Quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo TCVN

cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo TCVN Quy trình thiết kế kết, cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo TCVN Quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo TCVN Quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo TCVN Quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo TCVN Quy trình thiết kế kết

THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

NHÀ CAO TẦNG THEO TCVN

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU 3

1.1 Mục đích 3

1.2 Tài liệu tham khảo 3

1.3 Các yêu cầu thiết kế nhà cao tầng, cần lưu ý ngay từ đầu 3

2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ 6

2.1 Đặc trưng vật liệu 8

2.1.1 Bê tông 8

2.1.2 Thép 9

2.2 Xác định sơ bộ tiết diện 9

2.2.1 Sàn 9

2.2.2 Dầm 12

2.2.3 Cột 13

2.2.4 Vách cứng 14

2.3 Xác định tải trọng 16

2.3.1 Tĩnh tải – DL 16

2.3.2 Hoạt tải – LL 20

2.4 Bài toán dao động riêng MODE SHAPE 20

2.4.1 Các phương pháp xác định tần số dao động riêng 21

2.4.2 Kiểm tra chu kỳ dao động riêng 24

2.4.3 Ảnh hưởng của tần số dao động riêng đến tải trọng động 26

2.4.4 Khai báo Mass source trong quá trình phân tích TSDDR bằng ETABS 27

2.5 Tải trọng gió 30

2.5.1 Gió tĩnh 30

2.5.2 Gió động 31

2.5.3 Tổ hợp tải trọng gió 36

2.6 Tải trọng động đất 36

2.6.1 Những nguyên tắc chỉ đạo trong thiết kế cơ sở 36

2.6.2 Gia tốc nền thiết kế 38

2.6.3 Cấp động đất 40

2.6.4 Các loại đất nền 42

2.6.5 Biểu diễn cơ bản của tác động động đất 44

2.6.6 Các phương pháp mô phỏng tải trọng động đất 44

2.6.7 Tổ hợp các thành phần động đất (mục 4.3.3.5.) 49

2.7 Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị 51

2.7.2 Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị 52

2.8 Kiểm tra mô hình theo TCXD198-1997 56

2.8.1 Kiểm tra ổn định chống lật 56

2.8.2 Kiểm tra độ cứng 56

2.8.3 Kiểm tra dao động (nên kiểm tra, không thuyết minh) 56

1 GIỚI THIỆU

1.1 Mục đích

Xây dựng quy trình thiết kế kết cấu nhà cao tầng theo TCVN nhằm phục

vụ cho công tác thiết kế một cách chuyên nghiệp, thống nhất và hiệu quả cao

1.2 Tài liệu tham khảo

1 TCVN 2737 – 1995: Tiêu chuẩn thiết kế về tải trọng và tác động

2 TCVN 229 – 1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió

theo TCVN 2737-1995

3 TCXDVN 375 – 2006: Thiết kế công trình chịu động đất

4 TCXDVN 356 – 2005: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chuẩn

thiết kế

5 TCXDVN 198 – 1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

toàn khối

6 TCXDVN 205 – 1998: Móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế

7 Ray W.Clough and Joseph Penzien, Dynamic of Structure -

McGraw-Hill,1993

8 Singiresu S.Rao, Mechanical Vibrations - Addison-Wesley,1990

9 MonoGraph on Planning and Design of Tall Building-Structural design of

Tall Steel Building - American Society of C.E, 1979

10 Phan Văn Cúc & Nguyễn Lê Ninh, Tính toán và cấu tạo kháng chấn công

trình nhiều tầng - NXB Khoa học kỹ thuật,1994

11 Thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996

1.3 Các yêu cầu thiết kế nhà cao tầng, cần lưu ý ngay từ đầu

Phân biệt lãng phí và an toàn trong công trình, đặc biệt là kết cấu

• Lãng phí là quá dư; biết là đủ, nhưng vẫn thêm và thêm tỷ lệ lớn

• An toàn là vừa đủ, đảm bảo an toàn công trình lâu dài

Thiết kế nhà cao tầng, tất cả các bộ phận kết cấu phải an toàn, đặc biệt

là phần móng

Khi thiết kế, phải dự trù và đề xuất biện pháp thi công, dù giải pháp chưa đạt, để

