Dựa trên các cơ sở, tiêu chuẩn, tính toán và thiết lập mô hình sơ bộ. Phân tích giao động công trình và các yếu tố liên quan để lựa chọn hệ kết cấu khung, hệ kết cấu dầm, sàn hợp lý, phù hợp nhất. Tài liệu đi sâu phân tích rõ ràng, đầy đủ, có dẫn chứng cho mỗi lựa chọn.
Trang 1Chương 5:
PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG VÀ LỰA CHỌN HỆ KẾT CẤU HỢP LÝ
5.1 Phương Án Sàn Dầm
Các bước mô hình và tính toán như sau:
1 Đơn vị tính: kN m,
2 Vật liệu sử dụng: Bê tông B35: 3
25 /
bt kN m
3.45 10 /
b
3 Tiết diện chọn sơ bộ: Đã được chọn trong chương tiết diện sơ bộ
3.1 Sàn: Dày 0.13 m với tất cả các sàn
3.2 Dầm và cột: Tiết diện dâm cột đã được chọn sơ bộ theo diện truyền tải như
trong chương 3: Sơ Bộ Tiết Diện Cấu Kiện Và được thống kê trong bảng phía dưới
Bảng 5 1: Thống kế tiết diện cột trong etabs
3.3 Vách cứng – Lõi cứng
Tất cả các vách trong công trình đều được lấy có bề dày 0.4 m, không đổi tiết diện từ móng tới mái
Hình 5 1: Kích thước chi tiết lõi cứng
TẦNG
C x (m) C y (m) C x (m) C y (m) C x (m) C y (m) C x (m) C y (m) C x (m) C y (m) C x (m) C y (m)
Trang 34 Chất tải lên kết cấu:
4.1 Tĩnh tải hoàn thiện sàn:
- Đã được tính trong chương tải trọng và tác động Các ô sàn có tĩnh tải hoàn thiện gồm cả sàn thường và sàn vệ sinh thì được lấy trung bình theo diện đặt tải
4.2 Tĩnh tải tường chất dọc dầm
- Đã được tính trong chương tải trọng và tác động, tải tường chất theo dải phân bố đều trên chiều dài dầm Tải tường được chất theo mặt bằng kiến trúc nhà
4.3 Tĩnh tải tường trên sàn
- Chất thành dải phân bố đều theo mặt bằng kiến trúc, khai báo dầm ảo để chất tải Giá trị đã được tính trong chương tải trọng và tác động
4.4 Hoạt tải sàn
- Chất theo chức năng sử dụng của từng ô sàn Bao gồm chất các loại hoạt tải chất cho tầng trệt, tầng điển hình và hoạt tải sửa chữa tầng mái
- Các ô sàn có nhiều chức năng sử dụng khác nhau thì được chất tải với giá trị trung bình tính theo diện truyền tải hoặc chất theo loại hoạt tải lớn nhất để đảm bảo an toàn
5 Chia ảo các ô sàn
6 Đặt tên vách và chia ảo vách
- Chú ý: Chia thật cho phần vách tại chân công trình để có thể gắn liên kết cho phần
vách phía chân công trình này
7 Tạo liên kết Auto Line Constraint
Mục đích:
- Lưới chia ảo của các ô sàn với nhau, các vách với nhau hay giữa các ô sàn và vách
có thể không trùng nhau và dẫn tới nội lực và tải trọng không được truyền qua các lưới chia này
- Việc tạo Auto Line Constraint giúp giải quyết vấn đề trên Nó sẽ tạo liên kết giữa
các lưới chia để nội lực cũng như tải trọng được truyền từ phần tử tấm này sang phần
tử tấm kia theo đúng thực tế làm việc
8 Gắn liên kết ngàm cho chân cột và vách của công trình
9 Khái báo khối lượng tính dao động: Mass Source = Dead + 0.5Live cho trường hợp tính gió động
10 Khái báo bậc tự do tính toán
11 Giải và phân tích kết quả thu được
