phân tích ứng xử nhà cao tầng có tầng cứng chịu tác động tải trọng gió khu vực thành phố đà nẵng

Hệ khung - lõi Trong hệ này, khung và lõi hoạt động cùng nhau để chịu lực và duy trì tính ổn định của kết cấu, khi tải trọng ngang tác dụng hầu như được truyền vào hệ lõi cứng còn hệ khu

Giới thiệu chung

Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ và nhu cầu nhà ở ngày càng cao, đặc biệt tại các đô thị lớn khi mà mật độ dân cư không ngừng tăng thì đòi hỏi các công trình dân dụng trên thế giới nói chung cũng như nước ta nói riêng cần phát triển cấp tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp Khi công trình càng phát triển chiều cao thì mức độ ảnh hưởng cũng như độ phức tạp của tải trọng ngang càng lớn và nổi trội nên việc đánh giá tác động ảnh hưởng của tải trọng ngang là ưu tiên Tải trọng ngang tác động lên công trình nhà cao tầng gồm hai dạng chính đó là tải trọng gió và tải trọng động đất Trong luận văn này, tác giả chỉ chú trọng đến tải trọng gió Ở Việt Nam, do đặc điểm địa lý có vị trí đặc biệt với đường bờ biển dài trên 3000km và nằm trong vùng nhiệt đới chịu ảnh hưởng trực tiếp của bão Tây Bắc Thái Bình Dương Đặc biệt hơn là khu vực thành phố Đà Nẵng, nằm ở trong khu vực biển miền Trung Việt Nam, nơi thường xuyên bị ảnh hưởng bởi các cơn bão và trung bình khoảng 5 đến 7 cơn bão lớn trong một năm Do đó, việc đánh giá những tác động của tải trọng gió lên công trình nhà cao tầng nhằm hạn chế tối đa những rủi ro cũng như lựa chọn kết cấu hợp lý là yêu cầu cần thiết cho người thiết kế

Tải trọng gió tác động vào công trình bao gồm hai thành phần chính đó là thành phần tĩnh và thành phần động Thành phần tĩnh của gió được xem như là tải cố định có độ lớn phụ thuộc vào cường độ của gió và diện tích mặt đón gió Trong khi thành phần động của gió được xem như là đáp ứng động của công trình khi chịu tải tác động có chu kỳ Tầng cứng (rigid floor) trong nhà cao tầng đóng vai trò quan trọng trong hệ kết cấu và hoạt động của toàn bộ tòa nhà Tầng cứng được thiết kế để tăng tính cứng của hệ kết cấu Nó cung cấp một nền tảng chắc chắn và đồng nhất cho tòa nhà, giảm biến dạng và giữ cho cấu trúc ổn định trong điều kiện tải trọng Đặc biệt, tầng cứng chịu tải trọng ngang gây ra bởi gió, động đất và các lực tác động bên ngoài khác Nó cung cấp khả năng chịu lực ngang và chuyển tải nó đến các hệ vách, cột và móng để đảm bảo tòa nhà ổn định và an toàn Đồng thời, tầng cứng giúp kết nối và chuyền tải lực giữa các yếu tố kết cấu khác như hệ khung, hệ tường chống đổ đất và hệ dầm Đó cũng là những lý do mà học viên chọn đề tài “ Phân tích ứng xử nhà cao tầng có tầng cứng chịu tác động tải trọng gió khu vực thành phố Đà Nẵng ” trong luận văn này.

Mục đích và nhiệm vụ của luận văn

Khảo sát đánh giá sơ đồ bố trí hệ tầng cứng sao cho độ cứng công trình là lớn nhất, chịu tải gió tốt nhất và vật liệu là tiết kiệm nhất.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu luận văn có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên nghiên cứu sâu về kết cấu nhà cao tầng chuyên ngành xây dựng tại các trường Đại học, Cao Đẳng Cơ sở cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật trong việc thiết kế các công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép.

Bố cục của luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ CÁC KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH TRONG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH

Kết Luận Và Kiến Nghị

TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ CÁC KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH TRONG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Nhà cao tầng và sự phát triển tất yếu

Với tốc độ phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội là động lực làm thay đổi chất lượng hình ảnh không gian kiến trúc đô thị, do vậy tại một số nước phát triển và đang phát triển, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn… tăng lên đáng kể, mà quỹ đất xây dựng lại không tang lên nên sự thiếu hụt trầm trọng làm giá đất tăng lên Từ đó cho thấy: “Các công trình nhà cao tầng là biểu tượng của một đô thị văn minh và phát triển”, người ta xem đó như là chiến lược phát triển tất yếu và rất khoa học của xã hội Việc xây dựng nhiều công trình cao tầng và vươn lên chiều cao còn là khẳng định về trình độ khoa học, kỹ thuật, công nghệ trong lĩnh vực xây dựng nói riêng và trình độ khoa học nói chung của một quốc gia Chính vì điều đó việc các quốc gia đua nhau xây dựng các công trình cao tầng thể hiện sức mạnh kinh tế, trình độ khoa học kỹ thuật Cụ thể như những thành phố sở hữu những tòa nhà chọc trời trên thế giới như tháp Burj Dubai (Các tiểu vương quốc ả rập thống nhất); tháp Taipe tại Đài Bắc (Đài Loan); Trung tâm tài chính Thượng Hải (Trung Quốc); tháp đôi Petronas (Kuala Lumpur - Malaysia); Trung tâm tài chính quốc tế (IFC2) Hồng Kông Những tòa nhà này không chỉ giúp thúc đẩy kinh tế mà còn mang ý nghĩa thể hiện sự giàu có của quốc gia, tốc độ tăng trưởng cao, sự thịnh vượng và những chính trị gia xem tòa nhà cao tầng như biểu hiện cho quyền lực là những yếu tố đẩy cơn sốt cao ốc tiếp tục trong nhiều năm nữa, ngay cả những thành phố ít được biết đến trong vùng cũng có tham vọng cháy bỏng được sở hữu các kiến trúc thật độc đáo để thay đổi diện mạo của mình, sẵn sàng đưa ra nhiều ưu đãi để biến điều đó thành hiện thực.

Định nghĩa và phân loại

Hiện nay chưa thể phân loại chính xác, rõ ràng và được mọi người thừa nhận về những công trình được xếp vào loại nhà cao tầng Theo ủy ban quốc tế nhà cao tầng thì nhà cao tầng là nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng đến ý đồ và phương pháp thiết kế được gọi là nhà cao tầng Hoặc nói cách khác tổng quan hơn: một công trình được xem là nhà cao tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường

− Phân loại theo mục đích sử dụng:

+ Văn phòng cho thuê và các dịch vụ khác

− Phân loại theo hình dạng:

+ Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, vuông, đa giác đều cạnh,tam giác trong đó việc giao thông theo phương đứng tập trung vào một khu vực duy nhất

+ Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo phương thẳng đứng

− Phân loại theo chiều cao nhà:

+ Nhà cao tầng loại I : Có từ 09 đến 16 tầng (chiều cao không quá 50m)

+ Nhà cao tầng loại II : Có từ 17 đến 25 tầng (chiều cao không quá 75m)

+ Nhà cao tầng loại III : Có từ 26 đến 40 tầng (chiều cao không quá 100m) + Nhà cao tầng loại IV : Có từ 41 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng)

− Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:

+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép

+ Nhà cao tầng bằng thép

+ Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép

Trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà các nước có cách phân loại khác nhau Hiện nay Việt Nam ta đang có xu hướng phân loại theo Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế Xét về mặt kết cấu, một công trình được gọi là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định Tải trọng ngang này có thể ở dạng gió bão hoặc động đất Hiện này chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa Nhà cao tầng song có một ranh giới được đa số Kỹ sư kết cấu thừa nhận, đó là từ Nhà thấp tầng sang Nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi nhà chịu tải gió, động đất,… tức là vấn đề về dao động và ổn định nói chung.

Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng

1.3.1 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng

Hệ khung chịu lực được tạo từ các cấu kiện thanh như dầm, cột, liên kết cứng tại các nút tạo thành các khung hệ phẳng hoặc khung không gian, dọc theo hệ lưới trục trên mặt bằng nhà Tải tác dụng lên khung bao gồm tải trọng theo phương đứng và phương ngang Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm trong khung vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo và nén Chuyển vị khung gồm 2 thành phần là chuyển vị ngang do uốn tỷ lệ này khoảng 20% Chuyển vị ngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do cột biến dạng khoảng 15%; còn lại là dầm biến dạng khoảng 65%) Khung có độ cứng ngang bé, khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng khoảng 6-9m, chỉ thích hợp cho nhà không quá 30 tầng [11]

Các cấu kiện chịu lực thẳng đứng của nhà là một hệ tấm phẳng Theo cách bố trí tường có các sơ đồ sau: tường dọc chịu lực, tường ngang chịu lực, tường ngang và tường dọc cùng chịu lực

Tường chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng Tải trọng ngang được truyền đến các tấm tường chịu tải thông qua hệ các bản sàn Do đó các vách cứng làm việc như công xon có chiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu lực của các vách cứng phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của vách

Ngoài việc xây bằng gạch đá, hệ lưới thanh tạo thành các cột đặt gần nhau liên kết qua các dầm ngang, xiên cũng được xem là loại kết cấu này Hệ tường chịu lực thích hợp cho các loại nhà cần phân chia không gian bên trong (nhà ở, nhà làm việc, khách sạn, bệnh viện…), cho các công trình chiều cao dưới 40 tầng

Lõi chịu lực có dạng rỗng, tiết diện kín hoặc hở được thiết kế để chịu tải trọng đứng và ngang tác dụng lên nó Lõi chịu lực được xem là phần cốt lõi bên trong có khả năng chịu lực và giữ cho kết cấu ổn định Không gian bên trong của các ô giằng này thường để bố trí thang máy, thang bộ hoặc cho việc lắp đặt hệ thống kỹ thuật

Hệ hộp chịu lực còn được gọi là hệ hộp cầu chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang

Nó bao gồm các thành phần hình hộp hoặc hình hộp cầu được kết hợp để tạo ra một khung chịu lực mạnh mẽ và ổn định Các bản sàn được gối lên các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các kết cấu trung gian khác bên trong Hệ hộp với giải pháp lưới không gian có các thanh chéo thường dùng cho các nhà có chiều cao lớn (trên 40 tầng)

1.3.2 Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng

Về mặt cấu tạo kết cấu được cấu tạo từ sự kết hợp giữa 2 hay nhiều hệ đã nêu trên: khung-vách, khung-lõi, khung-hộp, khung –vách-lõi…

Hệ này thường được sử dụng cho những nhà có mặt bằng chữ nhật kéo dài, chịu lực chủ yếu theo phương ngang nhà Các vách cứng được bố trí chủ yếu dọc theo phương ngang nhà Kết cấu khung-vách thường được sử dụng phổ biến hơn cả vì hệ này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng

Trong hệ này, khung và lõi hoạt động cùng nhau để chịu lực và duy trì tính ổn định của kết cấu, khi tải trọng ngang tác dụng hầu như được truyền vào hệ lõi cứng còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó Đưa các hệ khung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của khung và hình thành nên hệ khối không gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu xoắn của công trình

1.3.2.3 Nhà có sơ đồ vách

Kết cấu chịu lực chính là các vách cứng (tường) Sàn chịu tải trọng đứng gối tường lên trên Ưu điểm các tấm tường vừa có tác dụng chịu lực vừa là kết cấu bao che; khả năng cơ giới hóa cao trong quá trình thi công Nhược điểm là bố trí mặt bằng không linh hoạt; khó tạo được không gian lớn

1.3.2.4 Nhà có sơ đồ kết hợp khung-vách

Sử dụng sơ đồ nhà kết hợp trong thiết kế có thể tạo ra không giản mở và linh hoạt Khung có thể làm từ thép, gỗ hoặc bê tông, trong khi vách có thể là kính, tường ngăn hoặc nguyên vật liệu khác

Kết hợp theo phương đứng: Hệ thống khung không gian lớn ở tầng dưới đỡ vách cứng bên trên, biện pháp này đáp ứng được yêu cầu không gian tương đối lớn ở các tầng dưới, đồng thời khả năng chịu tải trọng ngang cũng lớn

Kết hợp theo phương ngang: Bố trí mặt bằng gồm khung và các vách cứng, vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang Biện pháp này có thể thấy lợi thế của cái này bổ sung cho cái kia, công trình vừa có không gian theo yêu cầu vừa có khả năng chịu tải trọng cao

Tùy theo cách làm việc của hệ, có hai dạng nhà kết hợp theo phương ngang: Nhà có sơ đồ giằng là sơ đồ chịu lực của hệ hỗn hợp, khi đó toàn bộ tải trọng ngang và 1 phần tải trọng đứng do lõi vách chịu, khung chịu tải trọng đứng tương ứng với diện tích truyền tải đến Trong sơ đồ này tất cả các nút khung đều có cấu tạo khớp, hoặc các cột có độ cứng vô cùng bé và nhà có sơ đồ khung-giằng: là sơ đồ kết cấu hỗ hợp, khi đó khung chịu tải trọng đứng tương đương với diện tích chịu tải và một phần tải trọng ngang, một phần tải trọng ngang sẽ truyền vào cho lõi, vách chịu.

Các yêu cầu khi thiết kế nhà cao tầng

Khi thiết kế nhà cao tầng cần đảm bảo hình khối ngôi nhà phải đơn giản, đều đặn, đối xứng, và liên tục nhau

Khi thiết kế nhà cao tầng, có một số yêu cầu quan trọng cần xem xét:

- Xác định và tính toán chính xác tải trọng của tòa nhà để đảm bảo kết cấu có độ bền và an toàn đủ

- Thiết kế kết cấu sao cho có khả năng chống động đất, bao gồm việc sử dụng cột chống động đất, kết cấu chống động đất, và các giải pháp khác

- Đối mặt với tải trọng tuyết và gió theo quy định kỹ thuật để đảm bảo ổn định kết cấu

- Chọn vật liệu xây dựng chất lượng và kiểm soát quá trình xây dựng để đảm bảo độ an toàn và độ bền

- Đảm bảo kết cấu có khả năng chống cháy nổ, và cài đặt hệ thống chữa cháy hiệu quả

- Thiết kế hệ thống thoát nước hiệu quả và đảm bảo tuân thủ các yêu cầu môi trường

- Xem xét độ co giãn và giãn nở của kết cấu để đối mặt với biến động nhiệt độ và lực đối lực

- Xác định kiểu cấu trúc (ví dụ: khung, cột và dầm) phù hợp với thiết kế và yêu cầu của dự án

- Thực hiện kiểm tra chất lượng thường xuyên trong quá trình xây dựng để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn và quy định

- Thực hiện các kiểm tra cần thiết để đảm bảo tính chính xác và an toàn của kết cấu Đối mặt với những yêu cầu này đòi hỏi sự chuyên sâu trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và thiết kế kết cấu Hợp tác chặt chẽ với kỹ sư kết cấu và chuyên gia xây dựng là quan trọng để đảm bảo một kết cấu nhà cao tầng an toàn và hiệu quả

Vì mang đặc trưng của công trình có chiều cao lớn, nhà cao tầng chịu tác động mạnh mẽ bởi tải trọng ngang tác dụng lên nhà cao tầng (Tải trọng gió tĩnh + động, tải trọng động đất) Là yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng, nó quyết định nội lực và chuyển vị của công trình Nếu chuyển vị ngang trong công trình lớn sẽ làm tăng giá trị các nội lực do độ lệch tâm tăng theo, có thể làm hư các bộ phận phi kết cấu (tường), làm tăng dao động ngôi nhà, làm cho con người cảm giác khó chịu và hoảng sợ, có thể làm mất ổn định tổng thể nhà Chuyển vị ngang nhà không vượt qua giới hạn cho phép Kết cấu nhà cao tầng phải có khả năng kháng chấn cao (Chống động đất): Tải trọng động đất là yếu tố chính trong thiết kế kết cấu: Không hư hại khi động đất nhẹ, hư hại các bộ phận không quan trọng khi động đất vừa, có thể hư hại nhưng không sụp đổ khi động đất mạnh

Kết cấu chịu lực phương đứng và phương ngang phải chọn và bố trí sao cho hợp lý (Khung, vách, lõi cứng …) Cần có độ dẻo cao (Kết cấu xuất hiện biến dạng dẻo) và có khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng khi động đất xảy ra, kết cấu có thể duy trì sức chịu tải mà không bị sụp đổ

Giảm trọng lượng bản thân có ý nghĩa quan trọng hơn đối với nhà thấp tầng Giảm tải trọng truyền xuống móng, giảm lực động đất, giảm giá thành đồng thời tăng độ an toàn và thời gian sử dụng

Có khả năng chịu lửa cao, thoát hiểm an toàn Có độ bền, tuổi thọ cao Móng phải phù hợp

1.4.1 Hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng

Về sơ đồ làm việc và cấu tạo, phân làm các loại sau: Hệ kết cấu cơ bản, hệ kết cấu hỗn hợp và hệ kết cấu đặc biệt

Trong nhà cao tầng, hệ kết cấu chịu lực được thiết kế để chịu đựng và truyền tải tải trọng của toàn bộ tòa nhà từ các tầng trên xuống tầng dưới và đến nền đất Các hệ kết cấu chịu lực phổ biến bao gồm:

- Khung Chống Động Đất: Sử dụng khung chống động đất, thường là khung thép cường độ cao, để giảm thiểu tác động của động đất lên tòa nhà

- Cột và Dầm: Hệ thống cột và dầm cung cấp cấu trúc chính để chịu tải trọng từ trên xuống và phân phối chúng đều đặn ra toàn bộ tòa nhà

- Nền Đất và Đài Nền: Tính toán và xây dựng nền đất vững chắc để chịu lực từ cả tòa nhà và giữ cho tòa nhà ổn định

-Vật liệu Cường độ Cao: Sử dụng vật liệu như bê tông cường độ cao hoặc thép chịu lực để đảm bảo kết cấu mạnh mẽ và ổn định

- Hệ Thống Góc Cao Su và Bạc Đạn: Sử dụng các phụ kiện như hệ thống góc cao su và bạc đạn để giảm thiểu dao động và chấn động

- Vật Liệu Siêu Nhẹ: Cân nhắc sử dụng vật liệu nhẹ như thép cường độ cao để giảm trọng lượng tổng của tòa nhà

