Nghiên cứu bố trí khung vách hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng bê tông cốt thép

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Nguyễn Văn Quang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: ………Khóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây 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

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018

Nguyễn Văn Quang

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Học viên: Nguyễn Văn Quang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Đối với việc thiết kế kết cấu nhà cao tầng, bài toán hạn chế chuyển vị ngang công

trình luôn đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo độ bền cũng như sự làm việc bình thường của công

trình Bài báo này đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang công trình từ việc phân bổ độ cứng

khung-vách một cách hợp lý, tạo ra sự tương tác lý tưởng nhất giữa hai bộ phận chịu lực chính của

công trình Từ một thể tích bê tông nhất định, sự phân bổ độ cứng khung-vách được thực hiện thông

qua việc lựa chọn tiết diện hợp lý cho dầm và cột, cũng như bố trí hệ vách cứng ở những vị trí nào để

đảm bảo có lợi nhất cho công trình Nghiên cứu cho thấy cần phải có sự tương quan độ cứng nhất

định giữa dầm và cột thì mới đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang công trình Tại một chiều cao nhất

định, có thể cắt bỏ vách cứng nhằm tiết kiệm vật liệu và cũng góp phần hạn chế chuyển vị ngang công

trình Các kết quả được phân tích sơ bộ từ công thức giải thích và phân tích số bằng phần mềm phần

tử hữu hạn

Từ khóa - Chuyển vị ngang, phân bổ độ cứng, cắt vách cứng, phần tử hữu hạn

STUDYING AND ARRANGEMENT OF FRAME AND PARTITION

TO LIMIT HOROZONTAL TRANSPOSITION

OF ARMORED CONCRETE BUILDINGS Abstract - For the concept of high-rise buildings, the problem of decreasing the horizontal

displacement plays an important role to ensure the resistance of the building This paper proposes a

solution to decrease the horizontal displacement from the distribution of frame-wall rigidity, creating

the most ideal interaction between the two main bearing components of the building From a certain

volume of concrete, the distribution of the frame-wall rigidity is realized by choosing the appropriate

cross section for the beam and column, as well as the position of the shear wall Research shows that a

good correlation between the beam and the column stiffness contribute to decrease the horizontal

displacement of the building At a certain height, it is possible to remove the shear wall to save

material and also to limit the horizontal displacement of the building The results were analyzed using

the analytical solution and the finite element method

Key words - Horizontal displacement, distribution of the rigidity, remove the shear

wall, finite element method

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung thực hiện 3

5 Bố cục đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 5

1.1 Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển 5

1.1.1 Hệ kết cấu của nhà cao tầng 5

1.1.2 Sự làm việc của hệ kết cấu 8

1.1.3 Xu hướng phát triển của nhà cao tầng 9

1.2 Ảnh hưởng của chuyền vị ngang đến sự làm việc của công trình 11

1.3 Các phương pháp hạn chế chuyển vị ngang công trình 12

1.3.1 Bố trí Outrigger 12

1.4 Phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý (tăng độ cứng cho bản thân công trình) 15

1.5 Kết luận chương 1 16

CHƯƠNG 2 CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CÔNG TRÌNH CÓ SƠ ĐỒ KHUNG – GIẰNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG 17

2.1 Sự làm việc của công trình cao tầng có sơ đồ khung – giằng 17

2.1.1 Kết cấu khung – giằng 17

2.2 Tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng 19

2.2.1 Tải trọng gió 19

2.2.2 Tải trọng động đất 22

2.3 Sự tương tác trong hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang 27

2.4 Phương pháp tính toán gần đúng cho hệ khung - vách chịu tải trọng ngang 29

2.5 Đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng 33

2.5.1 Giảm tác dụng của tải trọng ngang lên công trình 33

2.5.2 Tăng mô men quán tính của vách cứng 33

2.5.3 Thay đổi tỷ số độ cứng H 34

2.6 Cắt vách cứng ở những tầng cao và bố trí độ cứng khung tại những tầng đó 34

2.7 Tăng lực tương tác đỉnh công trình QH 35

2.8 Kết luận chương 2 35

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG CÔNG TRÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI ĐỘ CỨNG KHUNG - VÁCH 36

3.1 Mô hình phân tích 36

3.1.1 Chọn sơ bộ tiết diện dầm, cột, vách cứng 37

3.1.2 Lựa chọn kích thước tiết diện khung hợp lý 39

3.1.3 Xác định cao độ có thể hạn chế thể tích vách cứng 41

3.1.4 Phân tích chuyển vị ngang của công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn 42

3.2 Kết luận 59

KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GİẢ

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

3.3: Tổng hợp chu kỳ T(s) và chuyển vị ngang cơ bản yH (mm) 453.4: Tải trọng gió động và khối lượng công trình 453.5: Tải trọng gió động và khối lượng công trình 46

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số hiệu

1.9: Outtrigger phát huy hiệu quả khác nhau khi bố trí ở các cao độ 14

2.3: (a) Vách chịu tải trọng ngang phân bố đều; (b) Khung chịu tải

trọng ngang; (c) Sự tương tác khung - vách 28

2.4: Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết

2.5: (a) Kết cấu khung - vách phẳng; (b) Phân tích liên tục cho

kết cấu khung - vách; (c) Sơ đồ tự do cho khung và vách 30

2.6: Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết

Tại Việt Nam do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và xã hội dẫn đến tại một số thành phố lớn dân số tập trung ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn, … tăng lên đánh kể, trong khi đó quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đấy phát triển kinh tế, giảm chi phí vận hành … Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển nhà cao tầng

Đặc trưng chủ yếu của nhà cao tầng là số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động của tải trọng ngang Khi chiều cao của công trình càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính toán thiết kế cũng gia tăng theo Đặc biệt là việc xác định phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng do gió, động đất, …

Đối với nhà cao tàng, ngoài việc chọn phương án kết cấu đủ đảm bảo khả năng chịu lực cho công trình, một vấn đề thường phải đối diện khi thiết kế nhà cao tầng là giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang Chuyển vị ngang của công trình nếu lớn không chỉ gây cảm giác khó chịu cho người sử dụng mà còn làm hư hỏng các hạng mục phụ như của kính, lan can

Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng Tòa nhà Bitexco – TP HCM

Int.Commerce Centre – Hong Kong World Financial Center – Shanghai

Hình 1: Một số nhà cao tầng

1.2 Thực trạng nghiên cứu về việc hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng

Hạn chế chuyển vị ngang công trình nhà cao tầng hiện nay đã được nhiều tác giả nghiên cứu với nhiều phương pháp khác nhau như tác giả Hồ Việt Hùng đã nghiên cứu

đề tài: "Hạn chế chuyển vị ngang cho nhà cao tầng bằng cách sử dụng Outtrigger

(dầm gánh)" Tác giải Nguyễn Hồng Hải nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu sự làm việc của nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tải trọng động đất ở Việt Nam" Nhìn chung các đề tài này đều đưa ra giải pháp tăng độ cứng của công trình

mà cụ thể là khung và vách chịu tác dụng của tải trọng ngang và tải trọng thẳng đứng