• Có cơ sở lập dự toán, tổng dự toán từ đầu, do những chi phí thiết bị, vật

tư để thi công, cần được tính đúng và đủ; đặc biệt khi chưa có suất đầu

tư chi tiết hoàn chỉnh và tình hình địa chất phức tạp dưới công trình

• Nói lên tính khả thi của phương án thiết kế

• Có những hướng dẫn cần thiết từ đầu cho các đơn vị đấu thầu, giám sát,

triển khai thi công, đặc biệt là đối với tầng hầm, nhiều tầng hầm

Một ví dụ giải pháp “TOP – DOWN”

Nếu còn đất xung quanh, tầng có thể tăng diện tích (vượt khỏi diện tích khối đế) để tăng diện tích để xe các loại, đủ bố trí hồ nước ngầm, hầm phân (trong điều kiện Việt Nam) và bộ phận kỹ thuật (điện, nước)

Khi số tầng càng cao, kết cấu thép, kết cấu liên hợp hay bê tông DUL sẽ hiệu quả hơn kết cấu BTCT thông thường Hệ chịu lực của công trình sẽ do kết cấu quyết định

Kiến trúc, M-E, Cấp thoát nước và thang máy trong nhà cao tầng là rất quan trọng, không kém phần kết cấu Kết cấu ảnh hưởng đến sự bền vững của công trình, nhưng những thiết kế chuyên ngành khác, phục vụ cho sự tiện nghi trong sử dụng công trình… là yếu tố đảm bảo thành công trong khai thác Quan tâm thêm đến cách bố trí thang máy nhà cao tầng, nhà chọc trời

Chế độ bảo trì công trình là một trong những thành phần hồ sơ thiết kế phải nộp cho chủ đầu tư từ đầu

Cần quy định rõ phương pháp và tiến độ phải quan trắc chuyển vị của công trình

Công trình cao tầng thường là khối lớn, kích thước mỗi cạnh trên mặt bằng sẽ vượt quá giới hạn cho phép Do vậy, cần tiên lượng trước giải pháp

về khe lún, khe nhiệt; giải pháp về phân đợt thi công, ngay từ đầu Phân chia công trình bằng khe co giãn, khe chống động đất và khe lún khi thiết kế nhà cao tầng cố gắng điều chỉnh hình dáng và kích thước mặt bằng bởi các giải pháp kết cấu và thi công để hạn chế việc chia cắt này sẽ dẫn đến sự bất lợi cho kết cấu công trình; thứ nhất: vì tải trọng công trình lớn nên tại hai bên khe lún cấu tạo móng gặp khó khăn; thứ hai: khi dao động dưới ảnh hưởng của địa chấn dễ gây ra xô đẩy làm hư hỏng công trình Việc chia cắt công trình cần phải được hạn chế, song trong những trường hợp sau đây thì việc chia cắt cần được tiến hành:

♦ Đối với khe co giãn: khe co giãn cần phải bố trí khi kích thước mặt bằng công trình quá lớn (vượt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn) mà không có các biện pháp kết cấu và thi công đảm bảo tính an toàn cho công trình Đối với nhà cao tầng khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn phụ thuộc vào hệ kết cấu chịu lực công trình và kết cấu tường ngoài của công trình Với hệ kết cấu khung vách BTCT toàn khối nếu tường ngoài lắp ghép thì khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn là 65m, nếu tường ngoài liền khối thì khoảng cách cho phép là 45m