Một hệ kết cấu chịu lực hiệu quả đảm bảo sự an toàn và ổn định của tòa nhà, đặc biệt là trong các điều kiện môi trường đặc biệt như động đất hay gió mạnh Thiết kế này thường đòi hỏi sự hợp tác giữa kiến trúc sư và kỹ sư kết cấu để đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu suất của tòa nhà

Hệ kết cấu cơ bản gồm: Kết cấu khung, kết cấu tường (vách) chịu lực, kết cấu lõi và kết cấu ống

Hệ kết cấu hỗn hợp là có sự kết hợp các dạng kết cấu cơ bản lại để cùng chịu tải, bao gồm: kết cấu khung – giằng, kết cấu khung – vách, kết cấu ống – lõi, kết cấu ống tổ hợp

Hệ kết cấu đặc biệt gồm: Kết cấu có dầm truyền, kết cấu có các tầng cứng, kết cấu có giằng liên tầng, kết cấu có hệ khung ghép v.v…

(Nguồn:Lê Thanh Huấn (2007), Kết cấu Nhà cao tầng BTCT) Hình 1.1 Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng

Dựa vào tính chất chịu lực và cách cấu tạo của các hệ kết cấu khung nhà cao tầng, người ta phân biệt theo hai hệ chủ yếu: Hệ kết cấu khung cứng và hệ khung giằng

1.4.2 Hệ kết cấu khung cứng

Hệ kết cấu khung cứng gồm cột và dầm được liên kết cứng với nhau tạo thành khung phẳng hoặc khung không gian: nó tiếp thu tải trọng ngang và tải trọng đứng tác động vào nhà

Hệ khung chịu lực thuần tuý là hệ mà theo phương ngang có độ uốn thấp nên bị hạn chế sử dụng trong nhà có chiều cao từ 40m trở lên Nhà cao tầng luôn có những bộ phận như hộp thang máy, thang bộ, tường ngăn hoặc bao che liên tục trên chiều cao nhà có thể sử dụng như lõi, vách cứng nên hệ kết cấu khung chịu lực thần túy trên thực tế không tồn tại

(Nguồn: Giáo trình kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép,

Hình 1.2 Sơ đồ hệ khung

Khi có tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo, nén Chuyển vị của khung gồm 2 thành phần chuyển vị ngang do uốn khung như chuyển vị ngang của thanh console thẳng đứng, tỷ lệ này khoảng 20% Chuyển vị ngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do dầm biến dạng khoảng

65%; do cột biến dạng khoảng 15%)

Khung có độ cứng ngang bé, khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng khoảng 6-9 m, chỉ nên áp dụng cho nhà dưới 30 tầng Về tổng thể, biến dạng ngang của khung cứng thuộc loại biến dạng cắt Để tăng độ cứng ngang của khung, có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một số nhịp trên suốt chiều cao của nó, phần kết cấu dạng dàn được tạo thành sẽ làm việc như một vách cứng thẳng đứng Nếu thiết kế thêm các dàn ngang (Tầng cứng-OUTRIGGER) ở tầng trên cùng hoặc ở một số tầng trung gian liên kết khung còn lại với dàn đứng thì hiệu quả tăng độ cứng sẽ tăng lên và làm giảm thiểu chuyển vị ngang Dưới tác động của tải trọng ngang, kết cấu dàn ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực dọc giữa các cột khung, cản trở chuyển vị xoay của cả hệ và giảm mômen uốn ở dưới khung

(Nguồn: Giáo trình kết cấu nhà cao tầng, Phạm Phú Anh Huy, 2010) Hình 1.3 Sơ đồ chịu lực hệ kết cấu khung

Nhận xét chương

Như vậy có rất nhiều cách lựa chọn hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng bê tông cốt thép Việc lựa chọn hệ kết cấu như thế nào cho phù hợp tùy thuộc vào năng lực người thiết kế Trong nghiên cứu này chỉ tập trung quan tâm đến hệ kết cấu có tầng cứng chịu tải trọng ngang.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ KẾT CẤU CÓ TẦNG CỨNG

Giới thiệu về hệ outrigger trong nhà cao tầng bê tông cốt thép

Hệ thống Outrigger được sử dụng rộng rãi để cung cấp khả năng chịu tải bên hữu hiệu trong các công trình hiện đại có độ mảnh cao Outrigger là những cấu trúc nằm ngang cứng nhắc kết nối lõi hoặc cột sống của một tòa nhà với các cột ở xa Chúng cải thiện độ cứng chống lật bằng cách phát triển một cặp lực căng trong các cột chu vi khi lõi trung tâm cố gắng nghiêng, tạo ra điểm phục hồi trên lõi ở mức outrigger Hoạt động của hệ thống Outrigger về nguyên tắc là đơn giản, nhưng việc phân tích, thiết kế, chi tiết hóa và xây dựng một hệ thống lõi và hệ thống bên ngoài hoàn chỉnh là rất phức tạp trong thực tế: không xác định được, sự phân bố lực giữa lõi và hệ thống bên ngoài phụ thuộc vào độ cứng tương đối của các phần tử , sự biến dạng giữa các yếu tố và các yếu tố khác Nhóm công tác của Hội đồng về nhà cao tầng và môi trường sống đô thị đã phát triển một hướng dẫn thiết kế trình bày lịch sử bên ngoài, các cân nhắc thiết kế, các khuyến nghị và các ví dụ tạm thời và các khuyến nghị

2.1.1 Lợi ích của hệ outrigger

Một lợi ích quan trọng của hệ outrigger là giảm gia tốc tòa nhà ở các tầng trên bằng cách giảm chuyển vị thông qua giảm mô men lật Đối với các hệ thống có giàn đai giằng với tất cả các cột theo chu vi, các cột đã có kích thước cho tải trọng bản thân vẫn có thể có khả năng chống lại lực do hệ outrigger truyền đến Đồng thời, giảm lật ngược lõi làm giảm lực cắt và uốn trong nền móng bên dưới lõi Lực lật được trải rộng trên toàn bộ chiều rộng chân tháp Hệ outrigger và hệ dàn giằng đai biên có thể giúp giảm sự co ngắn chênh lệch theo chiều dọc giữa các cột hoặc giữa cột và lõi Hệ thanh giằng vành đai cũng có thể làm cho các cột chu vi hoạt động như các sợi của ống chu vi, tuy rằng nó ít cứng hơn so với hệ kết cấu có khung liên tục nhưng đóng góp vào độ cứng chống xoắn là đáng kể Khi xem xét sự mất đột ngột của thành viên cục bộ hoặc khả năng kết nối, các hệ thống outrigger có thể cung cấp các đường dẫn tải thay thế để hỗ trợ khả năng chống sập không tương xứng (có lợi) Các tòa nhà siêu cao với hệ outrigger có thể có một vài cột lớn bên ngoài trên mỗi mặt, điều này mở ra hệ thống mặt tiền để thể hiện thẩm mỹ và kiến trúc linh hoạt so với hệ thống hình ống khép kín

2.1.2 Tầm quan trọng và những thách thức khi thiết kế hệ outrigger

Việc kết hợp hệ thống outrigger trong thiết kế một tòa nhà cao tầng đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật và phối hợp với các thành viên khác của nhóm thiết kế bị ảnh hưởng bởi các yêu cầu về khung của nó Hệ thống Outrigger bao gồm các phần tử nằm trong mặt phẳng thẳng đứng (tường, đường chéo giàn) có thể gây cản trở không gian ở hoặc cho thuê Bố trí outrigger trên các tầng kỹ thuật vận hành tòa nhà đòi hỏi sự phối hợp cẩn thận với bố cục phòng máy, yêu cầu tiếp cận và tuyến đường dịch vụ để tránh xung đột tiềm ẩn

Các sàn cứng tương tác với hệ thống outrigger Trong một hệ thống outrigger trực tiếp hoặc thông thường, các mô hình có đặc tính màng ngăn không chính xác hoặc không thực tế sẽ báo cáo các giá trị lực không chính xác trong các hợp âm outrigger hỗ trợ các tấm, cũng như các biến dạng của tòa nhà không chính xác Mô hình hóa độ cứng đường kính đặc biệt quan trọng đối với hệ thống giàn đai / giàn ngoài ‘ảo’ gián tiếp, vì các màng ngăn là yếu tố quan trọng trong các đường dẫn tải làm cho hệ thống hoạt động

Các thiết kế hệ thống outrigger thông thường hoặc được đóng khung trực tiếp phải giải quyết được khả năng phân bố lại tải giữa các cột và lõi do các biến dạng trục vi sai Không giống như các hệ thống hoàn toàn bằng thép, các tòa nhà bê tông trải qua các biến dạng thẳng đứng lâu dài do biến dạng co ngót và rão tích lũy ngoài hiện tượng rút ngắn đàn hồi Độ lớn và thời gian của các biến dạng đó sẽ khác nhau giữa các cấu kiện như ứng suất, hỗn hợp bê tông, tỷ lệ thể tích trên bề mặt và tỷ lệ cốt thép khác nhau Điều này làm cho việc dự đoán các chuyển động vi sai trở thành một thách thức liên quan đến thời gian và trình tự Sự chuyển đổi lực cũng có thể xảy ra thông qua các đường truyền thông thường hoặc trực tiếp khi cột và lõi trải qua các điều kiện nhiệt độ chênh lệch, như từ chu vi cột tiếp xúc với thời tiết

