 15X1B Nguyễn Đình Thảo Số thẻ SV: 110150080 Lớp: 15X1A Nội dung chính của đồ án bao gồm các phần sau:

+ Kiến trúc :

­ Trình bày tổng quan về công trình, vị trí xây dựng

­ Giới thiệu kiến trúc sơ bộ, công năng sử dụng của công trình

+ Kết cấu :

­ Phân tích và lựa chọn giải pháp kết cấu cho công trình

­ Đưa ra các phương án thiết kế

­ Thiết kế các cấu kiện của từng phương án:

+ Tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình

+ Tính toán tải trọng tác dụng lên công trình và mô hình bằng Etabs

+ Tính toán và thiết kế dầm, cột, móng, vách

- So sánh và đánh giá các phương án thiết kế

- Kết luận và kiến nghị

LỜI CẢM ƠN

Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong mọi lĩnh vực, ngành xây dựng

cơ bản nói chung và ngành xây dựng dân dụng nói riêng là một trong những ngành phát triển mạnh với nhiều thay đổi về kỹ thuật, công nghệ cũng như về chất lượng Để đạt được điều đó đòi hỏi người cán bộ kỹ thuật ngoài trình độ chuyên môn của mình còn cần phải có một tư duy sáng tạo, đi sâu nghiên cứu để tận dung hết khả năng của mình

Qua 5 năm học tại khoa Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, dưới sự giúp đỡ tận tình của các Thầy, Cô giáo cũng như sự nỗ lực của bản thân, chúng em đã tích lũy cho mình một số kiến thức để có thể tham gia vào đội ngũ những người làm công tác xây dựng sau này Để đúc kết những kiến thức

đã học được, nhóm em được giao đề tài đồ án tốt nghiệp là: “ Đánh giá các phương

án thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép có kết cấu không đều đặn chịu tải trọng động đất”’’

Hoàn thành đồ án tốt nghiệp là lần thử thách đầu tiên với công việc tính toán phức tạp, gặp rất nhiều vướng mắc và khó khăn đặc biệt với đồ án Capstone Project Tuy nhiên được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo hướng dẫn, các anh em kỹ

sư trong Công ty Cổ phần Kỹ Việt đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, với kiến thức hạn chế của mình, đồng thời có ít kinh nghiệm trong tính toán và thời gian

có hạn nên đồ án thể hiện không tránh khỏi những sai sót Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo của các Thầy, Cô và các anh kỹ sư để em hoàn thiện kiến thức hơn nữa

Cuối cùng, Chúng em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô trong khoa Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đặc biệt là các Thầy Cô đã trực tiếp hướng dẫn em trong đề tài tốt nghiệp này

Nhóm sinh viên thực hiện

Tôn Thất Tường

Võ Nhật Thiện Nguyễn Đình Thảo

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

KHOA: XÂY DỰNG DD&CN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CAPSTONE PROJECT

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Võ Nhật Thiện Lớp: 15X1B

2 Tôn Thất Tường Lớp: 15X1B

3 Nguyễn Đình Thảo Lớp: 15X1A Khoa: Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp Ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng

1 Tên đề tài: “Đánh giá các phương án thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép

có kết cấu không đều đặn chịu tải trọng động đất”

2 Đề tài thuộc diện: Liên kết với Công ty Cổ phần đầu tư và Tư vấn kỹ thuật Kỹ Việt

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Bản vẽ kiến trúc công trình… (Nhà Khách Và Nhà Ở Thuộc Bộ Công An Thành Phố Đà Nẵng)., số liệu địa chất

4 Họ tên người hướng dẫn:

Họ và tên người

PGS TS Trần Quang Hưng Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp PGS TS Đặng Công Thuật Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp

KS Thái Văn Linh Công ty cổ phần đầu tư và tư vấn kỹ thuật Kỹ Việt

5 Ngày giao nhiệm vụ: 03/09/2019

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Trưởng bộ môn Hội đồng hướng dẫn

Ngày…….tháng…….năm 2019 (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU 11

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 11

1.1.1 Lí do chọn đề tài Error! Bookmark not defined 1.1.2 Tổng quan các giải pháp hiện có Error! Bookmark not defined. 1.2 Tổng quan về công trình 11