Hệ kết cấu chịu lực ngang và lực đứng trong các công trình cao tầng này chủ yếu

là hệ khung và vách/lõi Tuy nhiên, các nhà cao tầng hiện nay tại Việt Nam thường có bước cột tương đối lớn trong khi chiều cao của dầm tương đối nhỏ nhằm đảm bảo chiều cao thông thủy với một chiều cao tầng thấp nhất Tuy nhiên, không thể tùy tiện tăng kích thước vách lõi do ảnh hưởng bởi sơ đồ công năng và kiến trúc công trình Vậy nên, cần phải có một sự tính toán, phân phối khối lượng khung - vách/lõi hợp lý

để vừa đảm bảo độ cứng ngang cho kết cấu, vừa đảm bảo tiết kiệm diện tích sử dụng cũng như chi phí cho công trình Đó chính là mục tiêu của đề tài luận văn:

“Nghiên cứu bố trí khung - vách hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang nhà

cao tầng bê tông cốt thép”

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu đặt ra là sử dụng cùng một tổng thể tích Khung và Vách được xác định dựa theo các công thức tính toán sơ bộ, cần phải phân phối hợp lý cho Khung và vách một cách hợp lý để chuyển vị ngang ở đỉnh công trình là bé nhất

Một cách chi tiết, cần phải chọn kích thước tiết diện hệ khung và chiều dày vách cứng, cũng như vị trí có thể cắt giảm vách cứng để bố trí cột nhằm mục đích tăng độ cứng ngang cho công trình và từ đó có thể giảm chuyển vị đỉnh cho công trình

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn trong các công trình cao tầng bê tông cốt thép sử dụng hệ chịu lực Khung - Vách/lõi Trong hệ Khung - Vách chịu lực này, hoàn toàn có thể xác định được tổng thể tích của hệ Khung (cột+dầm) và Vách được sử dụng để làm kết cấu chịu lực cho công trình

4 Nội dung thực hiện

- Đưa ra nhận định sơ bộ về việc bố trí hệ khung-vách nhằm hạn chế chuyển vị đỉnh của công trình

Chương 1: Tổng quan về nhà cao tầng bê tông cốt thép

Chương 2: Chuyển vị ngang của công trình có sơ đồ khung giằng dưới tác dụng

của tải trọng ngang

Chương 3: Nghiên cứu hạn chế chuyển vị ngang công trình bằng phương pháp

phân phối độ cứng khung - vách

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Trong chương này, tác giả đề cập đến sự làm việc của hệ chịu lực trong nhà cao tầng, cụ thể là sự tương tác giữa khung và vách trong kết cấu khung giằng chịu lực của toàn công trình Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đó việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được thực hiện Đối với nhà cao tầng, chuyển vị ngang của nhà gây ra nhiều tác động có hại đến kết cấu và đến sự làm việc của công trình, do đó một số phương pháp hạn chế chuyển

vị ngang cũng được nghiên cứu trong chương này

1.1 Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển

1.1.1 Hệ kết cấu của nhà cao tầng

Hệ kết cấu của các nhà cao tầng được chia thành hai nhóm chính: Kết cấu bên trong và kết cấu bên ngoài Phân loại này được dựa trên sự phân bố phần tử của hệ kết cấu chính chịu tải ngang lên toà nhà Một hệ được phân loại như là một kết cấu bên trong khi phần chính của hệ chịu tải trọng ngang nằm bên trong của tòa nhà Tương tự như vậy, nếu các phần chính của công trình chịu tải trọng ngang nằm tại đường bao ngoài toà nhà thì hệ đó được phân loại là một kết cấu bên ngoài

 Hệ kết cấu bên trong

Trong hệ kết cấu này, hai loại cơ bản của hệ chịu tải trọng ngang là khung chịu lực và vách Một hệ rất quan trọng khác trong loại này là kết cấu cốt lõi, được sử dụng rất rộng rãi cho các tòa nhà siêu cao tầng hiện nay

Khung chịu lực bao gồm các phần tử ngang (dầm) và dọc (cột) liên kết cứng với nhau trong một mặt phẳng Khung này chịu tải chủ yếu thông qua độ cứng chống uốn của các phần tử Năng lực chịu tải trọng thẳng đứng của kết cấu khung thuần tuý là lớn, nhưng năng lực chịu tải trọng ngang của nó tương đối yếu, độ cứng phía mặt bên kém, do đó chuyển vị nằm ngang tương đối lớn

Kết cấu vách là hệ kết cấu chịu lực cấu thành bởi những bức tường chịu lực và sàn nhà Trong hệ này, tường chịu lực thay thế dầm, cột trong khung để chịu các tải trọng đứng và tải trọng ngang Do tường chịu lực của nhà cao tầng ngoài việc phải chịu lực nén thẳng đứng do tải trọng thẳng ứng gây ra, còn phải chịu lực trượt và mômen do tải trọng ngang sinh ra, cho nên ta mới gọi là kết cấu tường chống trượt Khi trong hệ kết cấu khung, người ta lại bố trí một số vách thì hình thành một hệ kết cấu khác Đó là hệ kết cấu khung - vách có tác động cộng giữa khung và vách Do kết cấu khung - vách có được ưu điểm của cả kết cấu khung và vách nên nó nhanh

chóng được áp dụng rất rộng rãi trong việc xây dựng những ngôi nhà công cộng như khách sạn, nhà xưởng, kho tàng

So với kết cấu khung thuần tuý, thì hệ kết cấu này tăng cường được khả năng chịu tải trọng ngang, nâng độ cứng ngang của nhà; về cơ bản vẫn duy trì được ưu điểm linh hoạt của bố cục mặt bằng

Hình 1.1: Sự tương tác của khung và tường cứng

 Hệ kết cấu bên ngoài

Một trong các kết cấu bên ngoài điển hình nhất là ống, có thể được định nghĩa là một hệ kết cấu không gian sử dụng toàn bộ chu vi công trình để chịu tải ngang Có rất nhiều công trình hiện nay vượt quá 50 tầng đã sử dụng kết cấu dạng ống này và các hình thức biến đổi khác của nó Do đặt thù của kết cấu mà chúng có thể cho các chiều cao khác nhau

Ống giằng là một biến thể của ống khung, lần đầu tiên được áp dụng trên 100 tầng - John Hancock Trung tâm năm 1970 ở Chicago Hệ bundled tube là một bó các ống riêng lẻ được liên kết với nhau để làm việc như một thể duy nhất Sears Tower –

110 tầng hoàn thành vào năm 1974 là hệ bundled tube đầu tiên, hệ gồm 9 ống khung thép được nối với nhau đến móng

Một loại kết cấu bên ngoài nữa là hệ diagrid (hệ thanh xiên) Hệ diagrid có thể được so sánh với một hệ kết cấu phổ biến là kết cấu outrigger Cơ cấu diagrid cung cấp

cả độ cứng chống uốn và cắt Như vậy, không giống như kết cấu outrigger, kết cấu diagrid cao vì không cần lõi có độ cứng chống cắt, có thể được chịu bởi diagrid nằm trên chu vi, mặc dù với các tòa nhà siêu cao tầng với một hệ diagrid có thể được tăng

cường và gia cố hơn nữa bằng cách tham gia cốt lõi, tạo ra một hệ thống tương tự như một ống trong ống