Các hệ outrigger nằm ở một vài điểm dọc theo chiều cao của tòa nhà có xu hướng tạo ra các lực lớn để giúp chống lại các mômen lật ngược lõi Thách thức gia tăng đối với các hệ thống hỗn hợp như giàn thép ngoài trời giữa các cột bê tông lớn và tường lõi bê tông, và tại các hệ thống hỗn hợp với các thành phần thép được nhúng bên trong hoặc bao quanh bê tông

Nhiều thành viên đặc biệt và các kết nối nặng nề của các hệ outrigger và giàn đai và những thay đổi từ khung sàn điển hình ở các mức ngoài có thể làm chậm đáng kể quá trình lắp dựng Việc trì hoãn các kết nối outrigger để cho phép rút ngắn vi sai ban đầu sẽ làm giảm lực truyền tải trọng lực, nhưng đối với một số dự án, các outrigger phải hoạt động đối với gió lớn tiềm ẩn trong thời gian xây dựng, cũng như để kiểm soát độ lệch đối với hoạt động một phần của các tòa nhà vẫn đang xây dựng, một tập quán phổ biến ở một số nơi trên thế giới

Tiêu chuẩn ASCE7-05 được tham chiếu trong các quy tắc xây dựng kiểu mẫu như một tiêu chuẩn quốc tế bao gồm 82 hệ thống và tổ hợp kết cấu địa chấn nhưng không có nhắc đến hệ outrigger Sự thiếu sót này không có gì đáng ngạc nhiên vì không có phương pháp thiết kế tiêu chuẩn duy nhất nào phù hợp cho tất cả các tình huống outrigger Các hệ outrigger và giàn giằng đai là các phần tử cứng và mạnh tại các vị trí rời rạc trong một cấu trúc Điều này có thể không phù hợp với các phương pháp thiết kế địa chấn dựa trên độ cứng và độ bền phân bố Các tác nhân mạnh cũng có thể áp dụng các lực đủ lớn để tải các phần tử khác đến điểm hư hỏng và ứng xử không dẻo

Các điều khoản về địa chấn của các tầng mềm trong các mã xây dựng mô hình thường xem xét sự thay đổi về độ cứng từ tầng một đến tầng trên cùng Trong một hệ thống outrigger, các tầng cứng thể hiện độ lệch tầng nhỏ hơn từ lực cắt ngược trong lõi

Do đó, những tầng bên ngoài có thể được coi là ‘câu chuyện khó hiểu’ vốn có và những câu chuyện ngay bên dưới một bên ngoài luôn là ‘tầng nhẹ nhàng’ Trong hệ thống lõi và cột ngoài, việc cung cấp chùm tia yếu cho cột mạnh dường như không cần thiết hoặc thích hợp ở các cột chu vi vì các bức tường lõi trung tâm hoặc các vịnh có giằng lõi đã cung cấp một cột sống vững chắc Triết lý chùm tia yếu của cột mạnh có thể được áp dụng riêng cho sự tương tác của các tác nhân bên ngoài và cốt lõi thông qua thiết kế dựa trên công suất hạn chế lực tác động bên ngoài hoặc thiết kế dựa trên hiệu suất đánh giá các lực từ kích thích địa chấn thực tế

2.1.3 Sự bất lợi của hệ thống outrigger

Các hệ thống kết cấu được điều chỉnh bởi các biến dạng cắt tầng, chẳng hạn như khung moment, sẽ không đủ lợi ích từ những hệ outrigger để biện minh cho chi phí của chúng Hệ thống Outrigger tương tác với các lõi dựa trên độ cứng tương đối Nếu một lõi đã tương đối cứng hoặc tỷ lệ khung hình (chiều cao tòa nhà / chiều rộng lõi) thấp, thì việc cố gắng cung cấp thêm độ cứng thông qua các hệ outrigger có thể là không thực tế hoặc không hiệu quả

Một hệ thống không đối xứng có thể có các cặp lực vượt trội liên quan đến các lực dọc trục trong lõi, làm phức tạp việc phân tích và thiết kế lõi Việc truyền lực bản thân trong một hệ thống không đối xứng có thể dẫn đến moment lật cho tòa nhà, dẫn đến các vị trí bên dưới tác dụng của trọng lực Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là không thể sử dụng các hệ thống không đối xứng

Nếu việc kiểm soát lực xoắn và biến dạng có tầm quan trọng hàng đầu, thì hệ thống ống (khung) hoặc giàn đai sẽ hiệu quả hơn hệ thống outrigger và hệ đai biên

Các giới hạn về kích thước cột outrigger có thể làm cho hệ thống outrigger không hiệu quả, đặc biệt nếu các outrigger bị giới hạn ở các vị trí cao trong một tòa nhà vì kích thước cột lớn hơn sẽ cần thiết để tăng độ cứng để bù đắp hiệu ứng làm mềm của khoảng cách dài đến outrigger

2.1.4 Nguyên lý làm việc của hệ một tầng cứng và hai tầng cứng (outrigger)

Tầng cứng trong nhà cao tầng thông thường được thiết kế như một hệ dầm ngang, rất cứng (thường gọi là dầm cứng) hay tầng cứng kết nối lõi với các tường và cột ở phía ngoài Theo đó, lõi thường được bố trí ở giữa các cột và dầm cứng phát triển ra các hướng để liên kết lõi và cột

(Nguồn: Tầng cứng trong nhà cao tầng, Nguyễn Hồng Hải, 2015) Hình 2.1 Hệ kết cấu được bố trí tầng cứng

Xác định tải trọng gió theo một số tiêu chuẩn

Do đó moment ngàm tác dụng vào lõi bởi các tầng cứng ở mức 1 và mức 2 là:

Và moment trong lõi là:

Chuyển vị ngang của cấu trúc có thể được xác định từ biểu đồ moment uốn bằng cách sử dụng phương pháp nhân biểu đồ, kết quả nhận được như sau:

2.2 Xác định tải trọng gió theo một số tiêu chuẩn

2.2.1 Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ ASCE/SEI 7-16

2.2.1.1 Áp lực gió đơn vị

ASCE 7-16 dựa trên phân tích động lượng của trường gió đưa ra công thức xác định áp lực gió đơn vị q [16]:

- Kz là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao cũng như theo mức độ luồng gió tiếp xúc với địa hình Để xác định hệ số này, ASCE 7-16 chia các dạng địa hình xây dựng ra làm 3 loại B, C, D (Bảng 2.2) Có thể tra hệ số Kz theo mục 26.10.1 phụ thuộc vào chiều cao z và dạng địa hình

- Kzt là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió khi gió vượt lên hoặc va đập vào các dạng địa hình khác nhau, ví dụ như sườn đồi, chóp núi hay vách dốc đứng Kzt được tính toán cụ thể trong mục 26.8.2 Trong điều kiện địa hình thông thường, Kzt =1

- Kd là hệ số kể đến tác động của luồng gió theo hướng chính lên công trình Kd được trình bày cụ thể trong bảng 26.6 Khi tính toán hệ khung chịu lực chính, Kd = 0.85

- Ke là hệ số độ cao mặt đất, lấy theo mục 26.9

- V là vận tốc gió (m/s) trong điều kiện tiêu chuẩn luồng gió thổi trong thời gian 3s tại cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên, xét ở dạng địa hình C (tương đương dạng địa hình B theo TCVN) Giá trị V được trình bày trong bảng 26.5 trong tiêu chuẩn

2.2.1.1 Áp lực gió thiết kế Áp lực gió tính cho hệ kết cấu chịu lực chính của công trình được xác định theo công thức:

- q = qz - áp lực lên mặt đón gió tính tại độ cao z so với mặt đất; q = qh – áp lực lên mặt khuất gió tính tại độ cao h

- qi = qh - áp lực gió bên trong

- Cp - hệ số áp lực bên ngoài, lấy theo hình 27.3-1, 27.3-2 và 27.3-3

- (GCpi) - Hệ số áp lực bên trong phụ thuộc chủ yếu vào mức độ kín hở của công trình ASCE đã chia các công trình xây dựng ra làm 3 loại: nhà kín, nhà kín một phần và nhà hở thông qua tỷ số giữa diện tích các ô mở với diện tích của toàn bộ các bề mặt bao che, lấy theo bảng 26.13.1

- G là hệ số gió giật, xác định như sau:

+ Với nhà cứng và các kết cấu khác (f1 ≥ 1(Hz)):

+ Với nhà mềm và các kết cấu khác (f1 < 1(Hz)):

- f1 - tần số dao động thứ nhất của kết cấu

- Iz, gQ, Q, gR, R, gv – được tính như trong mục 26.9.4 và 26.9.5 [16]

2.2.2 Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005)

2.2.2.1 Vận tốc gió cở sở V b

Giá trị vận tốc gió cơ sở trong tiêu chuẩn Châu Âu EN được xác định thông qua giá trị vận tốc độ gió tiêu chuẩn tham chiếu Vb,0, là giá trị vận tốc gió đo được trung bình trong 10 phút không phân biệt hướng gió và thời gian của năm với xác suất vượt một lần trong 50 năm ở độ cao 10m kể từ mặt đất ở khu vực có dạng địa hình II tương ứng với địa hình B của TCVN (EN chia ra 5 dạng địa hình từ 0 đến IV) Giá trị vận tốc gió cơ sở được xác định theo công thức :