♦ Đối với khe lún: Khe lún của các bộ phận công trình chênh lệch nhau có thể làm cho công trình bị hư hỏng Những trường hợp sau đây thì không nên bố trí khe lún:

¾ Công trình tựa trên nền cọc, nền đá hoặc trên các nền được gia

cố đảm bảo độ lún của công trình là không đáng kể

¾ Với việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiên độ chênh lún giữa các

bộ phận nằm trong giới hạn cho phép

♦ Đối với khe phòng chống động đất: khe phòng chống động đất được bố

¾ Kích thước mặt bằng vượt giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn

¾ Nhà có tầng lệch tương đối lớn

¾ Độ cứng và tải trọng của các bộ phận nhà chênh lệch nhau

Việc tạo khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún cần tuân theo các nguyên tắc sau:

♦ Các khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún nên bố trí trùng nhau

♦ Khe phòng chống động đất nên được bố trí suốt chiều cao của nhà, nếu trong trường hợp không cần có khe lún thì không nên cắt qua móng mà nên dùng giải pháp gia cố thêm móng tại vị trí khe phòng chống động đất

♦ Khi công trình được thiết kế chống động đất thì các khe co giãn và khe lún phải tuân theo yêu cầu của khe phòng chống động đất

Độ rộng của khe lún và khe phòng chống động đất cần được xem xét căn cứ vào chuyển vị của đỉnh công trình do chuyển dịch móng sinh ra Chiều rộng tối thiểu của khe lún và khe phòng chống động đất được tính theo công thức:

dmin= V1 + V2 + 20mm trong đó: V1 và V2 là chuyển dịch ngang cực đại theo phương vuông góc với khe của hai bộ phận công trình hai bên khe, tại đỉnh của khối kề khe có chiều cao nhỏ hơn hai khối

Giảm ảnh hưởng của nhiệt độ và co ngót của bê tông: tăng thép tại nơi nhạy cảm với nhiệt độ như sàn mái, sàn tầng dưới cùng và tường đầu hồi… Nếu giải pháp móng sử dụng phương pháp TOP-DOWN, phải dự trù từ đầu, bằng tính toán cụ thể; số lượng tầng sàn thượng tầng tối đa mà mỗi sàn hầm khi xuống sâu hơn, có thể tiếp nhận được, cho đến khi tầng hầm được thi công hoàn chỉnh

Lưu ý quy ước đánh số thứ tự tầng hầm (1, 2, 3…) là đánh từ tầng hầm ở vị trí trên cùng, trở xuống

2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ

Đây là lưu đồ nhằm tóm tắt toàn bộ quy trình thiết kế kết cấu BTCT nhà cao tầng

Điều chỉnh thiết kế

Chọn phương án kết cấu tổng thể: khung phẳng hay 3D, cột

Xác định sơ bộ tiết diện Define section

- Sàn, dầm, cột, vách

Xác định tải trọng Static load case

- Tĩnh tải: TLBT, hoàn thiện, tường

- Hoạt tải

Bài toán dao động riêng Mode Shape

- Kiểm tra chu kỳ dao động đầu tiên T 1

- Kiểm tra dạng dao động Mode shape

Tính toán và nhập tải trọng động Dynamic Load

- Tải trọng gió

- Tải trọng động đất

Tổ hợp tải trọng Load combination

- Tổ hợp kiểm tra chuyển vị, độ võng

- Tổ hợp tính bền

Kiểm tra mô hình tính toán Check model

- Kiểm tra ổn định chống lật

- Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh (độ cứng)

- Kiểm tra gia tốc đỉnh (dao động)

Bài toán thiết kế Design

- Thiết kế sàn, dầm, cột, vách

- Kiểm tra hàm lượng

Triển khai chi tiết

- Triển khai bản vẽ thi công

2.1 Đặc trưng vật liệu

Cường độ chịu lực, độ bền mỏi, tính biến dạng, khả năng chống cháy

Mác bê tông ≥ 300 (BTCT thường), ≥ 350 (BTCT ứng lực trước)