1.2.1 Mặt bằng công trình 11

1.2.2 Vị trí xây dựng và đặc điểm xây dựng 12

1.2.3 Điều kiện tự nhiên 13

1.3 Phân tích kết cấu và đề xuất giải pháp sơ bộ 14

1.3.1 Các tiêu chuẩn, quy phạm trong thiết kế công trình chịu động đất 14

1.3.2 Các giải pháp kết cấu chính 14

1.3.3 Đề xuất giải pháp 16

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU PHƯƠNG ÁN 1 18

2.1 Tính toán tải trọng tác dụng lên công trình 18

2.1.1 Tĩnh tải 18

2.1.2 Hoạt tải 21

2.2 Tổ hợp tải trọng 33

2.2.1 Phương pháp tính toán 33

2.2.2 Các trường hợp tải trọng 33

2.2.3 Tổ hợp tải trọng 34

2.3 Mô hình 34

2.4 Kiểm tra chuyển vị ngang 36

2.5 Thiết kế các cấu kiện 37

2.5.1 Thiết kế sàn 37

2.5.2 Thiết kế dầm 40

2.5.3 Thiết kế cột 53

2.5.4 Thiết kế vách 58

2.5.5 Thiết kế móng 64

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU PHƯƠNG ÁN 2 86

3.1 Tải trọng tác dụng lên công trình 87

3.1.2 Tải trọng động đất 89

3.2 Tổ hợp tải trọng 91

3.3 Mô hình 91

3.4 Kiểm tra chuyển vị ngang 92

3.5 Thiết kế các cấu kiện 93

3.5.1 Thiết kế dầm 93

3.5.2 Thiết kế cột 102

3.5.3 Thiết kế vách 105

3.5.4 Thiết kế móng 106

CHƯƠNG 4 : SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 111

4.1 Về mặt kĩ thuật 111

4.1.1 Kiến trúc 111

4.1.2 Kết cấu 111

4.2 Về kinh tế 116

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mặt bằng công trình 11

Hình 1.2: Mặt đứng công trình 12

Hình 1.3: Hệ kết cấu khung-vách cứng 15

Hình 2.1: Mặt cắt cấu tạo các lớp sàn 18

Hình 2.3: Mô hình không gian 35

Hình 2.2: Momen do gió tĩnh phương X và Y gây ra 35

Hình 2.4: Momen do gió động X và Y gây ra 35

Hình 2.5: Momen do động đất X và Y gây ra 36

Hình 2.6: Chuyển vị do động đất gây ra 36

Hình 2.7: Momen do tải cân bằng gây ra theo phương X 38

Hình 2.8: Momen do tải cân bằng gây ra theo phương Y 38

Hình 2.9: Biểu đồ lực cắt do lực P=1N gây ra 52

Hình 2.10: Biểu đồ lực cắt do ngoại lực gây ra 52

Hình 2.11: Tiết diện cột quy ước 54

Hình 2.12: Cách thành phần nội lực vách 58

Hình 2.13: Minh hoạ phương pháp vùng biên chịu momen 59

Hình 2.14: Chiều dài giả thiết của phần tử 60

Hình 2.15: Mặt bằng móng 64

Hình 2.16: Mặt bằng móng M1 74

Hình 2.17: Mặt bằng móng khối quy ước 76

Hình 2.18: Kiểm tra chọc thủng do cột 78

Hình 2.19: Mặt bằng móng M1 79

Hình 2.20: Mặt bằng và mô hình SAFE móng vách thang máy 81

Hình 2.21: Biểu đồ momen của các dãi theo phương X và Y 83

Hình 3.1: Mô hình ETABS và mặt bằng vách, lõi cứng phương án 2 86

Hình 3.2: Momen do tĩnh tải gây ra Hình 3.3: Momen do hoạt tải gây ra 91

Hình 3.4: Momen do gió X gây ra Hình 3.5: Momen do gió Y gây ra 91

Hình 3.6: Momen do động đất X gây ra Hình 3.7: Momen do động đất Y gây ra 92 Hình 3.8: Chuyển vị ngang do động đất gây ra 92

Hình 3.9: Biểu đồ lực cắt do lực P=1N gây ra 101

Hình 3.10: Biểu đồ lực cắt do ngoại lực gây ra 101

Hình 3.11: Chiều dài giả thiết của phần tử 106

Hình 3.12: Mặt bằng móng 106

Hình 3.13: Mặt bằng và mô hình SAFE móng vách thang máy 107

Hình 3.14: Biểu đồ momen của các dãi theo phương X và Y 109

Hình 4.1: Mô hình ETABS và mặt bằng bố trí vách và lõi cứng phương án 1 111

Hình 4.2: Mô hình ETABS và mặt bằng vách, lõi cứng phương án 2 112

Hình 4.3: Độ lệch tâm 112

Hình 4.4: Mode 2 và mode 10 của phương án 1 113

Hình 4.5: Mode 2 và mode 10 của phương án 2 113

Hình 4.6: So sánh tải trọng động đất gây ra bởi phương ngang chính 115

Hình 4.7: So sánh tải trọng động đất gây ra bởi phương ngang chính Y 116

Hình 4.8: Chuyển vị ngang theo các phương của hai phương án 116

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân công nhiệm vụ các thành viên 16