11.1 Kết quả chạy lần 1:
Trang 4
Hình 5 3: Mô hình etabs phương án sàn dầm lần 1
Trang 5Bảng 5 2: Kết quả dao động lần chạy etabs thứ nhất cho sàn dầm
Mode Period UX UY UZ SumUX SumUY SumUZ RX RY RZ
1 2.883 70.752 0.005 0 70.8 0.0 0 0.0 99.0 0.3
3 2.027 0.000 65.455 0 71.0 65.9 0 97.3 0.0 0.4
4 0.772 14.522 0.000 0 85.5 65.9 0 0.0 0.3 0.1
5 0.535 0.101 0.007 0 85.6 65.9 0 0.0 0.0 16.8
6 0.426 0.000 19.272 0 85.6 85.2 0 1.7 0.0 0.0
10 0.177 0.000 6.648 0 94.4 91.9 0 0.3 0.0 0.0
11 0.138 0.239 0.001 0 94.6 91.9 0 0.0 0.0 2.4
12 0.134 1.444 0.000 0 96.1 91.9 0 0.0 0.0 0.6
- Module 1 là dạng dao động thứ nhất theo phương x – Có chu kỳ dao động là:
T = 2.883 (s)
- Modes 2 là dạng dao động xoắn
- Modes 3 là dạng dao động thứ nhất theo phương y – có chu kỳ dao động là:
T = 2.027 (s)
❖ Nhận xét:
- Modes 1 có chu kỳ dao động quá lớn, không phù hợp với một số công thức đưa ra chu kỳ hợp lý cho dạng dao động thứ nhất:
+ Công thức 1: ( )
10
n
T = s với n là số tầng, tính cả tầng hầm thì công trình
có n = 19
T = 1.9 (s)
+ Công thức 2: T H ( )s
D
= Trong đó: : Là hệ số phụ thuộc dạng kết cấu, với kết cấu khung giằng 0.091
o H: Là Chiều cao công trình, H = 66.5 (m)
o D: Là bề rộng đón gió theo phương dao động đang xét, với phương đón gió là phương y thì D = 59.8 (m)
T = 1.012 (s)
+ Công thức 3:
3 4
T =GH trong đó: G là hệ số lấy bằng 0.025 với công trình
bê tông cốt thép H là chiều cao công trình tính bằng feet (1 feet = 0.31m vậy
ta có H = 66.5 m = 218.11 feet)
T = 1.419 (s)
- Công trình có dao động dạng xoắn ở module thứ 2 Các module có tầm quan trọng giảm dần vì vậy nhứng module đầu có tầm quan trọng rất lớn đến kết cấu công trình
Trang 6Việc module 2 xuất hiện dao động dạng xoắn là khá nguy hiểm, tuy nhiên trong giới hạn luận văn có thể tạm thời chấp nhận
Kết luận: Hệ kết cấu công trình yếu, cần có một số biện pháp tăng độ cứng của
công trình như: Tăng Mác bê tông, tăng tiết diện cột vách, hoặc giảm chiều cao tầng nhà
- Nhận thấy việc giảm chiều cao tầng nhà là không khả dĩ do chiều cao tầng nhà hiện tại chỉ có 3.4 (m), chiều cao tiết diện dầm lớn dẫn tới không đủ chiều cao thông thủy cho nhà Mac bê tông hiện tại đã lấy tới B35 nên việc tăng mác bê tông cũng là không nên
- Do đó, ta tiến hành tăng tiết diện cột và bố trí thêm vách cứng chịu lực ở một số vị trí cần thiết Vị trí và tiết diện vách được điều chỉnh hợp lý qua nhiều lần để có được
hệ kết cấu hợp lý nhất Chú ý sự hợp lý về mặt kiến trúc khi bố trí thêm vách
- Ta tiến hành thêm một số hệ vách như hình bên dưới Bề dày vách lấy đều là 0.4 (m), không thay đổi tiết diện từ móng tới mái
- Tiết diện và vị trí bố trí thêm vách được thể hiện như hình dưới
Trang 7Hình 5 4: Bố trí vách - cột tầng hầm
Trang 8Tiến hành lập mô hình và phân tích kết quả thu được
Hình 5 5: Mô hình etabs phương án sàn dầm lần 2