Dùng thép cường độ cao, có thể dùng thép hình trong kết cấu hỗn hợp thép – BTCT

Trọng lượng kết cấu ảnh hưởng đến tải trọng động đất

2.1.1 Bê tông

Phân loại bê tông như sau

♦ Bê tông nặng có khối lượng riêng trung bình từ 2200 kg/m3 đến 2500 kg/m3;

♦ Bê tông hạt nhỏ có khối lượng riêng trung bình lớn hơn 1800 kg/m3;

♦ Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng;

♦ Bê tông tổ ong chưng áp và không chưng áp;

♦ Bê tông đặc biệt: bê tông tự ứng suất

Điều 5.1.2.6 (trang 63, TCVN 356-2005), hệ số nở ngang ban đầu của bê tông ν (hệ số Poát-xông) lấy bằng 0,2 đối với tất cả các loại bê tông Mô đun

trượt của bê tông G lấy bằng 0,4 giá trị E tương ứng Giá trị của b E cho b

Điều 5.1.2.1 (trang 63, TCVN 356-2005), hệ số dãn nở nhiệt αbt khi nhiệt

độ thay đổi từ -40°C đến 50°C, tuỳ thuộc vào loại bê tông được lấy như sau:

♦ Đối với bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ và bê tông nhẹ cốt liệu nhỏ loại

1.0 10

bt

α = × − ( 1/oC);

♦ Đối với bê tông nhẹ dùng cốt liệu nhỏ loại rỗng: 5

Trong trường hợp có số liệu về thành phần khoáng chất của cốt liệu, lượng xi

măng mức độ ngậm nước của bê tông, cho phép lấy các giá trị αbt khác nếu

có căn cứ và được các cơ quan có thẩm quyền phê duyệt

2.2 Xác định sơ bộ tiết diện

Xác định sơ bộ tiết diện cho các cấu kiện của công trình như sàn, dầm,

cột, vách nhằm phục vụ cho bài toán dao động riêng Lựa chọn tiết diện phải

thỏa mãn yêu cầu kiến trúc và đảm bảo điều kiện của chu kỳ dao động

2.2.1 Sàn

Nhằm thỏa mãn giả thiết kết cấu (dầm) sàn là vách cứng trong mặt

phẳng ngang (diaphragm), nghĩa là có độ cứng tuyệt đối trong mặt phẳng sàn

và mềm (biến dạng được) ngoài mép sàn, của các lý thuyết tính toán nhà cao

tầng hiện nay, dẫn đến chuyển vị ngang ở mỗi cao trình NCT là không đổi

Sàn càng cứng, chu kỳ dao động và gia tốc dao động sẽ giảm đi,

đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép Và thông thường, nếu cứ

“chồng” tầng lên, mà mỗi sàn được tính toán như 1 sàn độc lập, khả năng độ

cứng của giả thiết sẽ không đảm bảo tuyệt đối – công trình sẽ “rung, lắc” nhẹ,

cảm nhận được khi có gió mạnh thổi vào

Nhà cao tầng, cần đặt sẵn những đường ống thiết bị trong nhà, cần tăng

“1 ít” chiều dày sàn

Sàn DUL, để dễ bố trí cáp, chiều dày sàn lớn, hợp lý, vẫn có lợi

a : nhịp cột (phương gió đang tác dụng và xét đến ảnh hưởng)

b : bước cột (phương trực giao với a )