Bảng 2.1: Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn 18

Bảng 2.2: Tĩnh tải sàn 19

Bảng 2.3: Tải trọng tường và cửa trên sàn tầng 1 20

Bảng 2.4: Tải trọng tường và cửa trên sàn tầng 1 20

Bảng 2.5: Tải trọng tường và cửa trên dầm tầng 1 20

Bảng 2.6: Tải trọng tường và cửa trên sàn tầng 1 21

Bảng 2.7: Tải trọng gió tĩnh X 22

Bảng 2.8: Tải trọng gió tĩnh Y 23

Bảng 2.9: Thông số tải trọng 24

Bảng 2.10: Kết quả chu kỳ và tần số dao động theo các phương 24

Bảng 2.11: Tần số dao động theo phương X 25

Bảng 2.12: Tần số dao động theo phương Y 25

Bảng 2.13: Tính toán gió động theo phương X 26

Bảng 2.14: Tính toán gió động theo phương Y 26

Bảng 2.15: Kết quả chu kỳ và tần số dao động 28

Bảng 2.16: Phổ phản ứng đàn hồi 30

Bảng 2.17: TÍNH ĐỘNG ĐẤT VỚI DẠNG DAO ĐỘNG THỨ NHẤT 32

Bảng 2.18: Trường hợp tải trọng 33

Bảng 2.19: Tổ hợp nội lực dầm B133, tầng 1, trục E 40

Bảng 2.20: Các thông số 45

Bảng 2.21: Độ cong cấu kiện ứng với tải trọng tương ứng 49

Bảng 2.22: Gía trị các thông số 51

Bảng 2.23: Tổ hợp nội lực cột C19 trục E 53

Bảng 2.24: Điều kiện quy đổi theo các phương 55

Bảng 2.25: Nội lực cột C19 tầng 4 57

Bảng 2.26: Nội lực tính toán vách (tầng hầm 1) 60

Bảng 2.27: Chỉ tiêu cơ lý của đất 65

Bảng 2.28: Bảng tổng hợp tải trọng tác dụng lên móng 70

Bảng 2.29: Khoảng cách từ tâm cọc đến trục X 75

Bảng 2.30: Gía trị phản lực đầu cọc 81

Bảng 2.31: Trọng lượng các lớp đất 82

Bảng 2.32: Bề rộng dãi Strip 83

Bảng 2.33: Giá trị momen của các dãi theo phương X và Y 83

Bảng 2.34: Chọn thép phương X lớp dưới 84

Bảng 2.35: Chọn thép phương Y lớp dưới 85

Bảng 3.1: Kết quả chu kỳ và tần số dao động theo các phương 87

Bảng 3.3: Tần số dao động theo phương Y 87

Bảng 3.4: : Tính toán gió động theo phương X 88

Bảng 3.5: Tính toán gió động theo phương Y 88

Bảng 3.6: Kết quả chu kỳ và tần số dao động 89

Bảng 3.7: TÍNH ĐỘNG ĐẤT VỚI DẠNG DAO ĐỘNG THỨ NHẤT 90

Bảng 3.8: Tổ hợp nội lực dầm B461,462 trục E 93

Bảng 3.9: Tính thép chịu momen âm 94

Bảng 3.10: Tính thép chịu momen dương 94

Bảng 3.11: Kiểm tra điều kiện chịu cắt của dầm 95

Bảng 3.12: Các thông số 97

Bảng 3.13: Độ cong của các cấu kiến ứng với tải trọng tương ứng 98

Bảng 3.14: Độ cong của dầm tại các tiết diện 100

Bảng 3.15: Gía trị các thông số tính toán 101

Bảng 3.16: Tổ hợp tính toán 103

Bảng 3.17: Tính toán cột 104

Bảng 3.18: Các trường hợp tổ hợp tải của cột C19 tầng 4 105

Bảng 3.19: Nội lực tính toán vách (tầng hầm 1) 105

Bảng 3.20: Tổng hợp tải trọng tác dụng lên móng 107

Bảng 3.21: Gía trị phản lực từ đầu cọc 107

Bảng 3.22: Giá trị momen của các dãi theo phương X 109

Bảng 3.23: Chọn thép phương X lớp dưới 109

Bảng 3.24: Chọn thép phương Y lớp dưới 109

Bảng 4.1: Gía trị lực động đất theo các phương chính của hai phương án 114

Bảng 4.2: Bảng khối lượng bê tông và thép trên trục E của hai phương án 116

Bảng 4.3: Khối lượng toàn công trình của hai phương án 117

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhà cao tầng là một trong những giải pháp kiến trúc hiệu quả để giải quyết vấn đề không gian sống trong đô thị lớn Thực tế, nhà cao tầng ở nước ta ngày càng được xây dựng nhiều về số lượng cũng như quy mô

Trong đó, số lượng nhà cao tầng với hình dạng mặt bằng hay mặt đứng có kết cấu không đều đặn cũng ngày càng được thiết kế rộng rãi nhằm đáp ứng các yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ và phải phù hợp công năng sử dụng của công trình

Khi tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng ngang thì dao động riêng của nó là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến kết cấu và khả năng chịu lực của công trình Vì vậy, việc bố trí các cấu kiện hợp lí sẽ cho hiệu quả cao về khả năng chịu lực cũng như

về kinh tế Ngoài ra, các yêu cầu khắt khe khi thiết kế kháng chấn cũng khó có thể thỏa mãn nên gây khó khăn trong quá trình tính toán

Nhìn chung, khi thiết kế người ta thường dựa vào kinh nghiệm để lựa chọn phương làm việc chính cho các dạng dao động, trong khi công trình không đơn thuần làm việc theo một phương độc lập Điều này mang tính dự đoán và thiết xác thực Vì vậy, ta cần quan tâm một cách chính xác các phương và dao động riêng của công trình nhà cao tầng

®g 1

®g 2 SL6

sv 1 1

®g 1

®g 2 SL6

sv 1 1

®g 1

®g 2 SL6

sv 1 1

®g 1

®g 2 SL6

- Công trình có mặt bằng dạng chữ L, thuộc dạng mặt bằng không đối xứng

- Quy mô công trình: 15 tầng gồm 1 tầng hầm và 14 tầng nổi

- Tổng diện tích sàn: 10.184 m2

- Diện tích sử dụng chính: 5.397 m2 /3.068m² diện tích đất

Hình 1.2: Mặt đứng công trình

1.2.2 Vị trí xây dựng và đặc điểm xây dựng

Vị trí xây dựng: 264 Đường Hồ Nghinh, Quận Sơn Trà, TP Đà Nẵng

Vị trí địa lý:

- Phía Bắc giáp: Đường Nguyễn Công Trứ

- Phía Nam giáp: Đường Võ Văn Kiệt

- Phía Đông giáp: đường Hồ Nghinh, hướng ra biển Mỹ Khê

- Phía Tây giáp: Trường Tiểu học Ngô Mây

Đặc điểm:

Tòa nhà “Nhà khách và nhà ở doanh trại thuộc Công an TP Đà Nẵng” sẽ là

nơi công tác, làm việc của lực lượng ANND – XDLL CATP Đà Nẵng

Tòa nhà được thiết kế đảm bảo các yêu cầu về Tiêu chuẩn, Quy hoạch xây dựng, tiêu chuẩn an toàn và vệ sinh môi trường, PCCC Đảm bảo giao thông thuận tiện và riêng biệt cho hai khối sử dụng

Mặt bằng các tầng được bố trí hợp lý, hiện đại, đảm bảo đáp ứng dây chuyền công năng sử dụng của một Nhà khách và khách sạn

1.2.3 Điều kiện tự nhiên

Công trình thuộc địa phận Thành phố Đà Nẵng nên có các điều kiện tự nhiên đặc trưng của nơi đây

Khí hậu: nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ cao và ít biến động

- Khí hậu Đà Nẵng là nơi chuyển tiếp đan xen giữa khí hậu miền Bắc và miền Nam, với tính trội là khí hậu nhiệt đới ở phía Nam Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt: mùa khô

từ tháng 1 đến tháng 7 và mùa mưa kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12, thỉnh thoảng có những đợt rét mùa đông nhưng không đậm và không kéo dài Từ tháng 2 đến tháng 8 hàng năm, khí hậu tại Đà Nẵng nóng hơn (do hiệu ứng gió phơn ở Lào thổi sang) nhưng ít mưa và bão Từ tháng 9 đến tháng 1 hàng năm là mùa mưa, đặc biệt từ tháng

10 đến 12 thường hay có bão đổ bộ khá nguy hiểm Tháng 1 đến tháng 4, không khí ở

Đà Nẵng mát mẻ và đồng thời không có bão

- Nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 25,8°C; cao nhất vào các tháng 6, 7, 8 trung bình 28 30°C; thấp nhất vào các tháng 12,1,2 trung bình 18-23 °C

- Độ ẩm không khí trung bình là 83,4% Cao nhất là vào tháng 10,11, trung bình

từ 85,67% - 87,67%, thường thấp nhất vào các tháng 6 và 7, trung bình từ 77,33%

76,67 Lượng mưa trung bình hàng năm là 2504,57 mm; lượng mưa cao nhất vào các tháng 10, 11, trung bình 550-1000 mm/tháng; thấp nhất vào các tháng 2, 3, 4, trung bình 28–50 mm/tháng Số giờ nắng bình quân trong năm là 2156,2 giờ; nhiều nhất là vào tháng 5,6, trung bình từ 234 đến 277 giờ/tháng; ít nhất là vào tháng 11,12, trung bình từ 69 đến 165 giờ/tháng

Địa hình:

- Địa hình thành phố Đà Nẵng vừa có đồng bằng vừa có núi, vùng núi cao và d ốc tập trung ở phía Tây và phía Tây Bắc, từ đây có nhiều dãy núi chạy dài ra biển, một số đồi thấp xen kẽ vùng đồng bằng ven biển hẹp

- Đồng bằng ven biển là vùng đất thấp chịu ảnh hưởng của biển bị nhiễm mặn, là vùng tập trung nhiều cơ sở nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, quân sự, đất ở và các khu chức năng của thành phố

- Địa hình khu đất xây dựng nằm ở khu vực đồng bằng ven biển, nhìn chung là vùng đất thấp và tương đối bằng phẳng

Thủy văn:

- Hệ thống sông ngòi ngắn và dốc, bắt nguồn từ phía Tây, Tây Bắc tỉnh Quảng Nam Có hai sông chính là sông Hàn có chiều dài khoảng 204 km, tổng diện tích lưu vực khoảng 5180 km2 và sông Cu Đê với chiều dài khoảng 38 km, tổng diện tích lưu vực khoảng 426 km2

- Vùng biển Đà Nẵng có chế độ thủy triều thuộc chế độ bán nhật triều không đều Hầu hết các ngày trong tháng đều có hai lần nước lên và hai lần nước xuống, độ lớn triều tại Đà Nẵng khoảng trên dưới 1m

1.3 Phân tích kết cấu và đề xuất giải pháp sơ bộ

1.3.1 Các tiêu chuẩn, quy phạm trong thiết kế công trình chịu động đất

Theo TCVN 9386 : 2012 – THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT

❖ Nguyên tắc chỉ đạo trong thiết kế cơ sở:

- Tính đơn giản về kết cấu

- Tính đều đặn, đối xứng và siêu tĩnh

- Có độ cứng và độ bền theo cả hai phương

- Xuất hiện các vị trí nguy hiểm, dễ tập trung ứng suất

- Công trình không có tính đều đặn nên hệ số ứng xử q rất phức tạp

Với những đặc điểm trên, việc tính toán theo tiêu chuẩn sẽ gây khó khăn và khó chính xác Yêu cầu cần phải áp dụng hợp lí phương pháp tính động đất bằng phổ dao động Bố trí kết cấu hợp lý

1.3.2 Các giải pháp kết cấu chính

Các hệ kết cấu BTCT toàn khối được sử dụng phổ biến trong các nhà cao tầng bao gồm: hệ kết cấu khung, hệ kết cấu tường chịu lực, hệ khung vách hỗn hợp, hệ kết

cấu hình ống và hệ kết cấu hình hộp Việc lựa chọn hệ kết cấu dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của công trình, công năng sử dụng, chiều cao của ngôi nhà và độ lớn của tải trọng ngang (động đất, gió)