- Vb là giá trị vận tốc gió cơ sở được định nghĩa là đại lượng phụ thuộc vào hướng gió và thời điểm trong năm

- Cdir là hệ số kể đến ảnh hưởng của hướng, có thể tìm thấy trong các phụ lục quốc gia, trong trường hợp không có lấy giá trị bằng 1

- Cseason là hệ số kể đến yếu tố theo mùa, có thể tìm thấy trong các phụ lục quốc gia, trong trường hợp không có lấy giá trị bằng 1

Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao

Vận tốc gió hiệu dụng Vm(z) ở độ cao z trên một địa hình phụ thuộc vào độ nhám (gồ ghề) địa hình và vận tốc gió cơ bản (Vb) được xác định theo:

- Cr(z) là hệ số thay đổi vận tốc gió theo độ cao và dạng địa hình:

- z0 là chiều dài nhám, lấy theo Bảng 4.1

- kr là hệ tố địa hình phụ thuộc vào chiều dài nhám z0

- z0, z0,II là chiều dài nhám, lấy theo Bảng 4.1 [29]

- zmin là chiều cao tối thiểu lấy theo Bảng 4.1 [29]

- C0(z) - hệ số orography (kể đến địa hình đồi núi, vách đá,…) lấy bằng 1, ngoại trừ trường hợp có các ghi chú khác

2.2.2.2 Áp lực gió theo độ cao q p (z) Được xác định theo công thức sau:

- ρ là tỷ trọng khí quyển, ρ= 1.25 kg/m3;

- qb là giá trị áp lực gió tiêu chuẩn được xác định theo công thức:

- Iv(z) là cường độ rối

- σv là độ lệch chuẩn của gió rối, cho bởi: σv= kr ã Vb ã kI

- kI là hệ số rối, lấy bằng 1.0

- Ce(z) - hệ số mở rộng, có thể xác định theo:

2.3.2.3 Áp lực gió lên bề mặt công trình Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên ngoài công trình We, được xác định theo e p ( ) e pe

W = q z C (2.27) Trong đó: qp(ze) - là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên ngoài;

Cpe - hệ số áp lực gió cho các mặt bên ngoài, chỉ dẫn trong chương 7; ze - chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài, phụ thuộc vào hình dạng và kích thước công trình Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên trong công trình Wi, được xác định theo biểu thức e p ( ) i pi

W = q z C (2.28) Trong đó: qp(zi) là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên trong

Cpi là hệ số áp lực gió cho các mặt bên trong, chỉ dẫn trong chương 7

Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu được xác định theo công thức: w s d f p ( ) e ref

F =    C C C q z  A (2.29) Hoặc tổng hợp các lực từ các phần tử kết cấu theo công thức [29]: w s d f p ( ) e ref

- CsCd là hệ số kể đến tác dụng động (kể đến tương quan không gian (Cs) và ảnh hưởng của rung động kết cấu do gió (Cd)), có thể xác định nhanh giá trị CsCd theo mục 6.2 [2] hoặc tra đồ thị phụ lục D

- Cf là hệ số áp lực cho toàn bộ kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu, giá trị cho các dạng công trình xem chương 7,8

- Aref là diện tích tham chiếu của kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu

* Tải trọng gió Fw, tác động lên kết cấu hoặc bộ phận của kết cấu còn có thể được xác định bằng cách tổng hợp các lực thành phần Fw,e, Fw,i và Ffr tính từ áp lực bên ngoài, bên trong và các lực ma sát do ma sát của dòng gió thổi song song với các bề mặt bên ngoài:

+ Lực ma sát: F fr = C q z A fr p ( ) e fr (2.33) Trong đó:

We - áp lực bên ngoài lên bề mặt kết cấu ở độ cao ze

Wi - áp lực bên trong lên bề mặt kết cấu ở độ cao zi

Cfr - hệ số ma sát, quy định trong mục 7.5

Afr - diện tích bề mặt ngoài song song với hướng gió

2.2.3 Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995

Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2737:1995 được biên soạn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn Nga SNiP 2.01.07-85 Trong quá trình biên soạn, một số nội dung trong tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 đã được hiệu chỉnh khác với SNiP 2.01.07-85* Một trong những thay đổi đó là chuyển vận tốc gió cơ sở V0, từ lấy trung bình trong 10 phút, chu kỳ lặp 5 năm trong tiêu chuẩn SNiP 2.01.07-85* thành lấy trung bình trong 3 giây, chu kỳ lặp 20 năm Việc giảm thời gian lấy trung bình vận tốc gió và tăng chu kỳ lặp làm cho vận tốc gió tăng lên đáng kể so với tiêu chuẩn Nga Để thay đổi được những nội dung như đã nêu ở trên thì trong tiêu chuẩn TCVN đã sử dụng một số quy định liên quan đến tính toán tải trọng gió trong tiêu chuẩn tải trọng và tác động của Úc AS 1170.2-2011 Tiêu chuẩn TCVN phân chia địa hình thành 03 dạng ký hiệu là A, B và C (Bảng 2.2) Dạng địa hình chuẩn được quy ước là dạng địa hình B

Theo đặc trưng động lực học và sự nhạy cảm của tác động gió đối với công trình, tải trọng gió gồm thành phần tĩnh (Wj) và thành phần động (Wpj)

Thành phần động của tải trọng gió không bắt buộc phải tính đến khi xác định áp lực mặt trong cũng như khi tính toán nhà nhiều tầng cao dưới 40 m và nhà công nghiệp một tầng cao dưới 36 m với tỉ số độ cao trên nhịp nhỏ hơn 1.5, xây dựng ở các địa hình dạng

Giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió tĩnh tác dụng vào điểm j (cao độ z) được xác định theo công thức:

- W 0 : áp lực gió tiêu chuẩn lấy theo phân vùng áp lực gió

- k, c: lần lượt là hệ số độ cao và hệ số khí động

Giá trị tính toán của áp lực gió tĩnh tác dụng vào điểm j (cao độ z) được xác định theo công thức:

Trong đó: 𝛾,  lần lượt là hệ số độ tin cậy và hệ số điều chỉnh theo thời gian sử dụng công trình

2.2.3.2 Thành phần gió động Đối với công trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động cơ bản f 1 (H ) z  f L (H ) z (trong đó f L phụ thuộc vào vùng áp lực gió và vật liệu, xem bảng 2 của TCXD 229:1999), thành phần áp lực gió động được xác định theo: Áp lực tiêu chuẩn:

- W j tc : được tính theo công thức (2.34)

-  j : hệ số áp lực động, phụ thuộc vào dạng địa hình và độ cao z j

- : hệ số tương quan không gian, tra bảng với  = B và  = H Áp lực tính toán:

Phương pháp tính thành phần động của tải trọng gió với sự hỗ trợ của phần mềm Etabs

- y ji : chuyển vị tỷ đối tại cao độ tương ứng với tầng j trong dạng dao động thứ nhất Ở đây tính với dạng dao động thứ nhất, nên i lấy bằng 1

- W pj : được xác định theo công thức (2.23)

Khi nhà có độ cứng, khối lượng và bề mặt rộng đón gió không đổi theo chiều cao, có f 1 < f L , giá trị tiêu chuẩn áp lực thành phần gió động ở độ cao z có thể được xác định theo công thức gần đúng tc 1.4 tc p pH

W pH : giá trị tiêu chuẩn áp lực thành phần gió động ở đỉnh công trình, xác định theo (2.25)

Từ (2.46) và (2.48), tổng áp lực gió tác dụng vào công trình (f 1 > f L ) là:

(1 ) tc tc tc tc j pj j j

Như vậy, có thể xem hệ số G = + 1   j (2.42) là hệ số gió giật theo định nghĩa của Davenport

Với công trình nhà cao tầng có số tầng lớn với f 1  f L , cần phân tích động học công trình và tính toán thành phần gió động theo công thức (2.50) Tuy nhiên quy trình này là khá phức tạp, dễ dẫn đến các sai sót

2.3 Phương pháp tính thành phần động của tải trọng gió với sự hỗ trợ của phần mềm Etabs

Phần mềm ETABS là gói phần mềm tích hợp tối ưu cho việc phân tích kết cấu và thiết kế nhà cao tầng Hơn 40 năm nghiên cứu và phát triển liên tục, ETABS mới nhất cung cấp các đối tượng 3D dựa trên nhưng công cụ mô hình trực quan, sức mạnh phân tích tuyến tính và phi tuyến với tốc độ cực nhanh, khả năng thiết kế phức tạp và toàn diện cho nhiều loại vật liệu, và hiển thị đồ họa, các báo cáo, và bản vẽ sơ đồ chi tiết và sâu sắc, cho phép người dùng nhanh chóng và dễ dàng giải mã và hiểu rõ kết quả phân tích và thiết kế