Các hệ chịu tải ngang trong nhóm kết cấu bên ngoài còn có hệ dàn không gian - space truss, hệ siêu khung - super frames và hệ sườn ngoài - exoskeleton

Ngoài ra, hình 1.2 và 1.3 cho thấy các khái niệm sơ lược của mỗi hệ kết cấu trong mỗi nhóm Các giới hạn chiều cao được trình bày là có cơ sở dựa trên kinh nghiệm và của các tác giả dự đoán trong phạm vi chấp nhận được

Hình 1.2: Hệ kết cấu bên trong

Hình 1.3: Hệ kết cấu bên ngoài

1.1.2 Sự làm việc của hệ kết cấu

Theo mục tiêu chính của đề tài, chúng ta cần nghiên cứu tính toán đối với hệ kết cấu bên trong, đó là sự kết hợp làm việc của hệ khung - vách, cách bố trí khung vách như thế nào cho hợp lý nhằm giảm chuyển vị ngang của nhà cao tầng Để tính toán được vấn đề trên chúng ta cần nghiên cứu sự làm việc chúng của hệ khung - vách như thế nào để từ đó cần bố trí khung, vách như thế nào, khi nào cần giảm cột, cần giảm khung, khi nào cần bố trí vách cứng nhằm giảm mô men soắn của công trình, từ đó sẽ giảm được chuyển vị ngang

Sự làm việc chung của khung và vách (lõi) là khi có tải trọng ngang tác dụng vào công trình, các cột được liên kết với tầng cứng có thể ngăn cản góc xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyển vị ngang trên đỉnh của lõi so với trường hợp lõi đứng tự do Nguyên lý làm việc của hệ thống này là sử dụng lõi để chịu hầu hết tải trọng ngang, đồng thời phân khả năng chịu cắt theo phương đứng từ lõi ra cột ngoài thông qua cánh tay đòn của tầng cứng (outrigger) Những dầm cứng này được phát triển ra dàn đai biên (belt truss) cho phép các cột biên tham gia vào chịu mômen lật

Hình 1.4: Hệ kết cấu khung - vách

Cơ chế làm việc trên chỉ ra rằng, sự làm việc của hệ kết cấu phụ thuộc vào số lượng tầng cứng và các đai biên (belt truss) Vì vậy, vị trí của tầng cứng bố trí trong nhà cao tầng ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc tổng thểc ủa tòa nhà

Vai trò của hệ outrigger trong sự làm việc của kết cấu nhà nhiều tầng là kết nối lõi và các cột ngoài cùng chịu lực hoặc hệ khung và vách cứng cùng chịu lực, trong một ngôi nhà thì có thể có một hoặc một vài lõi cứng, càng sử dụng nhiều dải cứng ngang thì mức độ làm việc đồng thời của lõi cứng với các cột ngoài càng cao Khi có dải cứng ngang thì ngôi nhà làm việc như một kết cấu chỉnh thể mang lại nhiều hiệu quả như sau:

+ Giảm mômen trong lõi

+ Giảm chuyển vị đỉnh

+ Phân phối tải trọng ngang

1.1.3 Xu hướng phát triển của nhà cao tầng

Với tính năng của hệ kết cấu bên trong và bên ngoài của nhà cao tầng mà ở nước

ta trong hai thập niên vừa qua, nhà cao và siêu cao đã được xây dựng nhiều tại Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác trong nước Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao tầng, hệ thống tàu điện ngầm, tàu điện trên cao và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị khác trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa là điều khó tránh khỏi Bảng 1-1 liệt kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam

Điển hình cho các dự án siêu cao là các tòa tháp Bitexco (68 tầng, cao 262m), Hanoi Keangnam Landmark Tower (70 tầng, cao 330m), Hanoi Lotte Center (65 tầng, cao 268m) Cả ba công trình này đều sử dụng hệ kết cấu khung lõi kết hợp với tầng

cứng và đều được thiết kế bởi công ty tư vấn nước ngoài Các đơn vị trong nước thường đóng vai trò giúp đỡ hoặc thầu phụ Nguyên nhân chính là do các kỹ sư Việt Nam chưa có cơ hội để trải nghiệm các giải pháp kết cấu hiện đại cho nhà siêu cao tầng hiện đã và đang phát triển mạnh trên thế giới

Bảng 1.1: Thống kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam

năng

Địa điểm xây dựng

cao H (m)

Hệ kết cấu

Tiêu chuẩn thiết kế Hầm Nổi

Keangnam Hỗn hợp Hà Nội 2 70 330 Khung lõi +

tầng cứng VN-Mỹ Lotte Center Hỗn hợp Hà Nội 5 65 268 Khung lõi +

tầng cứng VN-Mỹ Vietinbank Hỗn hợp Hà Nội 3 68 263 Siêu khung VN-Mỹ Bitexco Financial

Tower Hỗn hợp TP HCM 3 68 262 Khung lõi +

tầng cứng VN-Mỹ Time Square Hỗn hợp TP HCM 4 40 164 Khung lõi VN Trụ sở HANDICO Văn

phòng Hà Nội 2 38 141 Khung vách VN Indochina Plaza Hỗn hợp Hà Nội 3 37 135 Khung lõi Mỹ Trung tâm hành

chính Đà Nẵng

Văn phòng Đà Nẵng 2 36 167 Khung lõi VN-Mỹ

Trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến nay, ở nước ta cũng có một số nghiên cứu liên quan đến nhà cao tầng như: Nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà cao tầng (Viện KHCN Xây dựng, 1993~1995), biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế công trình trong vùng có động đất (Viện KHCN Xâydựng, 1998~2000), Nghiên cứu các giải pháp thiết

kế kháng chấn (Viện KHCN Xây dựng, 2000~2002), Nghiên cứu thiết kế nhà cao tầng (Trường đại học kiến trúc HàNội, 2001~2004), Nghiên cứu các cấu tạo kháng chấn (Trường đại học xây dựng, 2000~2002)

Đáng chú ý là các nghiên cứu gần đây của hai đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam và Bulgaria do nhóm tác giả PGS TS Nguyễn Xuân Chính, GS TSKH Nguyễn Đăng Bích, TS Trịnh Việt Cường, TS Nguyễn Đại Minh thuộc Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng thực hiện với nội dung “Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà caotầng bê tông cốt thép chịu động đất” năm 2008 và “Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng chấn của các chung cư nhiều tầng và đề xuất giải pháp khắc phục” năm 2011 Hai đề tài trên tập trung vào hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép chịu tác động của

động đất và hướng dẫn đánh giá khả năng kháng chấn của chung cư cũ cao tầng hiện hữu và các giải pháp gia cường hiệu quả khi chịu động đất Nói chung, các nghiên cứu này phần nào cũng đóng góp nâng cao chất lượng thiết kế cho kết cấu nhà cao tầng của cả nước trong thời gian qua