Với dạng công trình này, ta sử dụng kết cấu khung, vách, lõi kết hợp Để sự làm việc của kết cấu được chính xác ta cần bố trí vị trí các vách và lõi cứng hợp lí và có hiệu quả kinh tế

Hệ kết cấu khung giằng (khung-vách cứng)

Hình 1.3: Hệ kết cấu khung-vách cứng

Hệ kết cấu khung-giằng (khung và vách cứng) được tạo ra tại khu vực cầu thang

bộ, cầu thang máy, khu vệ sinh chung hoặc ở các tường biên, là các khu vực có tường liên tục nhiều tầng Hệ thống khung được bố trí tại các khu vực còn lại của ngôi nhà Hai hệ thống khung và vách được liên kết với nhau qua hệ kết cấu sàn Trong trường hợp này hệ sàn liền khối có ý nghĩa rất lớn Thường trong hệ thống kết cấu này hệ thống vách đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng ngang, hệ khung chủ yếu được thiết kế

để chịu tải trọng thẳng đứng Sự phân rõ chức năng này tạo điều kiện tối ưu hoá các cấu kiện, giảm bớt kích thước cột và dầm, đáp ứng được yêu cầu của kiến trúc

Hệ kết cấu khung - giằng tỏ ra là hệ kết cấu tối ưu cho nhiều loại công trình cao tầng Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôi nhà đến 40 tầng Nếu công trình được thiết kế cho vùng có động đất cấp 8 thì chiều cao tối đa cho loại kết cấu này là 30 tầng, cho vùng động đất cấp 9 là 20 tầng

Phân công nhiệm vụ các thành viên:

Bảng 1.1: Phân công nhiệm vụ các thành viên

2.1 Nhu cầu đầu tư xây dựng

2.2 Các tài liệu và tiêu chuẩn trong thiết kế

2.3 Vị trí, đặc điểm, công năng của công trình

2.4 Điều kiện tự nhiên

2.5 Các giải pháp kiến trúc, kỹ thuật (giao

thông, cấp thoát nước, thông gió, chiếu sáng…)

Thiện

3

3 Phân tích và lựa chọn phương án kết cấu

3.1 Các tiêu chuẩn và quy phạm trong thiết kế

nhà cao tầng chịu tải trọng động đất 3.2 Các giải pháp kết cấu chịu lực chính

Tường, Thảo, Thiện

3.3 Đề xuất phương án và dự kiến kết quả

4

4 Mô hình và tính toán kết cấu phương án 1,2

4.1 Tính toán tải trọng

4.1.1 Tĩnh tải 4.1.2 Hoạt tải 4.1.3 Tải trọng gió (gió tĩnh và gió động) 4.1.4 Tải trọng động đất

Thảo, Thiện, Tường

4.4 Thiết kế các cấu kiện

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU PHƯƠNG

Ta tính toán tải trọng cho từng loại nền

Đối với nền loại C:

Bảng 2.1: Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn

Lớp vật liệu

Chiều dày

Trọng lượng

Tĩnh tải sàn Lớp hoàn thiện Tổng tĩnh tải

2.1.1.2 Tĩnh tải tường và cửa trên sàn

Với các ô sàn trên sàn có tường xây nhưng không có dầm đỡ ta cần tính thêm trọng lượng tường quy thành phân bố đều trên ô sàn đó:

ng: hệ số độ tin cậy đối với gạch xây

ntr: hệ số độ tin cậy đối với lớp vữa trát

g : Trọng lượng riêng của gạch ống g = 15 kN/m3

tr : Trọng lượng riêng của lớp vữa trát tr = 18 kN/m3

g : Chiều dày lớp gạch xây

tr : Chiều dày lớp vữa trát tường

St : Diện tích tường xây trên ô sàn đó

S: Diện tích cửa trên ô sàn đó

S: diện tích của ô sàn đang xét

gc: trọng lượng riêng tính toán của 1m2 cửa gc = 21 kN/m3

- Với tường 100: gt10 = 1,1 15 0,1 + 2 1,3 0,015 18 = 2,001 (kN/m2)

- Với tường 200: gt20 = 1,1 15 0,2 + 2 1,3 0,015 18 = 4,002 (kN/m2)

Tính toán tải trọng tường và cửa trên sàn cho các tầng

Ta tính toán cho tầng 1 như sau:

Bảng 2.3: Tải trọng tường và cửa trên sàn tầng 1

Tầng Ô sàn

Kích thước(mxm)

Chiều cao tường Ht

Diện tích tường

g tt tường+cửa St200 Sc200 St100 Sc100

Các tầng còn lại tính toán tương tự

2.1.1.3 Tĩnh tải tường và cửa trên dầm

Ta tính toán với tầng 1:

- Đối với tường 200:

Bảng 2.4: Tải trọng tường và cửa trên sàn tầng 1

200

Chiều cao tường

Tải trọng tường trên 1 m2

Tải trọng tính toán

- Đối với tường 100:

Bảng 2.5: Tải trọng tường và cửa trên dầm tầng 1

100

Chiều cao tường

Tải trọng tường trên 1 m2

Tải trọng tính toán

2.1.2 Hoạt tải

2.1.2.1 Hoạt tải sàn

Ở đây, tùy thuộc vào công năng của ô sàn, tra TCVN 2737-1995, bảng 3 mục 4.3.1 sau đó nhân thêm với hệ số giảm tải cho sàn theo Mục 4.3.4.1 hoặc theo Mục 4.3.4.2 Với các công năng: Nhà ở, căn hộ (phòng ngủ, phòng ăn, phòng khách, phòng vệ sinh, phòng tắm, phòng bida, bếp, phòng giặt), Văn phòng (cơ quan, trường học, bệnh viện, ngân hàng, phòng thí nghiệm, cơ sở nghiên cứu khoa học), Phòng kỹ thuật (phòng nồi hơi boiler, phòng động cơ và quạt… kể cả trọng lượng máy); gọi là các phòng loại 1 Hệ số giảm tải ΨA1 được xác định :