d

b : bề rộng dầm

Kết quả tính toán cho thấy: chiều dày sàn chọn theo những quy định

thông thường của nhà ít tầng, cần được nhân thêm hệ số, xác định theo bảng

Khả năng chống động đất của công trình, sẽ tăng đôi chút

Lưu ý: Cốt thép, vẫn phải được tính toán như sàn nhà ít tầng, thông thường

Lưu ý: Khi thực hiện những công trình nhà cao tầng, trong thời gian gần

đây, thường hay sử dụng sàn nấm DUL, không dầm Khi xây tường ngăn

phòng, sẽ có 2 vấn đề cần quan tâm

• Tường sẽ xây không đúng (vì không có) dầm, tải loại dãy Cần phân tích

thêm nội lực trong sàn nấm, chịu loại tải này, để tránh nội lực phân bố

không đều, dễ gây nứt sàn, thấy trước

• Khi xây (hay lắp) tường, nếu không chèn kín khe hở mặt trên tường (giáp

sàn), tường mỏng; về lâu dài sẽ xuất hiện khe nứt dọc do co ngót theo

mặt tiếp giáp này, ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường công trình

trong đó L L lần lượt là chiều dài cạnh ngắn và cạnh dài của ô sàn 1; 2

Hàm lượng thép trong sàn là max b

R s

R R

μ =ξ trong đó: Các giá trị ;R R tra theo bảng ở b s mục 2.1.1 và 2.1.2 (file này)

⎝ ⎠ và ngược lại, chiều rộng dầm sẽ tăng

BTCT thường, vẫn xử lý được tình huống này

Hàm lượng thép trong dầm là max b

R s

R R

μ =ξ (xem mục 2.2.1.2)

Hàm lượng thép trong dầm hợp lý μ = ÷(1 1.5)%

2.2.3 Cột

Kích thước tiết diện cột thường chọn theo diện tích truyền tải từ dầm (sàn) lên, phân đều theo các phương, mỗi tầng Trên cơ sở đó, xác định được lực nén và từ lực nén (có gia tăng hệ số để xét thêm ảnh hưởng của Moment),

sẽ tính được tiết diện cột (vuông, chữ nhật, tròn…) Về nguyên tắc, khi truyền tải không đổi theo chiều cao thì theo “Tính toán tiết diện cột BTCT” – GS Nguyễn Đình Cống – NXB xây dựng –Hà Nội 2006 / trang 21

s s

N =m qF

trong đó F diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét s

m là số sàn phía trên tiết diện đang xét (kể cả sàn mái) s

q là tải trọng tương đương tính trên mỗi mét vuông sàn, trong đó

gồm tải trọng thường xuyên và tạm thời trên bản sàn, trọng lượng dầm,

tường, cột đem tính ra phân bố đều trên sàn Giá trị q được lấy theo kinh

nghiệm thiết kế

♦ Với nhà có bề dày sàn là bé (10cm -> 14cm) kể cả các lớp cấu tạo mặt sàn), có ít tường, kích thước của dầm và cột thuộc loại bé, q=(10 14)÷kN/m2 (1 1.4÷ T/m2)

♦ Với nhà có bề dày sàn trung bình (15cm -> 20cm), tường, dầm và cột là trung bình hoặc lớn, q=(15 18)÷ kN/m2 (1.5 1.8÷ T/m2)

♦ Với nhà có bề dày sàn khá lớn (trên 25cm), dầm và cột đều lớn, q có thể

đến 20 kN/m2 (2T/m2) hoặc hơn nữa

Kích thước tiết diện cột A được tính 0

0

t b

k N A

R

=

t

k là hệ số xét ảnh hưởng khác như Moment uốn, hàm lượng cốt thép,

độ mảnh của cột Xét sự ảnh hưởng này, theo sự phân tích và kinh nghiệm của người thiết kế, khi ảnh hưởng của moment là lớn, độ mảnh cột lớn (l0 lớn) thì lấy k lớn t k t =1.3 1.5÷ (cột biên và cột góc) Khi ảnh hưởng của moment là

bé, thì lấy k t =1.1 1.2÷ (cột giữa)

Trong trường hợp thiết kế kết cấu chịu động đất thì kích thước của cột

tuân theo điều kiện hạn chế về tỉ số nén trang 72, mục 5.1.2 TCVN375-2006

0

10.1

c

N n

cứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50% (mục 2.5.4 - 1997)