1.2 Ảnh hưởng của chuyền vị ngang đến sự làm việc của công trình

Khi tính toán chịu lực của kết cấu nhà cao tầng, ngoài việc xem xét đến tải trọng thẳng đứng ra, ta còn cần đặc biệt chú ý đến các tải trọng nằm ngang gây nên bởi lực gió và lực động đất Tải trọng nằm ngang tác động lên ngôi nhà làm việc như kết cấu công son, chủ yếu sinh ra mômen uốn và lực trượt, mô men uốn tỷ lệ thuận với bình phương của chiều cao nhà (xem hình 1.5)

Hình 1.5: Tải trọng và sơ đồ chịu lực của nhà

Khi chuyển vị nằm ngang của nhà quá lớn, con người sống trong nhà sẽ cảm thấy khó chịu, ảnh hưởng không tốt đến sinh hoạt và làm việc, có thể làm biến dạng quỹ đạo của thang máy, khiến cho các tường xây lấp khung hoặc các tường trang trí bị nứt rạn, rời rạc và cũng có thể làm cho kết cấu chính của ngôi nhà xuất hiện vết nứt Chuyển vị nằm ngang gia tăng thêm bước nữa có thể tạo nên các nội lực bổ sung trong các cấu kiện của nhà, gây ra sự phá hoại nghiêm trọng trong ngôi nhà thậm chí còn làm cho nó bị sụp đổ cục bộ hoặc toàn bộ

Chính vì lẽ đó, ta phải khống chế chuyển vị nằm ngang bao gồm chuyển vị giữa các tầng liền kề và chuyển vị tại điểm đỉnh của ngôi nhà Tỷ số giữa chuyển vị tương đối của hai tầng liền kề của ngôi nhà trên chiều cao của tầng δ/h cũng như tỷ số giữa chuyển vị nằm ngang của điểm đỉnh của ngôi nhà trân tổng chiều cao của nó Δ /H phải khống chế trong khoảng từ 1/400 ~ 1/1200 tuỳ thuộc vào các loại hình kết cấu khác nhau và các loại tải trọng nằm ngang khác nhau (xem hình 1.6)

Hình 1.6: Chuyển vị nằm ngang của ngôi nhà

Trong thiết kế nhà cao tầng, chuyển vị ngang của công trình là một điều kiện tiên quyết Kết cấu cần được đảm bảo các điều kiện về chuyển vị nằm trong giới hạn cho phép, trước khi tiến hành các tính toán về độ bền

Khống chế chuyển vị ngang của nhà cao tầng là xem xét các nhân tố sau:

+ Đảm bảo an toàn cho kết cấu chính, chống nứt, phá hoại, mất ổn định, chống lật Sau khi chuyển vị ngang vượt quá một giá trị nhất định, cột của khung và vách cứng sẽ nứt, chuyển vị quá lớn kết cấu có thể bị phá hoại Dưới áp lực gió và động đất nhỏ thường gặp, kết cấu không được nứt; đối với động đất lớn ít gặp, kết cấu không bị

đổ, chuyển vị có thể chấp nhận của các loại kết cấu

+ Tránh tường chèn, trang trí bị phá hoại do chuyển vị quá lớn Hiện nay, tường xây chèn được sử dụng rộng rãi, lại tường này khả năng biến dạng kém, dễ bị nứt, chuyển vị hơi lớn sẽ đổ Sau động đất, chi phí cho phá dỡ cải tạo rất lớn, cho nên càng cần hạn chế chuyển vị của kết cấu chính

+ Khi số tầng rất cao thì chuyển vị không được quá lớn, để tránh cho người ở và làm việc có cảm giác khó chịu

Vì 3 nguyên nhân trên, công trình cao tầng cần khống chế chuyển vị ngang

1.3 Các phương pháp hạn chế chuyển vị ngang công trình

1.3.1 Bố trí Outrigger

Theo nghiên cứu của Hồ Việt Hùng với đề tài: Hạn chế chuyển vị ngang cho nhà cao tầng bằng cách sử dụng Outtrigger (dầm gánh) Một vấn đề thường phải đối diện khi thiết kế nhà cao tầng là giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang Các nhà cao tầng hiện nay tại Việt Nam thường có bước cột tương đối lớn trong khi chiều cao của dầm tương đối nhỏ nhằm đảm bảo chiều cao thông thủy với một chiều cao tầng thấp nhất Điều này làm giảm tác dụng chịu tải trọng ngang của hệ khung trong kết cấu khung - vách lõi (core wall) Nhà càng cao chuyển vị càng lớn trong khi việc tăng kích thước

của vách lõi bị hạn chế bởi các điều kiện kiến trúc và kinh tế Để hạn chế chuyển vị ngang cho công trình, một giải pháp tương đối đơn giản và hiệu quả là sử dụng outtrigger và belt wall

Outtrigger là một cấu kiện theo phương ngang có độ cứng lớn, nối giữa vách lõi

và các cột biên, nhằm sử dụng các cột biên để tăng khả năng chịu tải trọng ngang của vách lõi, từ đó giảm chuyển vị của công trình

Belt wall: Outtrigger huy động các cột trực tiếp nối với nó để hạn chế chuyển vị ngang của công trình Khi cần huy động toàn bộ các cột biên, người ta sử dụng belt wall Đó là hệ vách có chiều cao bằng 1 hoặc 2 tầng chạy dài xung quanh công trình nối các cột biên với nhau và với Outtrigger

Hình 1.7: Outtrigger và Belt wall

Nguyên lý hoạt động của Outtrigger tương đối đơn giản Khi tải trọng ngang tác dụng lên công trình, hệ vách lõi (chịu hầu hết tải trọng ngang) làm việc như một công xôn và bị chuyển vị Chuyển vị của vách lõi làm Outtrigger có xu hướng bị xoay, làm cho cột ở phía đón tải trọng bị kéo và cột ở phía bên kia bị nén Các lực kéo và nén ở cột hình thành cặp ngẫu lực tác dụng lên Outtrigger và tạo nên một mô men có tác dụng làm giảm mô men trong tổ hợp với tải trọng ngang và làm hạn chế chuyển vị của công trình Có thể làm được như vậy là nhờ độ cứng lớn của outtrigger

Ngoài tác dụng hạn chế chuyển vị ngang, việc bố trí outtrigger cũng làm giảm đáng kể chu kỳ dao động của công trình

Hình 1.8: Thực tế đa dạng của hệ kết cấu

Vị trí của Outtrigger có thể được bố trí ở các vị trí khác nhau là do đó có tác dụng hạn chế chuyển vị ngang khác nhau

Hình 1.9: Outtrigger phát huy hiệu quả khác nhau khi bố trí ở các cao độ

Sở dĩ hệ outrigger ngày càng được sử dụng nhiều vì do những ưu điểm mà nó mang lại Với các toà nhà khoảng 30 - 70 tầng, thì lõi giằng bằng thép hoặc tường lõi

bê tông cốt thép thường hiệu quả hơn cho việc chống lại các tải ngang Trong lõi bê tông cốt thép, các phần tử tường bị dư ra ở nơi lực kéo lớn phát triển và dễ dàng hủy

bỏ hiệu quả vốn có của bê tông trong việc chịu nén Tương tự như vậy, trong lõi thép,

chỗ nối hàn hoặc nối bu lông quá mức có thể làm giảm đáng kể sự dễ dàng trong lắp đặt và chế tạo Hệ outrigger làm giảm bớt vấn đề này