11.2 Phân tích kết quả khi đã thay đổi tiết diện cột và thêm vách cứng
Bảng 5 3: Kết quả dao động lần chạy thứ 2 – phương án sàn dầm
Mode Period UX UY UZ SumUX SumUY SumUZ RX RY RZ
1 2.518 70.54 0.00 0 70.54 0.00 0 0.00 98.88 0.29
2 2.146 0.26 0.37 0 70.81 0.38 0 0.54 0.41 68.02
3 1.994 0.00 65.70 0 70.81 66.08 0 97.46 0.00 0.35
4 0.668 14.81 0.00 0 85.62 66.08 0 0.00 0.35 0.09
5 0.530 0.05 0.01 0 85.66 66.08 0 0.00 0.00 16.74
6 0.421 0.00 19.27 0 85.66 85.35 0 1.67 0.00 0.01
Trang 9T = 2.518 (s)
- Module 2 là dạng dao động xoắn
- Module 3 là dạng dao động thứ nhất theo phương y, có chu kỳ dao động là:
T = 1.994 (s)
❖ Nhận xét:
- Dạng dao động thứ nhất theo phương x (modes 1) có chu kỳ dao vẫn còn khá lớn, tuy nhiên do yêu cầu của kiến trúc khó bố trí thêm hệ thống vách và trong giới hạn luận văn thì có thể chấp nhận được
- Dạng dao động thứ nhất theo phương y (modes 3) có chu kỳ dao động tương đối hợp lý
- Vẫn xuất hiện xoắn ở modes thứ 2
Trang 105.2 Phương Án Sàn Phẳng
- Sàn phẳng là sàn không có dầm, bản sàn dựa trực tiếp trên cột Dùng sàn phẳng sẽ giảm được chiều cao kết cấu, việc làm ván khuôn đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép Sàn phẳng có có mặt dưới phẳng nên việc chiếu sáng và thông gió tốt hơn sàn có dầm Ngoài ra việc ngăn chia các phòng trên mặt sàn cũng sẽ linh hoạt và rất thích hợp với các bức tường ngăn di động
Có thể bố trí thêm mũ cột để chịu moment âm đầu cột, tăng cường khả năng chịu cắt, chịu xuyên thủng của sàn
Đối với phương án này, ta thực hiện với cùng hệ khung kết cấu như với phương án sàn dầm Với mục đích để so sánh đánh giá về các thông số dao động giữa 2 phương
án Từ đó chọn ra phương án kết cấu hợp lý nhất cho công trình
Các bước mô hình và tính toán như sau:
1 Đơn vị tính: kN m,
2 Vật liệu sử dụng: Bê tông B35: 3
25 /
bt kN m
3.45 10 /
b
3 Tiết diện chọn sơ bộ:
Cơ sở để chọn kích thước tiết diện sơ bộ cho các cấu kiện vẫn là các yếu tố tải trọng, nhịp tính toán, điều kiện biên, hàm lượng thép, giải pháp kiến trúc và điều kiện thi công
3.1 Sàn:
Được chọn sơ bộ bằng 1/35 đến 1/40 chiều dài nhịp tính toán
Nhịp tính toán lớn nhất là 9m, vậy ta chọn sàn có bề dày 0.22 (m)
3.2 Mũ cột hay bản đầu cột
Bản đầu cột phải có bề dày được tăng thêm ít nhất bằng 1/4 chiều dày của bản ở giữa ô và bề rộng của dải nên phải không nhỏ hơn 1/3 khoảng cách giữa hai trục cột (hai trục của bản đầu cột trùng với trục của cột)
3.3 Cột – vách
Tiết diện cột vách được được chọn như phương án sàn dầm
Vách lõi cứng có bề dày 400 mm và không đổi từ móng tới mái
Cột được chọn như trong bảng 5.1
3.4 Dầm bo
Hệ thống dầm bao phía ngoài mặt bằng sàn, chọn theo công thức kinh nghiệm như hệ dầm sàn:
Trang 114.2 Tĩnh tải tường
Bao gồm phần tường chất dọc dầm và tường chất trên sàn