TCXD198-2.2.4 Vách cứng

Vách cứng được định nghĩa trong mục 5.1.2 trang 72 TCVN375-2006 có tiết diện với w 4

w l

b ≥ (trong đó, l là chiều dài vách, còn w b là bề rộng vách) w

Không tính, khi số tầng không lớn, không cần vách mà nên thay bằng cột Xin nhắc lại, theo Taranath B.S, đối với nhà cao tầng chịu lực bằng BTCT

Sơ bộ xác định diện tích vách cứng F wall =0.015× , trong đó S là diện S

đế của các vách riêng rẽ nếu làm việc tách rời nhau.(mục 5.1.2 trang 72 TCVN375-2006)

Thực tế, thang máy có tải không lớn; vận tốc có lớn thì cũng không ảnh hưởng đến sức chịu tải của nhà cao tầng Tải xung của thang, trong cấu tạo hiện nay, sẽ truyền đều dần lên hệ chịu lực quanh thang Do vậy, nếu vách, lõi cứng được bố trí quanh thang máy là quá tốt

trong đó b h là các kích thước của dầm cột, còn ; h là bề dày của sàn, b

vách (nhập trong phần Define Frame sections và Wall/Slab sections)

γ =2.5 T/m3, nhập trong Define material (Weight per unit volume)

n=1.1; nhập trong phần Define Static load cases (Self Weight multiplier) (hệ số vượt tải trong phần tổ hợp)

2.3.1.2 Tải trọng các lớp cấu tạo sàn (hoàn thiện)

Chiều dày của các lớp cấu tạo sàn căn cứ vào bản vẽ kiến trúc; hệ thống

kỹ thuật đường ống, thiết bị điện, hệ thống lạnh căn cứ vào bản vẽ M&E; hệ

số tin cậy căn cứ theo TCVN 2737 – 1995 Tùy thuộc vào công năng sử dụng của từng ô sàn, tĩnh tải sàn được chia làm các loại tải trọng như sau:

Báng 1: Sàn văn phòng căn hộ

Các lớp

cấu tạo sàn

Chiều dày (cm)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Báng 4: Cầu thang

Các lớp

cấu tạo sàn

Chiều dày (cm)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

Trọng lượng riêng γ (kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

2.3.1.3 Tải trọng tường gạch, kính nhôm

Tải trọng tường gạch xây đặc tiêu chuẩn ngắn gọn theo công thức sau

trong đó H là chiều cao tường gạch tính từ cao trình sàn tầng dưới tới mép

dưới của dầm hoặc sàn tầng trên

Trong trường hợp, tường có cửa sổ hoặc cửa đi thì có thể tính toán nhanh như sau (không cần tính toán chi tiết)

rong dac

g =g × n trong đó n là hệ số được tính theo bảng sau

Hệ số n

Loại 1 cửa

(sổ/đi)

2 cửa (sổ+đi)

Trọng lượng riêng γ(kN/m3)

Tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số

n

Tính toán (kN/m2)

2.3.2 Hoạt tải – LL

2.4 Bài toán dao động riêng MODE SHAPE

Khi công trình chịu tác dụng của tải trọng động, nó sẽ thực hiện các chuyển động Nếu các chuyển động của công trình được lặp lại trong một khoảng thời gian nào đó thì chuyển động đó được gọi là dao động

Phương trình dao động chủ đạo của hệ kết cấu nhiều bậc tự do như sau

[ ]M X t( )+[ ]C X t( )+[ ]K X t( )=P t( )trong đó: [ ] [ ] [ ]M ; C ; K lần lượt là ma trận khối lượng, cản và độ cứng