Một số ưu điểm khác của hệ lõi và outrigger là khoảng cách giữa các cột bên ngoài có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu thẩm mỹ và chức năng, và hệ khung bao ngoài của tòa nhà có thể bao gồm khung dầm cột đơn giản mà không cần liên kết của các loại khung cứng Cho các tòa nhà siêu cao tầng, sự kết nối các outrigger với cột bên ngoài mở ra hệ mặt tiền linh hoạt, thẩm mỹ và kiến trúc từ đó khắc phục một nhược điểm chính của hệ ống kín Ngoài ra, hệ thống 8 outrigger có tiềm năng cho chiều lớn hơn lên đến 150 tầng và có thể nhiều hơn

1.4 Phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý (tăng độ cứng cho bản thân công trình)

Hệ kết cấu khung - vách được tạo ra bằng sự kết hợp hệ thống khung và hệ vách cứng Thường trong hệ 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 trong phạm vi truyền tải được thể hiện ở hình 1.10

Hình 1.10: Sự tương tác giữa khung – vách

Theo hình 1.10 ta có thể nhận thấy rằng, biến dạng của khung chủ yếu là biến dạng cắt, biến dạng của vách chịu cắt là biến dạng uốn Sự biến dạng ngang sản sinh ra

sự tương tác giữa thành phần khung và vách cứng Sự rung lắc tuyến tính của khung kết hợp với đường biến dạng parabolic của vách làm độ cứng gia tăng Bởi vì vách bị ngăn cản bởi khung ở những tầng bên trên trong khi ở những tầng bên dưới khung chịu cắt bị ngăn cản bởi vách Nhưng sự tương tác đơn giản chỉ đúng nếu: Vách và khung

có độ cứng không đổi dọc theo chiều cao hoặc nếu độ cứng thay đổi, quan hệ độ cứng của vách và khung vẫn không bị thay đổi theo chiều cao

Như vậy hệ khung - vách kết hợp có khả năng chịu tải trọng ngang lớn Việc bố trí vách cứng trên mặt bằng nhằm giảm ảnh hưởng của hiện tượng xoắn đến sự làm việc của công trình

Việc phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý nhằm tăng độ cứng công trình theo các nguyên lý sau:

Hệ thống vách cứng và giải pháp mặt bằng kiến trúc cần được kết hợp chặt chẽ

và hợp lí Hệ thống các vách cứng cần được bố trí đều trên mặt bằng ngôi nhà, không nên lệch về một phía, bố trí đối xứng cả về độ cứng và hình học

Bố trí mặt bằng ngôi nhà được xem là tối ưu khi đường tác động của tổng hợp lực gió đi qua tâm uốn ngôi nhà tại tầng đang xét Những ngôi nhà có mặt bằng không đối xứng các điều kiện trên thường không thoả mãn, nên cần bố trí hệ thống vách cứng sao cho khoảng cách giữa tâm uốn và tâm hình học ngôi nhà là nhỏ nhất, đồng thời có

độ cứng chống xoắn lớn nhất

1.5 Kết luận chương 1

Những nghiên cứu ở chương 1 cho thấy, nhà nhiều tầng phải chịu ảnh hưởng rất lớn bởi tác động của tải trọng ngang, công trình càng cao thì ảnh hưởng của tải trọng ngang càng lớn và do đó chuyển vị ngnag công trình càng đáng kể Yêu cầu tăng độ cứng ngang, giảm chuyển vị là một vấn đề luôn được đặt ra cho việc thiết kế Và hệ kết cấu luôn biến đổi không ngừng để thỏa mãn vấn đề này Ngày nay việc sử dụng hệ khung - vách kết hợp là giải pháp kết cấu hiệu quả để tăng độ cứng ngang cho công trình Đồng thời để tăng tải trọng ngang hiệu quả nhằm đảm bảo cho kiến trúc, công năng sử dụng và hiệu quả kinh tế khi thiết kế cần phải phân phối, bố trí độ cứng ngang hợp lý Sự làm việc của hệ kết cấu này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2

CHƯƠNG 2

CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CÔNG TRÌNH CÓ SƠ ĐỒ KHUNG – GIẰNG

DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG

Trong chương này, tác giả đi sâu nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khung – giằng chịu lực trong nhà cao tầng Công trình được xét sẽ chịu tác dụng của tải trọng ngang, dưới tác dụng của tải trọng này khung và vách cứng trong kết cấu chịu lực sẽ có chuyển vị khác nhau và do đó sẽ có sự tương tác Chính điều này ảnh hưởng đến ứng

xử của toàn công trình Chuyển vị ngang của công trình có kết cấu đơn giản, cấu tạo đồng đều từ trên xuống cũng sẽ được trình bày và qua đó nêu lên các phương pháp bố trí khung – vách cứng để có thể hạn chế chuyển vị ngang công trình

2.1 Sự làm việc của công trình cao tầng có sơ đồ khung – giằng

2.1.1 Kết cấu khung – giằng

Hệ kết cấu khung giằng được tạo bởi sự kết hợp của vách cứng và khung cứng Hệ kết cấu nầy tận dụng ưu điểm của mỗi loại, vừa có thể tạo một không gian sử dụng tương đối lớn theo yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc lại có tính năng chịu lực ngang tốt

Vách cứng có thể bố trí 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 (Hình 2.1) Hai hệ thống khung

và vách được liên kết với nhau qua hệ kết cấu sàn và tường cứng Trong trường hợp này hệ sàn liền khối có ý nghĩa rất lớn

Hình 2.1: Hệ kết cấu khung giằng a- Mặt bằng, b- Sơ đồ 3D

Thường thường trong hệ kết cấu này hệ thống vách đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng ngang, hệ khung được thiết kế để chịu tải trọng thẳng đứng và chịu một phần tải trọng ngang 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 các yêu cầu của sử dụng, thẩm mỹ và mang lại hiệu quả kinh tế

Đối với nhà cao tầng chuyển vị, nội lực trong các kết cấu sinh ra chủ yếu do tải trọng ngang nên hệ các vách thẳng đứng có vai trò quyết định đảm bảo ổn định tổng thể, độ nghiêng, chuyển vị của toàn bộ công trình Các kết cấu này làm việc tựa như một dầm công xôn một đầu ngàm vào đất có độ cứng khá lớn và thường được bố trí liên tục theo chiều cao nhà nên còn gọi là hệ thống tường cứng Hệ tường cứng là một bức tường đặc hoặc bị giảm yếu bởi các lỗ cửa với tiết diện ngang hình chữ nhật còn gọi là hệ tường cứng phẳng Nếu mặt cắt ngang của hệ tường cứng có dạng chữ T,L,C… và không khép kín thì gọi là hệ tường cứng không gian hở Khi tiết diện tường các tường cứng có dạng đa giác khép kín thì gọi là lõi cứng của ngôi nhà