Từ khi bắt đầu quan niệm thiết kế thông qua việc trình bày bằng các bản vẽ sơ đồ, bản quyền ETABS tích hợp mọi khía cạnh của quá trình thiết kế kỹ thuật Tạo ra các mô hình chưa bao giờ dễ dàng hơn Lệnh vẽ trực quan cho phép sinh ra sàn và khung tầng nhanh chóng Bản vẽ CAD có thể được chuyển trực tiếp vào các mô hình ETABS hoặc sử dụng như các bản mẫu trên đó các đối tượng ETABS có thể được phủ lên SAPFire 64-bit hiện đại nhất cho phép giải quyết những mô hình rất lớn và phức tạp để phân tích nhanh chóng, và hỗ trợ những kỹ thuật mô hình phi tuyến như trình tự xây dựng và sự ảnh hưởng theo thời gian (như biến dạng từ biến và co ngót theo thời gian)

Thiết kế khung thép và bê tông cốt thép (với tối ưu hóa tự động), dầm composite, cột composite, dầm mái thép, vách cứng bê tông và xây tường được bao gồm, như kiểm tra khả năng chịu lực cho các kết nối bằng thép và tấm Mô hình có thể được trả lại thực tế, và tất cả các kết quả có thể được hiển thị trực tiếp trên kết cấu Báo cáo toàn diện và tùy biến có sẵn cho tất cả các kết quả của phân tích và thiết kế, những bản vẽ sơ đồ phác họa sơ đồ khung, lịch trình, chi tiết, và mặt cắt có thể được tạo ra cho kết cấu bê tông và thép

2.3.2 Quy trình tính toán thành phần động của tải trọng gió trong Etabs

Bước 1: Khai báo Mass Source (Khối lượng tâm cứng)

Chu kỳ dao động của công trình phụ thuộc vào độ cứng của hệ kết cấu và khối lượng tham gia trong quá trình dao động Do hoạt tải cũng có thành phần dài hạn (thiết bị cố định, vật chứa…) nên cũng được xét vào khối lượng tham gia dao động Việc quy định khối lượng tham gia dao động bằng: 1.0*Tĩnh tải + 0.5*Hoạt tải là tuân theo mục 3.2.4 của tiêu chuẩn TCXDVN 229:1999 đã được đơn giản hóa với hệ số 0.5 trong thực tế thiết kế Hình 2.4 và 2.5 mô tả chi tiết bước khai bao các thông số để tính toán khối lượng tâm cứng Để thấy được sự ảnh hưởng của khối lượng đến thành phần động tải trọng gió thì thông số Hoạt tải có thể thay đổi

(Nguồn: Phần mềm Etabs) Hình 2.4 Định nghĩa khối lượng tham gia vào dao động của công trình

(Nguồn: Phần mềm Etabs) Hình 2.5 Khai báo các thông số khi tính toán khối lượng

Bước 2: Khai báo Diaphragms (tâm cứng)

Hình 2.6, 2.7, 2.8 mô tả cách gán tâm cứng cho sàn Bước này nhằm mục đích quy đổi khối lượng của tầng về tại tâm cứng của sàn

(Nguồn: Phần mềm Etabs) Hình 2.6 Trước khi gán tâm cứng

(Nguồn: Phần mềm Etabs) Hình 2.7 Cách gán tâm cứng

(Nguồn: Phần mềm Etabs) Hình 2.8 Sau khi gán tâm cứng

Bước 3: Phân tích dao động và xuất kết quả để tính toán thành phần động

Bước này nhằm mục đích tính toán chu kỳ và tầng số dao động của công trình cũng như những thông số liên quan Các thông số cần thiết được thể hiện trong Hình 2.13

Bước 4: Lập công thức tính toán trên phần mềm excel

Với các số liệu được lấy ra ừ Etabs, thành phần động được tính ra với sự hỗ trợ của phần mềm Excel

Bước 5: Khai báo tải trọng gió

Sau khi tính toán được thành phần động của tải trọng gió, chúng ta sẽ gắn giá trị ấy vào Etabs để tính nội lực Hinh 2.10 và 2.11 thể hiện cách gán giá trị thành phần động vào Etabs

(Nguồn: Phần mềm Etabs) Hình 2.9 Các thông số cần thiết để tính thành phần động của tải trọng gió

(Nguồn: Phần mềm Etabs) Hình 2.10 Định nghĩa tải trọng gió

Hình 2.11 Gán tải trọng gió tại tâm cứng theo phương x

Kết luận chương

Chương hai đã sơ lượt về những thuận lợi cũng như bất cập của hệ outrigger trong kết cấu nhà cao tầng Về mặt chịu lực là hiệu quả nhưng về mặt công năng thì hầu như cần rất nhiều năng lực để xử lý Hệ kết cấu nhà cao tầng với bố trí tầng cứng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính an toàn, ổn định và chịu tải trọng ngang của toàn bộ tòa nhà Tải trọng ngang là tải trọng gió cũng được giới thiệu và cách tính tải trọng gió với sự hỗ trợ của phần mềm etab cũng được giới thiệu.

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VỚI HỆ TẦNG CỨNG CHỊU TẢI GIÓ

Giới thiệu công trình

Xét công trình cao 13 tầng có mặt bằng như Hình 3.1 và các thông số của công trình được cho như Bảng 3.1 Công trình được giả định đặt tại Thành phố Đà Nẵng có dạng địa hình B với áp lực gió tiêu chuẩn là w o = 95daN/m 2 Tải trọng tính toán được gán như Bảng 3.2 Các loại tải trọng bao gồm tĩnh tải tiêu chuẩn (DEAD LOAD) của trọng lượng bản thân kết cấu, tĩnh tải tiêu chuẩn do cấu tạo sàn (SUPER DEAD LOAD), hoạt tả i tiêu chuẩn toàn phần (LIVE LOAD), Các tổ hợp trường hợp theo TCVN 5574-2012 (xét trường hợp tổ hợp tĩnh tải + tải trọng ngang) Mô hình 3D được thể hiện như trong hình 3.2

Bảng 3.1 Kích thước công trình

(Nguồn: tác giả tự thực hiện bằng Word 2016)

Bảng 3.2 Tải trọng tính toán

Tải trọng Tĩnh tải (DEAD

Tĩnh tải (SUPER DEAD LOAD)

Hoạt tải (LIVE LOAD) Giá trị tải trọng

(Nguồn: Tác giả nghiên cứu)

(Nguồn: Tác giả thực hiện bằng phần mềm Etab 2018) Hình 3.1 Mặt bằng công trình

(Nguồn: Tác giả thực hiện bằng phần mềm Etab 2018) Hình 3.2 Mô hình 3D công trình nghiên cứu

3.2 Các trường hợp phân tích

Các trường hợp phân tích trong nghiên cứu này bao gồm có tầng cứng và không có tầng cứng được kiệt kê như trong bảng 3.3 bằng cách tịnh tiến vị trí tầng cứng từ dưới lên cao dần

Bảng 3.3 Các trường hợp Hoạt tải được xét đến

Trường hợp phân tích Mô tả

TH0 Không có tầng cứng

TH1 Tầng cứng thuộc tầng 1

(Nguồn: Tác giả nghiên cứu)

3.3 Tính toán tải trọng gió

Tải trọng gió bao gồm thành phần gió tĩnh và thành phần gió động Ngoài đặc điểm vị trí địa lý thì hình dáng công trình cũng ảnh hưởng đến giá trị độ lớn thành phần tĩnh Trong khi đó, thành phần động của tải trọng gió còn chịu ảnh hưởng bởi độ cứng và khối lượng của công trình Do đó, trong mục này, tải trọng gió sẽ được tính cho tất các trường hợp như bảng 3.3

3.3.1 Chu kỳ dao động của công trình

Khi tầng cứng thay đổi vị trí, đồng nghĩa với việc độ cứng công trình cũng như khối lượng công trình thay đổi Do đó, chu kỳ dao động của công trình cũng thay đổi theo Bảng 3.4 trình bày chu kỳ dao động của 12 mode dao động đầu tiên của tất cả các trường hợp Để tiện theo dõi, hình 3.3 minh họa lại giá trị của 12 chu kỳ dao động bằng đồ thị Đồng thời hình 3.4 thể hiện giá trị độ lớn của chu kỳ dao động mode 1 theo vị trí của tầng cứng

Bảng 3.4 Chu kỳ dao động của 12 mode đầu tiên

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện)

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện) Hình 3.3 Chu kỳ dao động của 12 mode dao động đầu tiên

Chu kỳ dao động của 12 mode đầu tiên TH0

TH1TH2TH3TH4TH5TH6TH7TH8TH9TH10TH11TH12TH13

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện) Hình 3.4 Giá trị độ lớn chu kỳ của mode 1 theo 14 trương hợp phân tích

- Trường hợp không có tầng cứng, chu kỳ dao động có giá trị 3,00s, sau đó chu kỳ giảm dần và thấp nhất tại ví trí tầng cứng bố trí ở tầng 3 có giá trị là 2,53s Sau đó chu kỳ tăng dần và có giá trị 3,08s khi tầng cứng ở vị trí tầng 13, lớn hơn trường hợp không bố trí tầng cứng

- Độ cứng công trình bị thay đổi không những do sự xuất hiện của Tầng cứng mà vị trí của tầng cứng cũng ảnh hưởng nhiều đến độ cứng công trình

3.3.2 Tính toán tải trọng gió

Tải trọng gió được tính toán bằng hai phương pháp:

- Phương pháp 1: Tính toán theo công thức 2.52 (công thức gần đúng) trong TCVN, các công thức được lập trong phần mềm excel, sau đó tải trọng gió sẽ được gán tại tâm cứng của công trình

- Phương pháp 2: Tính tự động bằng Etabs như hình 3.5

TH0 TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8 TH9 TH10 TH11 TH12 TH13

Các trường hợp phân tích

Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc chu kỳ dao động theo vị trí tầng cứng

3.3.2.1 Tính toán tải trọng gió theo CT 2.52 của TCVN

Sau khi có được chu kỳ dao động, khối lượng công trình và chuyển vị của mode dao động Tải trọng gió được tính theo công thức 2.52 của TCVN935-1999, kết quả chi tiết của trường hợp không có tầng cứng và tầng cứng đặt tại tầng 3 được thể hiện như bảng 3.5 và bảng 3.6 Kết quả cuối cùng của tất cả các trường hợp thì được trình bày trong bảng 3.7

Bảng 3.5 Chi tiết tính toán tải trọng gió của công trình khi không có tầng cứng ĐỊA HÌNH PHƯƠNG X

Dạng địa hình A Dạng dao động thứ 1 Áp lực gió tiêu chuẩn (daN/m2) 95 Tần số dao động f(Hz) 0,33

Bề rộng mặt đón gió D(m) 44,00

Chiều cao mặt đón gió H(m) 46,40

- Tải trọng gió tĩnh chỉ phụ thuộc vào hình dáng công trình, không phụ thuộc vào độ cứng công trình, Bảng 3.5 và 3.6 cho kết quả cột tải trọng gió tĩnh là bằng nhau (Cột

- Việc bố trí tầng cứng vào kết cấu công trình làm thay đổi độ cứng kết cấu, do đó thành phần tải trọng động của gió cũng thay đổi Bảng 5 và bảng 6 cho thấy khi bố trí tầng cứng thì thành phần tải trọng gió động giảm so với công trình không bố trí tầng cứng, mức giảm này khoảng 17% Hình 3.5 so sánh thành phần động của tải trọng gió giữa hai trường hợp có tầng cứng tại tầng 3 và không có tầng cứng tại các tầng tương ứng

Bảng 3.6 Chi tiết tính toán tải trọng gió của công trình khi tầng cứng ở vị trí tầng 3 ĐỊA HÌNH PHƯƠNG X

Hình 3.5 Thành phần động của tải trọng gió tại các tầng của hai trường hợp có tầng cứng ở vị trí tầng 3 và không có tầng cứng

Bảng 3.7 Thành phần động của tải trọng gió cho tất cả các trường hợp có tầng cứng và không có tầng cứng

TH0 TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6

Thành phần động tải trọng gió (kN)

Chiều cao công trình (tầng)

Không tầng cứng Tầng cứng thuộc tầng 3

TH7 TH8 TH9 TH10 TH11 TH12 TH13 137,83 129,69 126,62 127,79 125,94 128,49 170,39 128,05 133,87 130,70 131,91 129,99 161,62 157,38 128,28 134,11 130,94 132,15 160,31 161,86 129,39 128,52 119,43 116,60 162,92 160,55 133,12 129,63 114,24 119,43 143,48 144,81 130,47 118,33 115,23 99,96 128,59 143,48 117,68 115,97 118,33 115,23 123,00 128,59 116,60 102,97 101,48 103,54 100,82

- Thành phần động của tải trọng gió thay đổi theo vị trí bố trí tầng cứng Đó là vì khi tầng cứng thay đổi, kéo theo độ cứng và khối lượng công trình thay đổi theo

- Hình 3.6 cho thấy tổng lực ngang tác dụng vào công trình nhỏ nhất khi tầng cứng bố trí vào tầng 2, sau đó tăng dần lên và đạt cực đại tại vị trí tầng 8 và lớn hơn trường hợp không có tầng cứng là 3% Vị trí tầng cứng từ tầng 9 đến tầng 13 không làm thay đổi nhiều giá trị tổng lực ngang do thành phần động

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện bằng phần mềm Etabs 2018) Hình 3.6 So sánh tổng lực ngang tác dụng vào công trình do thành phần động của tải trọng gió của tất cả các trường hợp phân tích

3.3.2.2 Tính toán tải trọng gió tự động bằng phần mềm Etabs

Trong phần mềm Etabs 2018 có hỗ trợ tính toán tự động tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 như hình 3.7

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện bằng phần mềm Etabs 2018) Hình 3.7 Khai báo tính toán tải trọng gió tự động trong Etabs

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện bằng phần mềm Etabs 2018) Hình 3.8 Gán các hệ số trong tính toán gió tự động bằng phần mềm Etabs 2018

Kết quả tải trọng gió sẽ không thấy được khi tính toán tự động bằng phần mềm Etabs, nên sẽ không thể so sánh trực tiếp bằng việc tính toán bằng công thức Do đó, học viên sẽ so sánh gián tiếp bằng các kết quả nội lực và được thực hiện trong mục tiếp theo

3.4 Kết quả phân tích nội lực và chuyển vị

Trong phần này, học viên chỉ tập trung phân tích kết quả nội lực và chuyển vị của khung trục 4 cho tất cả các trường hợp Do tính đặc thù của kết cấu nên học viên chỉ phân tích giá trị ở khung trục 4

Biểu đồ Moment uốn, lực cắt và lực dọc cho tất cả các trường hợp được thể hiện trong các hình

Hình 3.9 Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp không có tầng cứng

Hình 3.10.Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp tầng cứng ở tầng 1

Hình 3.11 Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp tầng cứng ở tầng 3

- Hình 3.9 và 3.10 cho thấy sự phân bố nội lực do tải trọng gió gây ra là hợp lý cho trường hợp có tầng cứng và không có tầng cứng

- Moment ở cột giữa thì có giá trị lớn hơn cột biên do tiết diện cột lớn hơn dẫn đến độ cứng lớn hơn

- Lực dọc ở cột bên trái là chịu kéo, trong khi bên phải là chịu nén

Tính toán tải trọng gió

Tải trọng gió bao gồm thành phần gió tĩnh và thành phần gió động Ngoài đặc điểm vị trí địa lý thì hình dáng công trình cũng ảnh hưởng đến giá trị độ lớn thành phần tĩnh Trong khi đó, thành phần động của tải trọng gió còn chịu ảnh hưởng bởi độ cứng và khối lượng của công trình Do đó, trong mục này, tải trọng gió sẽ được tính cho tất các trường hợp như bảng 3.3

3.3.1 Chu kỳ dao động của công trình

Khi tầng cứng thay đổi vị trí, đồng nghĩa với việc độ cứng công trình cũng như khối lượng công trình thay đổi Do đó, chu kỳ dao động của công trình cũng thay đổi theo Bảng 3.4 trình bày chu kỳ dao động của 12 mode dao động đầu tiên của tất cả các trường hợp Để tiện theo dõi, hình 3.3 minh họa lại giá trị của 12 chu kỳ dao động bằng đồ thị Đồng thời hình 3.4 thể hiện giá trị độ lớn của chu kỳ dao động mode 1 theo vị trí của tầng cứng

Bảng 3.4 Chu kỳ dao động của 12 mode đầu tiên

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện) Hình 3.3 Chu kỳ dao động của 12 mode dao động đầu tiên

Chu kỳ dao động của 12 mode đầu tiên TH0

TH1TH2TH3TH4TH5TH6TH7TH8TH9TH10TH11TH12TH13

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện) Hình 3.4 Giá trị độ lớn chu kỳ của mode 1 theo 14 trương hợp phân tích

- Trường hợp không có tầng cứng, chu kỳ dao động có giá trị 3,00s, sau đó chu kỳ giảm dần và thấp nhất tại ví trí tầng cứng bố trí ở tầng 3 có giá trị là 2,53s Sau đó chu kỳ tăng dần và có giá trị 3,08s khi tầng cứng ở vị trí tầng 13, lớn hơn trường hợp không bố trí tầng cứng

- Độ cứng công trình bị thay đổi không những do sự xuất hiện của Tầng cứng mà vị trí của tầng cứng cũng ảnh hưởng nhiều đến độ cứng công trình

3.3.2 Tính toán tải trọng gió

Tải trọng gió được tính toán bằng hai phương pháp:

- Phương pháp 1: Tính toán theo công thức 2.52 (công thức gần đúng) trong TCVN, các công thức được lập trong phần mềm excel, sau đó tải trọng gió sẽ được gán tại tâm cứng của công trình

- Phương pháp 2: Tính tự động bằng Etabs như hình 3.5

TH0 TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8 TH9 TH10 TH11 TH12 TH13

Các trường hợp phân tích

Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc chu kỳ dao động theo vị trí tầng cứng

3.3.2.1 Tính toán tải trọng gió theo CT 2.52 của TCVN

Sau khi có được chu kỳ dao động, khối lượng công trình và chuyển vị của mode dao động Tải trọng gió được tính theo công thức 2.52 của TCVN935-1999, kết quả chi tiết của trường hợp không có tầng cứng và tầng cứng đặt tại tầng 3 được thể hiện như bảng 3.5 và bảng 3.6 Kết quả cuối cùng của tất cả các trường hợp thì được trình bày trong bảng 3.7