STT Công năng sử dụng Hoạt tải tiêu chuẩn

Sàn nhà kho sách lưu trữ 4.8 /1m cao 1.2 5.76

Sàn nhà kho sách thư viện 2.4/1m cao 1.2 2.88

Sàn nhà kho giấy 4.0/1m cao 1.2 4.8

X t X t X t P t( ); ( ); ( ); ( )lần lượt là vectơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị và tải trọng nút

Tần số góc ω được xác định theo phương trình sau

[ ]M X t( )+[ ]K X t( )=0

Hệ có n bậc tự do thì sẽ có n tần số dao động riêng Quan hệ giữa chu kỳ

dao động riêng T ; tần số dao động riêng f và tần số góc ωđược biểu diễn

Tần số dao động riêng (TSDĐR) của hệ kết cấu phụ thuộc vào

• Khối lượng [ ]M của hệ (khối lượng tăng thì TSDĐR giảm và ngược lại)

• Khối lượng [ ]K của hệ (khối lượng tăng thì TSDĐR tăng và ngược lại)

Đối với công trình xây dựng, TSDĐR còn phụ thuộc

• Loại đất dưới chân công trình

• Khả năng giảm chấn của công trình

2.4.1 Các phương pháp xác định tần số dao động riêng

Nếu xét trên phương diện thực tế tính toán, thiết kế có thể dùng các cách sau để xác định TSDĐR của công trình như sau

2.4.1.1 Dùng các công thức thực nghiệm, gần đúng trong tiêu chuẩn, tài liệu chuyên môn

Căn cứ vào số tầng nhà, dạng kết cấu và dạng nền (TCXD229-1999)

T =αN

trong đó N là số tầng nhà

α là hệ số phụ thuộc vào kết cấu và dạng nền: đối với nền móng

có biến dạng trung bình thì

• α =0.064 nếu nhà là khung BTCT toàn khối

• α =0.08 nếu nhà là khung thép chèn gạch hoặc bê tông nhẹ

Căn cứ kích thước của nhà và dạng kết cấu (TCXD229-1999)

i i

EJ h f

απ

=trong đó m là khối lượng tập trung mỗi tầng (kN)

EJ là độ cứng chống uốn công trình (kN/m2)

H là chiều cao công trình tính bằng (m)

h là chiều cao mỗi tầng tính bằng (m)

1,2,3 1.875; 4.694; 7.86

α = ứng với các tần số f f1; 2; f 32.4.1.2 Dùng phần mềm tính toán kết cấu (SAP2000, ETABS…)

Dynamic of Structure - McGraw-Hill,1993 và Singiresu S.Rao,

Mechanical Vibrations - Addison-Wesley,1990)

Khảo sát các cách tính TSDĐR thông qua ví dụ sau: Tính TSDĐR của công trình 25 tầng bằng BTCT cao 100m, mỗi tầng 4m Mặt bằng kích thước 56mx28m, tiết diện kết cấu chính như sau dầm 1000x700; sàn 200; cột 1000x1000 và vách 500

i i

EJ h f

απ

=thay các giá trị m=19290(kN); 10

Khối lượng tương thích 0.36 1.33 2.77

Từ bảng trên, nhận thấy rằng các phương pháp xác định TSDĐR khác nhau cho kết quả khác nhau và chênh lệch rất lớn Đây chính là điều đặc biệt cần lưu ý khi xác định TSDĐR của công trình cao tầng

2.4.2 Kiểm tra chu kỳ dao động riêng

Thực tế TSDĐR của công trình nhỏ hơn so với tính toán lý thuyết:

• Độ cứng thực tế của công trình nhỏ hơn so với lý thuyết vì sự đơn giản hóa trong quá trình tính toán và công trình xuất hiện vết nứt trong quá trình sử dụng

• Liên kết giữa đất và công trình thực tế không phải là liên kết ngàm vì nền đất có biến dạng (Phan Văn Cúc & Nguyễn Lê Ninh, Tính toán và cấu tạo kháng chấn công trình nhiều tầng - NXB Khoa học kỹ thuật,1994) Khoảng biến thiên của chu kỳ dao động riêng của công trình cao tầng thông thường (MonoGraph on Planning and Design of Tall Building-Structural design of Tall Steel Building - American Society of C.E, 1979 và Thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996):