Sàn các tầng nhà là một hệ thống kết cấu tấm có độ cứng lớn trong mặt phẳng nằm ngang cũng tham gia chịu tải trọng ngang nên được gọi là hệ sàn cứng Sàn cứng được cấu tạo đặc biệt, không những chịu tải trọng thẳng đứng mà còn đủ độ cứng không bị biến dạng trong mặt phẳng nằm ngang

Khi kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang, các dạng chuyển vị tự do khác nhau của vách và của khung làm cho chúng tương tác ngang thông qua bản sàn hoặc dầm Sức kháng theo phương ngang được tạo ra bởi các vách và khung trong hướng uốn song song, sự ràng buộc để chuyển vị ngang giống nhau do những tấm sàn cứng, nên tương tác theo phương ngang qua tác động cắt trong tấm sàn Do đó, sự phân phối riêng biệt của tải trọng ngang lên vách và lên khung là rất khác nhau từ tải trọng ngoài

Sự tương tác ngang là hiệu quả có thể ảnh hưởng đến độ cứng ngang trong phạm vi nhà khung - vách lên tới 50 tầng hoặc nhiều hơn

Trong chương này đề cập đến kết cấu khung-vách không xoắn và do đó, có thể phân tích như một mô hình phẳng tương đương Đó là những kết cấu có mặt bằng đối xứng chịu tải trọng đối xứng Kết cấu mà không đối xứng qua trục thì không tránh khỏi lực xoắn Mặc dù, hiệu quả từ sự tương tác ngang giữa các vách và khung cũng

có thể áp dụng cho kết cấu xoắn, tuy nhiên xem xét chúng một cách tổng quát là hết sức phức tạp vì mức độ tương tác phụ thuộc rất nhiều vào quan hệ vị trí mặt bằng của các khung và vách

Những lợi thế tiềm năng của kết cấu khung - vách dựa trên số lượng tương tác ngang, nó được điều chỉnh bởi độ cứng tương đối của các vách và khung, và theo chiều cao của kết cấu Những tòa nhà cao hơn và trong các kết cấu cân đối điển hình, các khung cứng hơn thì tương tác sẽ lớn hơn Khá phổ biến trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng đều cho rằng các vách cứng và các lõi chống lại tất cả tải trọng ngang, các khung chỉ thiết kế để chịu tải trọng đứng Giả thiết này sẽ phát sinh một số sai số nhỏ

cho những tòa nhà dưới 20 tầng với khung dẻo, và có thể trong nhiều trường hợp khi các khung là cứng và các tòa nhà cao hơn, vai trò của khung khi chịu lực ngang là đáng kể nếu mà không được xét đến, có thể dẫn đến thiết kế nhiều kết cấu bất hợp lý

và kém hiệu quả

2.2 Tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng

2.2.1 Tải trọng gió

 Thành phần tĩnh của tải trọng gió

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió xác định theo công thức:

Wtc = W0.k.c (daN/m2)

Trong đó:

- Wo: giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng

- k: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao (bảng 5 TCVN 1995) c: hệ số khí động, lấy trong TCVN 2737-1995

2737- Thành phần động của tải trọng gió

Theo TCVN 2737-1995, công trình có chiều cao 72m > 40m, và có tỉ số H / Bmin = 1,72 > 1,5 nên ta phải tính đến thành phần động của tải trọng gió

Bản chất của thành phần động là phần tăng thêm tác dụng của tải trọng gió lên công trình có dao động, xét đến ảnh hưởng của lực quán tính sinh ra do khối lượng bản thân công trình khi dao động bởi các xung của luồng gió

Thiết lập sơ đồ tính toán động lực:

- Sơ đồ tính toán là 1 thanh console có hữu hạn điểm tập trung khối lượng Ở đây thanh console gồm 11 điểm tập trung khối lượng Vị trí các điểm tập trung khối lượng đặt tương ứng với cao trình trọng tâm của các kết cấu truyền tải trọng ngang của công trình, ở đây chính là sàn các tầng

- Chia công trình thành n phần sao cho mỗi phần có độ cứng và áp lực gió lên bề mặt công trình là không đổi

- Xác định giá trị tiêu chuẩn của thành phần tĩnh của tải trọng gió lên các phần của công trình (đã tính trong phần gió tĩnh)

- Xác định giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của thành phần động của tải trọng gió lên các phần tính toán của công trình

- Xác định tần số dao động riêng fi và dạng dao động mode

Việc xác định tần số và dạng dao động được thực hiện nhờ phần mềm Etabs 9.7 Tùy theo mức độ nhạy cảm của công trình đối với tác dụng động lực của tải trọng gió mà thành phần động của tải trọng gió chỉ cần kể tác động do thành phần xung của vận tốc gió hoặc cả lực quán tính của công trình:

Nếu công trình có tần số dao động riêng cơ bản thứ s thỏa mãn bất đẳng thức:

Mj: Khối lượng tập trung của phần công trình thứ j, (Tấn)

: Hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ i, không thứ nguyên phụ thuộc

vào thông số εi và độ giảm lôga δ của dao động: .W0

W0 = 95 (daN.m2): giá trị của áp lực gió

yji: dịch chuyển ngang tỉ đối của trọng tâm phần thứ j ứng với dao động riêng thứ i

ψi: hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành n phần, trong phạm vi mỗi phần tải trọng gió có thể coi như không thay đổi:

2

ji Fj j

Trong đó:

WFi: là giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên phần thứ j của công trình, ứng với các dạng dao động khác nhau khi chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió, có thứ nguyên là lực, xác định theo công thức:

WFj  Wj j Sj

Với:

Wj: Giá trị tiêu chuẩn của thành phần tĩnh của áp lực gió tác động lên phần thứ j của công trình (đã xác định ở trên)

j: Hệ số áp lực động của tải trọng gió, ở độ cao ứng với phần thứ j của công trình

so với mặt đất không thứ nguyên

Sj: diện tích đón gió ở phần thứ j của công trình (m2)

: hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió ứng với dạng dao động khác nhau của công trình, không thứ nguyên, phụ thuộc vào các tham số ρ, χ Khi tính toán đối với dạng dao động thứ 1, lấy  = ν1, với các dạng dao động còn lại lấy  = 1

- Nếu fs1 > fL thì thành phần động của tải trọng gió chỉ kể đến xung vận tốc gió Khi

đó giá trị tiêu chuẩn thành phần động của áp lực gió Wpj tác dụng lên phần thứ j của công trình được xác định theo công thức:

Wpj  Wj  j

Trong đó :

Wpj :áp lực đơn vị tính toán tùy theo đơn vị tính toán của Wj

Wj : là giá trị tiêu chuẩn của thành phần tỉnh áp lực gió, tác dụng lên phần thứ j của công trình, xác định theo điều 4.10 TCXD 229:1999