ΨA1 = 0,4

1

0,6/

A A

+ (A>A1=9m 2 )

Với các công năng của công trình công cộng đông người: Phòng đọc sách thư viện, Nhà hàng, Gian hàng trung tâm thương mại, triển lãm, Phòng họp, khiêu vũ, phòng đợi, phòng khán giả, phòng hoà nhạc, khán đài, thể thao; Các phòng làm kho; Các khu vực Nhà xưởng; Ban công, Lôgia; gọi là các phòng loại 2 Hệ số giảm hoạt tải là ψA2 được xác định:

ΨA2 = 0,5

2

0,5/



= 

Hoạt tải sàn tầng 1 được tính toán như bảng sau:

Bảng 2.6: Tải trọng tường và cửa trên sàn tầng 1

STT Loại phòng

Diện tích ptc Hệ số

Tải trọng gió tính theo TCVN 2737-1995

Tải trọng gió gồm hai thành phần: Phần tĩnh và phần động

Gió được chia làm hai trường hợp: gió trái và gió phải

H: là chiều cao trung bình của hai tầng liền kề (đối với tầng mái không có

tường, chiều cao vùng đón gió chỉ kể đến lan can 1, 1m)

k: hệ số kế đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao (Z) và dạng địa hình

Gió hút tiêu chuẩn

Chiều cao tầng

Chiều cao vùng đón gió

Gió đẩy tính toán

Gió hút tính toán

Chiều cao tầng

Chiều cao vùng đón gió

Gió đẩy tính toán

Gió hút tính toán

Gió YY có cùng độ lớn với gió Y nhưng trái dấu

b Gió động

❖ Phân tích dạng dao dộng

Công trình có cao trình H=53,1 m >40 m nên cần phải xét đến thành phần động Trình tự các bước tính toán xác định thành phần động của tải trọng gió:

1 Khai báo các thông số đầu vào, bao gồm khai báo vật liệu, khai báo tiết diện cho

cấu kiện côt dầm sàn vách, khai báo các loại tải trọng, các trường hợp tải trọng, khai báo san tuyệt đối cứng

2 Khai báo khối lượng tham gia dao động

- Thực hiện khai báo Mass Source với các thông số:

Bảng 2.9: Thông số tải trọng

3 Thiết lập phân tích phẳng theo từng phương

Ở đây ta thực hiện phân tích phẳng độc lập theo từng phương, thực hiện tính toán gió động theo phương X khóa phương Y, và ngược lại

Vào menu Analyze/ Analyze Options/ chọn phương cần phân tích là XZ hoặc YZ Sau đó thiết lập các dạng dao động, ta xét 12 dạng dao động

➢ Tiến hành chạy mô hình và xuất ra các kết quả

Bảng 2.10: Kết quả chu kỳ và tần số dao động theo các phương

Các mode dao động theo phương X Các mode dao động theo phương Y Mo

Đối với công trình bê tông cốt thép có δ = 0.3, thuộc vùng gió II có tần số dao động

riêng f = 1.3 ( theo bảng 9 TCVN 2737 – 1995) L

Ta nhận thấy theo mỗi phương ta chỉ cần xét đến dạng dao động thứ nhất vì f nhỏ 1

hơn tần số dao động riêng f , nên ta sẽ tính gió động với một dạng dao động đầu tiên L

cho mỗi phương

❖ Giá trị thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình:

Đối với công trình có tần số dao dộng riêng cơ bản f1 < fL thì thành phần dộng được xác định theo công thức:

𝛎 : Hệ số tương quan không gian áp lực động, được nội suy từ bảng tra trong

phụ lục, phụ thuộc vào các thông số 𝜌 và 𝜒

𝐖𝟎 = 95 daN/m2 áp lực gió tiêu chuẩn lấy theo vùng, Đà Nẵng thuộc vùng II-B

Công trình bằng bê tông cốt thép có  = 0.3

Kết quả tính toán các thông số như sau:

𝐖𝐩𝐭𝐭= 𝐖𝐩 𝐱 𝛄 𝐱 𝛃

Trong đó:

𝛄: Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió lấy bằng 1,2

𝛃: Hệ số điều chỉnh tải trọng gió theo thời gian, công trình 50 năm lấy bằng 1

Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng dưới

Bảng 2.13: Tính toán gió động theo phương X

Tầng

Chiều cao tầng

Cao độ sàn

Lực gió tiêu chuẩn thành phần tĩnh

Hệ số áp lực động

Hệ số tương quan không gian

Lực gió tính toán thành phần động

Cao độ sàn

Lực gió tiêu chuẩn thành phần tĩnh

Hệ số áp lực động

Hệ số tương quan không gian

Lực gió tính toán thành phần động

Ta sẽ xác định giá trị tải trọng ngang của động đất theo TCVN 9386-2012

a Phương pháp tính động đất đối với nhà nhiều tầng không đối xứng

- Mặt bằng hình chữ L

- Không được bố trí khe kháng chấn

- Bố trí vách cứng theo 2 phương không đối xứng nên độ cứng ngang không đồng đều

- Không đều đặn theo mặt đứng

- Độ cứng trong mặt phẳng sàn phải khá lớn so với độ cứng ngang của các cấu kiện chịu lực thẳng đứng