- Tường chất dọc dầm được khai báo và gắn trực tiếp theo dải trên dầm
- Tường chất trong sàn được gắn theo dải thông qua hệ dầm ảo
4.3 Hoạt tải sàn
Phân bố đều trên sàn và tùy thuộc vào chức năng có trong ô sàn
Được chất tương tự như đối với hệ sàn – dầm
Các bước còn lại được thực hiện như đối với hệ sàn dầm
5 Chia ảo sàn
6 Đặt tên vách và chia ảo vách
7 Tạo liên kết Auto Line Constraints
8 Gắn ngàm cho chân cột và vách
9 Khai báo khối lượng dao động
10 Khai báo bậc tự do
11 Giải và phân tich bài toán
Trang 12
11.1 Kết quả chạy lần 1
Bảng 5 4: Kết quả dao động lần 1 – phương án sàn phẳng
Mode Period UX UY UZ SumUX SumUY SumUZ RX RY RZ
1 2.941 69.839 0.008 0 69.84 0.01 0 0.0 97.8 1.0
2 2.198 1.044 0.539 0 70.88 0.55 0 0.8 1.5 66.7
3 2.060 0.000 65.069 0 70.88 65.62 0 97.0 0.0 0.5
4 0.782 14.656 0.000 0 85.54 65.62 0 0.0 0.3 0.2
5 0.535 0.118 0.008 0 85.66 65.62 0 0.0 0.0 17.2
6 0.426 0.000 19.745 0 85.66 85.37 0 1.8 0.0 0.0
7 0.352 5.821 0.002 0 91.48 85.37 0 0.0 0.3 0.0
8 0.235 0.016 0.000 0 91.49 85.37 0 0.0 0.0 6.3
9 0.205 2.947 0.000 0 94.44 85.37 0 0.0 0.0 0.0
10 0.178 0.000 6.576 0 94.44 91.95 0 0.3 0.0 0.0
11 0.140 0.281 0.001 0 94.72 91.95 0 0.0 0.0 2.3
12 0.136 1.390 0.000 0 96.11 91.95 0 0.0 0.0 0.7
- Modes 1 là dạng dao động thứ nhất theo phương x, có chu kỳ dao đông là
T = 2.941 (s)
- Module 2 là dạng dao động xoắn quanh trục z
- Module 3 là dạng dao động thứ nhất theo phương y, có chu kỳ dao động là:
T = 2.060 (s)
11.2 Bố trí thêm hệ vách như phương án sàn dầm
Trang 13Hệ vách được bố trí thêm vào mặt bằng như bên phương án sàn dầm để so sánh dao động 2 phương án một cách khách quan
Hình 5 7: Mô hình etabs phương án sàn phẳng lần 2
Trang 1411.3 Kết quả dao động
Bảng 5 5: Kết quả dao động lần 2 – phương án sàn phẳng
1 2.514 70.001 0.004 0 70.00 0.00 0 0.01 98.11 0.81
2 2.180 0.823 0.317 0 70.82 0.32 0 0.46 1.20 67.17
3 2.018 0.000 65.443 0 70.82 65.76 0 97.42 0.00 0.30
4 0.669 14.959 0.000 0 85.78 65.76 0 0.00 0.36 0.10
5 0.533 0.038 0.006 0 85.82 65.77 0 0.00 0.00 17.27
6 0.421 0.000 19.726 0 85.82 85.50 0 1.80 0.00 0.01
7 0.303 5.747 0.000 0 91.57 85.50 0 0.00 0.26 0.04
8 0.235 0.027 0.000 0 91.59 85.50 0 0.00 0.00 6.22
9 0.178 2.769 0.186 0 94.36 85.68 0 0.01 0.03 0.02
10 0.177 0.084 6.342 0 94.45 92.02 0 0.24 0.00 0.00
11 0.139 0.028 0.001 0 94.47 92.02 0 0.00 0.00 2.94
12 0.120 1.594 0.000 0 96.07 92.02 0 0.00 0.02 0.01
- Modes 1 là dạng dao động thứ nhất theo phương x, có chu kỳ dao đông là
T = 2.514 (s)
- Module 2 là dạng dao động xoắn quanh trục z
- Module 3 là dạng dao động thứ nhất theo phương y, có chu kỳ dao động là:
T = 2.018 (s)
Trang 155.3 So Sánh 2 Phương Án Kết Cấu Sàn
Bảng 5 6: So sánh ưu nhược điểm 2 phương án sàn
Phương Án Sàn Dầm
- Hệ sàn dầm kết hợp tốt với hệ
khung giằng, tạo thành hệ khung
bê tông cốt thép quen thuộc