2.2.2 Tải trọng động đất

 Điều kiện đất nền và vùng động đất

Nền đất được chia thành 5 loại nền chủ yếu A, B, C, D, E Các loại nền đất này được mô tả bằng các mặt cắt địa tầng Các tham số trong bảng Nền đất cần được phân loại theo vận tốc sóng cắt trung binh vc,30(m/s) nếu có giá trì này, nếu không có thể dùng giá trị NSPT (số nhát búa để cần khoan chuyển dịch 30cm)

Các loại nền đất và các tham số đính kèm theo được tham khảo theo bảng 3.1 (TCXDVN 375-2006, trang 30)

Các vùng động đất được mô tả dưới dạng một tham số là đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên nền loại A Đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên nền loại A được lấy từ bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam cho trong Phụ lục H, phần 1 TCXDVN 375-2006

 Tiêu chí về tính đều đặn công trình

Theo tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006 để áp dụng phương pháp tính toán động đất gần đúng nhất so với phản ứng thực tế của kết cấu công trình thì các kết cấu công trình phải được phân thành hai loại, đều đặn và không đều đặn Các tiêu chí để phân loại kết cấu công trình là đều đặn hay không đều đặn có thể tham khảo ở Mục 4.2.3 trang 42 TCXDVN 375-2006

 Phân loại công trình và hệ số tầm quan trọng

Trong tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006 công trình được phân thành 5 mức độ quan trọng, phụ thuộc vào hậu quả sụp đổ do động đất gây ra, hệ số tầm quang trọng γ1

cho mỗi mức độ quan trọng của công trình được cho trong phụ lục F trang 225 TCXDVN 375-2006 Phụ lục F được xây dựng theo bảng phân cấp, phân loại công trình xây dựng của Bộ xây dựng ban hành kèm theo nghị định số 209/2004/ND-CP ngày 16-12-2014 của chính phủ nên khi sử dụng phải tham khảo và đối chiếu với bảng phân cấp này Trong TCXDVN 375-2006 bảng phân cấp này được cho trong phụ lục

G trang 227

 Biểu diễn cở bản của tài trọng động đất

Trong phạm vi TCXDVN 375-2006, chuyển động động đất tại một điểm cho trước trên bề mặt được biểu diễn bằng phổ phản ứng gia tốc đàn hồi được gọi tắt là

“Phổ phản ứng đàn hồi”

 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang:

Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ phản ứng đàn hồi

Se(T) được xác định bằng các công thức sau:

T : Chu kỳ dao động hệ tuyến tính một bậc tự do

Ag : Gia tốc nền thiết kế trền nền loại A(ag=γ1.agR)

TB : Giới hạn của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc

TD : Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng

 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng

Thành phần thẳng đứng của tác động động đất phải được thể hiện bằng phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng SVe(T) được xác định bằng các biểu thức sau

 Phổ thiết kế đàn hồi dùng cho phân tích đàn hồi

Khả năng kháng chấn của hệ kết cấu trong miền ứng xử phi tuyến thường cho phép thiết kế kết cấu với các lực động đất bé hơn (do kết cấu có tính dẻo) và phức tạp hơn so với các lực ứng với phản ứng đàn hồi tuyến tính

Để tránh phải phân tích trực tiếp kết cấu không đàn hồi, người ta kể đến khả năng tiêu tán năng lượng chủ yếu thông qua ứng xử dẻo của các cấu kiện hoặc ác cơ cấu khác bằng cách phân tích đàn hồi dựa trên phổ phản ứng được chiết giảm từ phổ phản ứng đàn hồi, vì thế phổ này được gọi là “Phổ thiết kế” Sự chiết giảm được thực hiện bằng cách đưa vào hệ số ứng xử q

Hệ số ứng xử q biểu thị một cách gần đúng tỉ số giữa lực động đất mà kết cấu phải chịu nếu phản ứng của nó là hoàn toàn đàn hồi với độ cản nhớt 5% và lực động đất có thể sử dụng khi phân tích theo mô hình đàn hồi thông thường mà vẫn tiếp tục bảo đảm cho kết cấu một phản ứng thỏa mãn các yêu cầu đặt ra Giá trị của hệ số ứng

xử q trong đó có xét tới ảnh hưởng của tỷ số cản nhớt khác 5% của các loại vật liệu và các hệ kết cấu khác nhau tùy theo cấp dẻo kết cấu tương ứng được cho trong các phần khác nhau của tiêu chuẩn này Giá trị của hệ số ứng xử 1 có thể khác nhau theo các hướng nằm ngang khác nhau của kết cấu, mặc dù sự phân loại cấp dẻo kết cấu phải như nhau theo mọi hướng

Đối với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ thiết kế Sd(T) được xác định bằng các biểu thức sau:

.

2, 5 1

g

C D g

Ag, S, TB, TC và TD như đã định nghĩa như trên

Sd(T) Phổ thiết kế

q Hệ số ứng xử

β Hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế, β=0,2

Đối với thành phần thẳng đứng của tác động động đất, phổ thiết kế được cho bởi các biểu thức sau:

kw: Hệ số phản ảnh dạng phá hoại phổ biến trong hệ kết cấu có tường

Với loại nhà mà có sự đều đặn theo mặt đứng, giá trị cơ bản q0 cho các loại kết cấu khác nhau được cho trong bảng sau:

Bảng 2.1: Giá trị hệ số ứng xử q 0 cho hệ có sự đều đặn theo mặt đứng

Loại kết cấu Cấp dẻo kết cấu trung bình Cấp dẻo cao

b) Hệ tường hoặc hệ kết cấu hỗn hợp tương đương tường:

- Hệ tường chỉ có hai tường không phải là tường kép theo từng phương ngang

αu/α1=1;

- Các hệ tường không phải là tường kép: αu/α1=1,1;

- Hệ kết cấu hỗn hợp tương đương tường, hoặc hệ tường kép: αu/α1=1,2;

Với loại nhà không có tính đều đặn trong mặt bằng, khi không tính toán được giá trị αu/α1 có thể sử dụng giá trị xấp xỉ của nó bằng trị số trung bình của mục (a) và mục (b)

Hệ số kw phản ảnh dạng phá hoại thường gặp trong hệ kết cấu có tường và được lấy như sau:

- 1,0 với hệ khung và hệ kết cấu hỗn hợp tương đương khung;

- (1+ α0)/3 ≤ 1, nhưng không nhỏ hơn 0,5 cho hệ tường, hệ kết cấu hỗn hợp tương đương tường và hệ kết cấu dễ xoắn;

Trong đó: α0 là tỷ số kích thước các tường trong hệ kết cấu

- Nếu các tỷ số cạnh hwi/ lwi của tất cả các tường thứ i của một hệ kết cấu không khác nhau một cách đáng kể thỉ α0 có thể xác định từ biểu thức sau:

w 0

w

i i

h l

  



Trong đó:

hwi: chiều cao tường thứ i;

lwi: chiều dài tường thứ i;