➔ Công trình vi phạm tính đều đặn theo mặt bằng và mặt đứng Vì vậy cần phải

có một phương pháp tính mới áp dụng cho nhà không đều đặn Phương pháp phân tích được tóm gọn như sau:

* Bước 1: Xác định chu kỳ dao động riêng và dạng dao động riêng của nhà cao

tầng

Dạng dao động giải theo mô hình không gian Chú ý rằng tất cả các dạng dao động đều có 3 thành phần chuyển vị: xoay quanh trục z và chuyển vị ngang theo x và y

* Bước 2: Xác định số dạng dao động cần xét theo phương pháp phổ phản ứng, có

thể lấy sao cho tổng khối lượng hữu hiệu của các dạng tham gia dao động theo phương

x không được nhỏ hơn 90%; kết hợp thêm điều kiện tổng khối lượng hữu hiệu theo phương y của các dạng tham gia dao động nhỏ hơn 10% và tổng mômen quán tính

TCVN 9386:2012 cho phép lấy số dạng dao động tính toán là 3√𝑁 (N là số tầng) đối với công trình bị xoắn nhiều

* Bước 3: Tra tiêu chuẩn, xác định phổ thiết kế 𝑆𝑑(𝑇𝑖) ứng với từng dạng dao động xem xét

* Bước 4: Xác định lực cắt đáy, mômen xoắn đáy tại chân công trình tương ứng với dạng dao động thứ (i) gồm lực cắt đáy 𝑉𝑏𝑥𝑖, 𝑉𝑏𝑦𝑖 và mômen xoắn 𝑇𝑏𝑖:

* Bước 6: Tổ hợp tác động của các dạng dao động theo nguyên tắc SRSS

Nếu động đất theo phương y, ta tính toán tương tự và chú ý hoán vị vai trò của phương x và phương y

Khi tính toán phải bám sát vào TCVN 9386 : 2012 dành cho nhà cao tầng chịu tải trọng động đất

b Khối lượng hữu hiệu tham gia dao động, chu kỳ và tần số

Khai báo khối lượng tham gia dao động với các hệ số:

Bảng 2.15: Kết quả chu kỳ và tần số dao động

TABLE: Modal Participating Mass Ratios

mj: khối lượng phần tử thứ j (khối lượng tầng thứ j)

𝐈𝟎𝐣 ∶ Momen quán tính của phần tử thứ j

Các giá trị này được xuất ra từ etabs, và tính toán theo như công thức trên ta được bảng dưới

Chú ý kiểm tra điều kiện: khi xét động đất theo phương x thì

- Tổng khối lượng hữu hiệu theo phương x của tất cả các dạng dao động bằng tổng khối lượng công trình MT, tức là: ∑3𝑁𝑖=1𝑀𝑥𝑖∗ = 𝑀𝑇

- Tổng khối lượng hữu hiệu theo phương y và tổng mômen quán tính khối lượng hữu hiệu của tất cả các dạng dao động bằng không, tức là: ∑3𝑁𝑖=1𝑀𝑦𝑖∗ = 0, ∑3𝑁𝑖=1𝐼𝑜𝑖∗ = 0

c Giá trị tải trọng động đất

❖ Xác định phổ thiết kế không thứ nguyên: S T d ( )i

Đối với các thành phần nắm ngang của tác động động đất, phổ thiết kế không thứ nguyên 𝑆𝑑(𝑇) được xác định như sau:

- S, T , B T , C T : Phụ thuộc vào loại đất nền, được xác định theo bảng 3.2 của D

TCVN 9386 : 2012 Đối với nền đất loại C thì các tham số mô tả phổ phán ứng đàn hồi như sau:

Bảng 2.16: Phổ phản ứng đàn hồi

Loại nền đất S T B T C T D

- T : Chu kì dạng dao động đang xét

-  : hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương ngang  = 0.2

- ag: Gia tốc nền thiết kế trên nền loại A

k : Hệ số phản ánh dạng phá hoại thường gặp trong hệ kết cấu có tường

Với hệ kết cấu khung hoặc tương đương có kw = (1 + 𝛼0)/3 ≤ 1, nhưng không được nhỏ hơn 0.5 cho hệ kết cấu dễ xoắn 𝛼0 là tỷ số kích thước tường trong hệ kết cấu Công trình bao gồm tường 100, và 200, vậy nên kw = 0.5 ÷ 1 ta chọn 0.8

=> q = 2 x 0.8 = 1.6

Với nhà không đều đặn theo mặt đứng thì hệ số ứng xử cần được giảm đi 20%

Vậy q = 2 x 0.8 x 80% = 1.28 → lấy q = 1.5 đi thiết kế

❖ Xác định lực cắt đáy:

Đối với lực động đất theo phương X sẽ sinh ra tại đáy 3 thành phần lực tại đáy công trình gồm:

Lực cắt đáy theo phương x: 𝑽𝒃𝒙𝒊 = 𝑺𝒅(𝑻𝒊) 𝑴𝒙𝒊∗ 𝝀

Lực cắt đáy theo phương y: 𝑽𝒃𝒚𝒊 = 𝑺𝒅(𝑻𝒊) 𝑴𝒚𝒊∗ 𝝀

Moomen xoắn đáy quanh trục z: 𝑻𝒃𝒊 = 𝑺𝒅(𝑻𝒊) 𝑰𝒐𝒊∗ 𝝀

Bảng 2.17: TÍNH ĐỘNG ĐẤT VỚI DẠNG DAO ĐỘNG THỨ NHẤT

Với phương y, ta cũng thực hiện hoán đổi vai trò của x và tính toán tương tự

❖ Kết quả tính toán giá trị tải trọng động đất ở PHỤ LỤC : BẢNG TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

of Inertia

KHỐI LƯỢNG HỮU

HIỆU Mxi

KHỐI LƯỢNG HỮU

HIỆU Myi

MOMEM QUÁN TÍNH KHỐI LƯỢNG HỮU HIỆU Ioi

xoắn đáy trục Z

xoắn quanh trục z

DD X12 SEISMIC 0 User loads

Động đất theo phương X ở dạng dao động thứ mười

- TONG GIO Y = GTY + GDY

- TONG GIO YY = GTYY + GDYY

- DDX = SRSS(DDX1, DDX2, …, DDX12)

- DDY = SRSS(DDY1, DDY2, …, DDY12)

- TONG DONG DAT = SRSS(DDX, DDY)

- TH9 = TT + 0,9.(HT + TONG GIO YY)

- THDB1 = TT + 0,3.HT + TONG DONG DAT

- THDB2 = TT + 0,3.HT - TONG DONG DAT

- WIND-ENVE = ENVE(TONG GIO X, TONG GIO XX, TONG GIO Y, TONG GIO YY)

Hình 2.2: Mô hình không gian

Hình 2.4: Momen do gió động X và Y gây ra Hình 2.3: Momen do gió tĩnh phương X và Y gây ra

H là chiều cao nhà nhiều tầng, lấy bằng khoảng cách từ mặt móng đến trục của xà đỡ mái

H = 54.6 m

f là giá trị chuyển vị ngang tại đỉnh công trình do tải trọng động đất gây

ra có kể đến hệ số ứng xử q

❖ Quan niệm tính toán:

Nếu sàn liên kết với dầm giữa thì xem liên kết biên đó là ngàm, nếu sàn liên kết với dầm biên thì liên kết biên đó xem là liên kết khớp, nếu sàn không dầm thì xem đó là t ự

+ l2: Kích thước theo phương cạnh dài

+ l1: Kích thước theo phương cạnh ngắn

2.5.1.1 Số liệu tính toán

Ta tính toán tương tự như trên

Tải trọng tác dụng lên sàn bao gồm tĩnh tải (tĩnh tãi sàn, trọng lượng tường và cửa trên sàn, trên dầm)

Số liệu tính toán được đưa vào phụ lục ( PHỤ LỤC: BẢNG TÍNH THÉP SÀN)

b Tính nội lực trên từng dải

Mô hình hóa sàn trong phần mềm ETABS

Vẽ các dãi trên cột và dãi giữa nhịp trên mặt bằng sàn

Đối với các dải đi qua cột thì bề rộng là 1m Ở giữa nhịp thì lấy bề rộng bằng 2m

cả hai bên

Sau khi chạy mô hình trên ETABS, ta có momen tác dụng lên sàn như sau:

Hình 2.7: Momen do tải cân bằng gây ra theo phương X

Hình 2.8: Momen do tải cân bằng gây ra theo phương Y

2.5.1.4 Tính toán cốt thép dọc

a Theo phương X

- Thép lớp trên

Xét dải CSA29 Span 1 có momen M = -22,0719 kNm

Tính toán như tiết diện bxh = 2x0,13 m

Giả thiết khoảng cách từ tâm cốt thép đến mép sàn là a0 = 2,5 cm

Xét dải CSA29 Span 1 có momen M = 8,724 kNm

Tính toán như tiết diện bxh = 2x0,13 m

Giả thiết khoảng cách từ tâm cốt thép đến mép sàn là a0 = 2,5 cm

Xét dải CSB22 Span 1 có momen M = -15,9405 kNm

Tính toán như tiết diện bxh = 2x0,13 m

Giả thiết khoảng cách từ tâm cốt thép đến mép sàn là a0 = 2,5 cm

𝜁 = 0,5 (1 + √1 − 2𝛼𝑚 ) = 0,5 (1 + √1 − 2.0,055) = 0,971 Diện tích cốt thép yêu cầu:

Xét dải CSB22 Span 7 có momen M = 14,2016 kNm

Tính toán như tiết diện bxh = 2x0,13 m

Giả thiết khoảng cách từ tâm cốt thép đến mép sàn là a0 = 2,5 cm

- Lấy kết quả tổ hợp nội lực trong ETABS

- Tại mỗi tiết diện có hai giá trị Mmax, Mmin

- Cốt thép chịu moment âm dùng Mmin để tính

- Cốt thép chịu moment dương dùng Mmax để tính

- Nội lực dầm khung được cho trong phụ lục

Bảng 2.19: Tổ hợp nội lực dầm B133, tầng 1, trục E

Story Column Station

Momen Lực cắt Lực dọc Mmax Mmin |Q|max |N|max (m) (kNm) (kNm) (kN) (kN)

STORY1 B133 0.325 51.705 -114.960 130.630 0 STORY1 B133 0.9 97.867 -43.329 123.912 0 STORY1 B133 0.9 98.852 -41.709 105.310 0 STORY1 B133 1.8 148.634 48.189 94.795 0 STORY1 B133 1.8 149.178 49.361 71.700 0 STORY1 B133 2.7 177.098 107.151 61.185 0 STORY1 B133 2.7 177.257 107.742 35.341 0 STORY1 B133 3.6 169.611 130.474 24.826 0