- Bề dày sàn mỏng, kết cấu nhẹ hơn,
tốn ít khối lượng bê tông cốt thép hơn
- Việc chia nhỏ ô sàn bằng hệ dầm
giúp đảm bảo các điều kiện võng nứt theo trạng thái giới hạn 2
- Việc chia hệ dầm khiến chiều cao thông thủy của tầng nhà bị hạn chế hơn
- Hệ dầm ngang dọc khiến mặt trần công trình xấu, cần có biện pháp đóng trần che chắn
Phương Án Sàn Phẳng – bố trí mũ cột
- Hệ sàn phẳng giúp tạo thêm chiều
cao thông thủy cho tầng nhà, tạo thông thoáng về mặt kiến trúc
- Hệ sàn phẳng cho mặt trần phía
trên đẹp, không cần thiết phải đóng trần che chắn
- Thi công cốp pha dễ dàng, linh
hoạt trong hệ tường phân chia công trình
- Nhịp kết cấu quá lớn dẫn đến chiều dày sàn lớn (220 mm), kết cấu nặng, tăng tải đứng của công trình dẫn tới cần thiết phải tăng tiết diện cột để đủ khả năng chịu lực
- Nhịp lớn khó thỏa các điều kiện võng nứt
- Phức tạp trong việc tính toán và bố trí thêm các bản đầu cột, đầu vách
Bảng 5 7: So sánh dao động 2 phương án sàn
So sánh dao động của 2 phương án sàn
Lần chạy thứ nhất
- Modes 1 là dạng dao động thứ nhất
theo phương x, chu kỳ dao động T
= 2.83 (s)
- Modes 2 là dao động dạng xoắn
quanh trục z
- Modes 3 là dạng dao động thứ nhất
theo phương y, chu kỳ dao động T
= 2.027 (s)
- Modes 1 là dạng dao động thứ nhất theo phương x, chu kỳ dao động T
= 2.941 (s)
- Modes 2 là dao động dạng xoắn quanh trục z
- Modes 3 là dạng dao động thứ nhất theo phương y, chu kỳ dao động T
= 2.060 (s) Lần chạy thứ 2 (bố trí thêm hệ vách)
- Modes 1 là dạng dao động thứ nhất
theo phương x, chu kỳ dao động T
- Modes 1 là dạng dao động thứ nhất theo phương x, chu kỳ dao động T
Trang 16- Modes 2 là dao động dạng xoắn
quanh trục z
- Modes 3 là dạng dao động thứ nhất
theo phương y, chu kỳ dao động T
= 1.994 (s)
- Modes 2 là dao động dạng xoắn quanh trục z
- Modes 3 là dạng dao động thứ nhất theo phương y, chu kỳ dao động T
= 2.018 (s)
5.4 Kết Luận và Lựa Chọn Phương Án Hợp Lý
Theo như những phân tích đã lập ở trên, phương án sàn phẳng tuy có ưu điểm mặt
kiến trúc nhưng về mặt dao động lại không phải là phương án tốt Chu kỳ dao động của phương án sàn phẳng lớn hơn hoặc gần bằng phương án sàn dầm, nhưng sàn phẳng lại có bề dày gấp nhiều lần phương án sàn dầm, dẫn tới trọng lượng bản thân sàn tăng, gây nặng nền cho hệ kết cấu công trình, làm tăng moment dầm cột và khó thỏa hơn về mặt chịu lực cũng như đáp ứng các yêu cầu võng nứt theo TTGHII
Vậy Phương Án Sàn Dầm là phương án tốt hơn được chọn trong trường hợp
này Những quá trình tính toán sau sẽ dựa trên phương án này
5.5 Tài Liệu Tham Khảo
❖ Ứng dụng etabs trong thiết kế nhà cao tầng (Extended 3D Anlysis Of Building Systems) – Ks Gv Trần Anh Bình – BM Tin Học Xây Dựng ĐH Xây Dựng Hà Nội
❖ Kết cấu bê tông cốt thép phần cấu kiện cơ bản – PGs TS Phan Quang Minh
❖ Giáo trình Kết cấu bê tông côt thép 2 – TS Nguyễn Minh Long