Theo tài liệu Trung Quốc, phương pháp tải trọng ngang giả

1 1.7 0

T = α Δ trong đó Δ (m) là chuyển vị ngang nhà khi lấy trọng lượng Gj các tầng làm lực ngang tập trung tại các mức sàn

α0 (m) là hệ số giảm chu kỳ do ảnh hưởng của tường gạch chèn

Theo TCXD 375-2006, khi nhà cao H <40m, công thức 4.6 trang 49

A (m i 2) là diện tích tiết diện ngang hữu hiệu vách cứng thứ i theo

hướng đang xét ở tầng đầu tiên

l (m) là chiều dài vách cứng ở tầng đầu tiên theo hướng song wi

song lực tác động, với l wi 0.9

H ≤ Theo TCXD 375-2006, một cách khác, công thức 4.9 trang 50

1 2

T = d

trong đó d (m) là chuyển vị đàn hồi tại đỉnh nhà do các lực trọng trường

tác dụng theo phương ngang gây ra

Theo ANSI (Mỹ)

0.05H T

i i i

W T

δπ

δi là chuyển vị tại cao trình i (có trọng lượng W ) do bộ lực ngang i

bất kỳ ∑F i tác dụng Sự phân phối của lực F có thể theo hình dạng của i

đường đàn hồi

2.4.3 Ảnh hưởng của tần số dao động riêng đến tải trọng động

Khi có TSDĐR, dễ dàng tính được thành phần động của gió và động đất Tải trọng gió được xác định theo Thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996

0

z s

q=β μ kq

trong đó βz là hệ số chấn động gió

Khi TSDĐR của công trình càng giảm thì hệ số chấn động gió càng lớn theo

“Thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng” - NXB xây dựng -1996 Vì vậy, tải trọng gió tác dụng lên công trình lớn

Theo cách tính trực tiếp theo phương pháp tải trọng ngang thay thế (Phan Văn Cúc & Nguyễn Lê Ninh, Tính toán và cấu tạo kháng chấn công trình nhiều tầng- NXB Khoa học kỹ thuật,1994) thì lực động đất tác dụng lên

Khi TSDĐR của công trình càng tăng thì động đất tác dụng càng lớn

Hiện nay, theo TCVN2737-1995 và ACI318-2005 thì tổ hợp tải trọng do ảnh hưởng tải trọng động đất thì không kể đến tải trọng gió Vì vậy việc khống chế TSDĐR của công trình để độ chênh lệch không nhiều về độ lớn của 2 loại tải trọng này là cần thiết để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế xây dựng công trình (phải đảm bảo yêu cầu về gia tốc đỉnh và chuyển vị ngang đỉnh công trình)

2.4.4 Khai báo Mass source trong quá trình phân tích TSDDR bằng ETABS

Có thể tính khối lượng (mass) bằng tay rồi nhập vào mô hình Hoặc phần mềm tự đổi từ tải trọng thẳng đứng ra khối lượng, không cần nhập trực tiếp khối lượng

Theo TCXD 229:1999, ngoài phần khối lượng thường xuyên thì xét thêm phần khối lượng chất tạm thời trên công trình với hệ số chiết giảm

Theo TCXD229-199, khi tính gió động, cần xét s dạng dao động riêng đầu tiên

fs < fL < fs+1

Các tiêu chuẩn khác thì xét theo tỉ số khối lượng tham gia (xét cho động đất)

Kết quả phân tích một bài toán như sau

Nhận xét

Kết quả tính toán trên chưa kể đến độ cứng của các bộ phận phi kết cấu (ví dụ như tường gạch), mặc dù đã kể đến khối lượng của chúng!