2.3 Sự tương tác trong hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang

Qua nội dung phân tích trên thì biến dạng của khung chủ yếu là biến dạng cắt, biến dạng của vách chịu cắt là biến dạng uốn Sự biến dạng ngang sản sinh ra sự tương tác giữa thành phần khung và vách cứng Để hạn chế chuyển vị ngang trong nhà cao tầng chúng ta cần phân tích đánh giá chịu uốn và chịu cắt của hệ khung – vách

Xét một công trình nhà cao tầng với chiều cao giả thuyết là 10 tầng, độ cứng ngang được đặt ở đỉnh của công trình, lõi cứng tại vị trí thang máy của tòa nhà, khung cứng có cùng chiều cao với tòa nhà, lõi có độ cứng lớn hơn độ cứng của khung Nếu

cả lõi và khung được nâng lên tới chiều cao 20 tầng, độ cứng lõi chỉ còn xấp xỉ ba lần

độ cứng khung Nếu tăng lên 50 tầng, độ cứng lõi có thể giảm đi nhiều, chỉ bằng một nữa độ cứng của khung Thay đổi độ cứng tương đối ở đỉnh trên tổng chiều cao này xảy ra do sự uốn ở đầu trên của lõi, nó ứng xử như một công xôn chịu uốn, tỷ lệ với lập phương chiều cao, trong khi đó sự uốn của các khung, nó ứng xử như một công xôn chịu cắt, tỉ lệ thuận với chiều cao của nó Do đó, chiều cao là một nhân tố chính trong việc xác định ảnh hưởng của các khung trên độ cứng ngang của hệ kết cấu khung giằng

Sự tương tác giữ vách và khung trong kết cấu thông qua chuyển vị ngang của vách và của khung Chuyển vị ngang của vách với dạng uốn có độ dốc lớn nhất trên đỉnh, chuyển vị ngang lớn nhất của khung có dạng cắt với độ dốc lớn nhất là ở đáy công trình Sự biến dạng không đồng điệu kết cấu khung, vách khi kết hợp sẽ tạo ra sự tương tác (hình 2.3a, 2.3b)

Khi vách và khung liên kết với nhau bởi liên kết khớp và chịu tải trọng ngang, hình dạng uốn của kết cấu phức hợp có dạng uốn ở phần dưới và dạng cắt ở phân trên (hình 2.3c)

Xét chuyển vị ngang (hình 2.3a), momen uốn (hình 2.3b) ta thấy đường cong biến dạng (hình 2.3a) và đường cong momen trong vách (hình 2.3b) cho thấy sự đảo ngược chiều cong với một điểm uốn, ở trên với momen vách là ngược chiều có ý nghĩa như công xôn tự do, (hình 2.3c) cho thấy lực cắt gần như không đổi trên suốt chiều cao của khung, ngoại trừ gần đáy nó giảm còn một lượng không đáng kể

Ở trên đỉnh của kết cấu, nơi tổng các lực cắt bằng 0, khung chịu một lực cắt dương đáng kể, nó đươc cân bằng bởi một lực cắt âm ở trên đỉnh của vách, với lực tương tác tập trung tương ứng tác động giữa khung và vách Xem xét đặc biệt có thể được đưa ra trong thiết kế để chuyển lực tương tác này thông qua các liên kết bản hoặc dầm trên đỉnh

Hình 2.4: Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết cấu khung -

vách chịu tải trọng ngang

2.4 Phương pháp tính toán gần đúng cho hệ khung - vách chịu tải trọng ngang

Theo phân tích ban đầu của kết cấu khung vách trong nhà cao tầng cho chúng ta thấy rõ dưới tác dụng của tải trọng ngang, sự tương tác giữa khung và vách là yếu tố ảnh hưởng lớn đến kết cấu của công trình nhà cao tầng

* Phương trình vi phân cơ bản của hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang phân bố đều:

Xét khung - vách với sự tương tác của hai hệ kết cấu này trong cùng một mặt phẳng (hình 2.4a) hoặc trong mặt phẳng song song, trong kết cấu không xoắn, khung

và vách song song dịch chuyển giống nhau, chúng có thể mô hình hóa bởi một mô hình liên kết phẳng

Các giải pháp phân tích đòi hỏi các kết cấu được trình bày bởi một mô hình thống nhất liên tục (hình 2.4b), với tất cả các thành phần làm lệch hướng giống nhau Các giả định sau đây được áp dụng để đạt được điều này:

+ Đặc trưng các bộ phận của khung - vách không thay đổi theo chiều cao

+ Các vách có thể được biểu diễn bởi một công xôn chịu uốn, chỉ có biến dạng uốn

+ Các khung có thể được biểu diễn bởi các công xôn chịu cắt liên tục, chỉ có chuyển vị cắt Điều này gợi ý rằng các khung chỉ chuyển vị bởi uốn ngược của các cột

và dầm, và các cột là có độ cứng dọc trục

+ Các bộ phận liên kết có thể được biểu diễn bởi một liên kết cứng ngang trung

gian mà nó chỉ truyền lực ngang và là nguyên nhân gây uốn và cắt công xôn để làm

chuyển vị giống nhau

Hình 2.5: (a) Kết cấu khung - vách phẳng; (b) Phân tích liên tục cho kết cấu khung - vách; (c) Sơ đồ tự do cho khung và vách

Xem xét các khung - vách riêng biệt, như trong (hình 2.5c), với w và q tương

ứng là tải phân bố bên ngoài và lực tương tác phân phối bên trong, có cường độ thay

đổi theo chiều cao QH là một lực tương tác tập trung ngang, tác động trên đỉnh giữa

y d

dy

Trong đó: + (GA) đại diện cho độ cứng chống cắt trung bình theo chiều cao

tầng của khung, như thể đó là một thành phần lực cắt với một hiệu quả diện tích cắt A

và một mô đun chống cắt G

+ Lưu ý rằng G không phải là mô đun chống cắt của vật liệu khung, A cũng không phải là diện tích của các thành phần của nó

Phương pháp vi phân và tổng hợp phương trình (2.1) và (2.2) ta được:

Từ phương trình (2.4) với tải trọng ngang phân bố đều w, nghiệm có dạng tổng

quát như sau:

(2.9) Xác định các hằng số C1, C2, C3, C4:

* Ở đáy công trình: Công trình ngàm ở đáy

đó phương trình chuyển vị ngang được viết:

4 4

2

1sinh

1coshcosh

)1sinh()(

1)

(

H

z H

z H z H z

H

H H

H EI

Trong đó: (2.14)

αH biểu thị cho sự làm việc, sự tương tác của khung và vách cũng như sự phân

bố tải trọng vào từng loại kết cấu Những kết cấu khung - vách có cùng một trị số αH thì sẽ có dạng đường cong biến dạng như nhau và sự phân bố của nội lực vào khung hoặc vách giống nhau

Phương trình (2.13) cho chuyển vị có thể được viết lại như sau:

4 4

2

1)

(sinh)

1(coshcosh

)1sinh()(

88

)

(

H

z H

z H z H z

H

H H

H EI

8 )

4 1

2

1sinh

1coshcosh

1sinh

8

H

z H

z H z H

z H

H H

z H

H H

H EI

wH z

dz

dy

1cosh

sinhcosh

1sinh