Bảng 3.5 Chi tiết tính toán tải trọng gió của công trình khi không có tầng cứng ĐỊA HÌNH PHƯƠNG X

- Tải trọng gió tĩnh chỉ phụ thuộc vào hình dáng công trình, không phụ thuộc vào độ cứng công trình, Bảng 3.5 và 3.6 cho kết quả cột tải trọng gió tĩnh là bằng nhau (Cột

- Việc bố trí tầng cứng vào kết cấu công trình làm thay đổi độ cứng kết cấu, do đó thành phần tải trọng động của gió cũng thay đổi Bảng 5 và bảng 6 cho thấy khi bố trí tầng cứng thì thành phần tải trọng gió động giảm so với công trình không bố trí tầng cứng, mức giảm này khoảng 17% Hình 3.5 so sánh thành phần động của tải trọng gió giữa hai trường hợp có tầng cứng tại tầng 3 và không có tầng cứng tại các tầng tương ứng

Bảng 3.6 Chi tiết tính toán tải trọng gió của công trình khi tầng cứng ở vị trí tầng 3 ĐỊA HÌNH PHƯƠNG X

Hình 3.5 Thành phần động của tải trọng gió tại các tầng của hai trường hợp có tầng cứng ở vị trí tầng 3 và không có tầng cứng

Bảng 3.7 Thành phần động của tải trọng gió cho tất cả các trường hợp có tầng cứng và không có tầng cứng

TH0 TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6

Thành phần động tải trọng gió (kN)

Chiều cao công trình (tầng)

Không tầng cứng Tầng cứng thuộc tầng 3

TH7 TH8 TH9 TH10 TH11 TH12 TH13 137,83 129,69 126,62 127,79 125,94 128,49 170,39 128,05 133,87 130,70 131,91 129,99 161,62 157,38 128,28 134,11 130,94 132,15 160,31 161,86 129,39 128,52 119,43 116,60 162,92 160,55 133,12 129,63 114,24 119,43 143,48 144,81 130,47 118,33 115,23 99,96 128,59 143,48 117,68 115,97 118,33 115,23 123,00 128,59 116,60 102,97 101,48 103,54 100,82

- Thành phần động của tải trọng gió thay đổi theo vị trí bố trí tầng cứng Đó là vì khi tầng cứng thay đổi, kéo theo độ cứng và khối lượng công trình thay đổi theo

- Hình 3.6 cho thấy tổng lực ngang tác dụng vào công trình nhỏ nhất khi tầng cứng bố trí vào tầng 2, sau đó tăng dần lên và đạt cực đại tại vị trí tầng 8 và lớn hơn trường hợp không có tầng cứng là 3% Vị trí tầng cứng từ tầng 9 đến tầng 13 không làm thay đổi nhiều giá trị tổng lực ngang do thành phần động

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện bằng phần mềm Etabs 2018) Hình 3.6 So sánh tổng lực ngang tác dụng vào công trình do thành phần động của tải trọng gió của tất cả các trường hợp phân tích

3.3.2.2 Tính toán tải trọng gió tự động bằng phần mềm Etabs

Trong phần mềm Etabs 2018 có hỗ trợ tính toán tự động tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 như hình 3.7

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện bằng phần mềm Etabs 2018) Hình 3.7 Khai báo tính toán tải trọng gió tự động trong Etabs

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện bằng phần mềm Etabs 2018) Hình 3.8 Gán các hệ số trong tính toán gió tự động bằng phần mềm Etabs 2018

Kết quả tải trọng gió sẽ không thấy được khi tính toán tự động bằng phần mềm Etabs, nên sẽ không thể so sánh trực tiếp bằng việc tính toán bằng công thức Do đó, học viên sẽ so sánh gián tiếp bằng các kết quả nội lực và được thực hiện trong mục tiếp theo.

Kết quả phân tích nội lực và chuyển vị

Trong phần này, học viên chỉ tập trung phân tích kết quả nội lực và chuyển vị của khung trục 4 cho tất cả các trường hợp Do tính đặc thù của kết cấu nên học viên chỉ phân tích giá trị ở khung trục 4

Biểu đồ Moment uốn, lực cắt và lực dọc cho tất cả các trường hợp được thể hiện trong các hình

Hình 3.9 Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp không có tầng cứng

Hình 3.10.Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp tầng cứng ở tầng 1

- Hình 3.9 và 3.10 cho thấy sự phân bố nội lực do tải trọng gió gây ra là hợp lý cho trường hợp có tầng cứng và không có tầng cứng

- Moment ở cột giữa thì có giá trị lớn hơn cột biên do tiết diện cột lớn hơn dẫn đến độ cứng lớn hơn

- Lực dọc ở cột bên trái là chịu kéo, trong khi bên phải là chịu nén

- Hình 3.11 và 3.12 thể hiện giá trị nội lực cho hai trường hợp có tầng cứng ở tầng 3 và tầng 8 Rõ ràng, khi bố trí tầng cứng, giá trị moment bên dưới tầng cứng có sự phân phối lại Cần lưu ý rằng, moment ở mặt cắt đầu trên của cột là lớn hơn mặt cắt đầu dưới

Hình 3.13 Ký hiệu cột của khung trục 4

Bảng 3.8 Giá trị moment ở chân cột của tất cả các trường hợp

Trường hợp Moment chân Cột (KNm)

Kết quả thu được ở bảng 3.8 cho thấy:

- Khi tầng cứng bố trí ở tầng 1, moment ở chân cột gần như là bằng không, đều này là không thể Thứ nhất, về mặt kiến trúc và công năng thì không thể bố trí tầng cứng ở tầng 1 Thứ hai, do trong mô hình, tầng cứng được học viên mô phỏng bằng vách cứng được gán lên tất cả các dầm của tầng đó

- Moment lớn nhất ở ba cột giữa và chúng tương tự nhau, hai cột biên có moment nhở hơn rất nhiều so với cột giữa khoảng 3,5 lần

- Moment ở chân cột nhở nhất khi tầng cứng bố trí ở vị trí tầng 2 Sau đó tăng dần lên đến tầng 8 và bắt đầu thay đổi rất ít Giá trị lúc này là tương đương với trường hợp không bố trí tầng cứng

- Hình 3.14 thể hiện giá trị moment tai chân cột cho các trường hợp, không xét TH1

(Nguồn: Tác giả tự thực hiện) Hình 3.14 Giá trị moment (kNm) tại chân cột cho tất cả các trường hợp

- Hình 3.14 cho thấy giá trị moment tại chân cột khi tầng cứng ơ tầng 2 là giảm 35% so với khi không có tầng cứng

Moment của cột tại vị trí phía trên và phía dưới tầng cứng cũng rất quan trọng Do đó, tác giả khảo sát giá trị moment của tất cả các trường hợp bố trí tầng cứng và so sánh với trường hợp không bố trí tầng cứng

TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8 TH9 TH10TH11TH12TH13

Bảng 3.9 Giá trị moment (kNm) của cột trên và dưới tầng cứng

- Dữ liệu bảng 3.9 cho thấy vị trí tầng có bố trí tầng cứng thì giá trị độ lớn moment tăng lên so với khi không bố trí Có nhiều vị trí tăng lên gần 50% so với không bố trí cho trường hợp moment dương Đối với trường hợp moment âm, giá trị tăng lên gần 95%

- Hình 3.15 và hình 3.16 thể hiện độ tăng giá trị moment của cột C3 tại vị trí bố trí tầng cứng Dữ liệu cho thấy cả hai vị trí trên và dưới tầng cứng giá trị moment đều tăng Tuy nhiên, trường hợp phía trên trầng cứng thì tỷ lệ tăng dần theo vị trí tầng cứng (trường hợp moment dương), còn trường hợp phía dưới tầng cứng thì tỷ lệ giảm dần theo vị trí tầng cứng (trường hợp moment âm) Điều cho thấy việc bố trí tầng cứng sẽ phân phối lại moment cho cột theo xu hướng đều hơn trong bản thân cột Các cột còn lại của khung trục 4 cũng cho kết quả tương tự như cột C3

Hình 3.15 Độ tăng giá trị moment tại vị trí của cột C3 phía trên nơi bố trí tầng cứng

Hình 3.16 Độ tăng giá trị moment tại vị trí cột C3 phía dưới nơi bố trí tầng cứng

- Thông thường cốt thép trong cột là không thay đổi trong cột của một tầng, đôi khi là không thay đổi cả 3 tầng Do đó, sẽ tốt hơn nếu như giá trị moment tại vị trí đầu trên và đầu dưới của cột không chênh lệch nhiều

- Bảng 3.10 thể hiện giá trị moment của cột C3 cho trường hợp có tầng cứng và không có tầng cứng Rõ ràng, khi bố trí tầng cứng thì độ chênh moment trong một cột là nhỏ hơn trường hợp không bố trí tầng cứng Đây là lợi thế đáng ghi nhận của hệ có tầng cứng

- Giá trị tổng moment lớn nhất trong một của khi bố trí tầng cứng là nhỏ hơn trường hợp không bố trí tầng cứng Một lần nữa, việc bố trí tầng cứng mang lại lợi ích thiết thực hơn việc không bố trí về mặt chịu lực

Bảng 3.10 Giá trị moment của cột C3 cho hai trường hợp không có tầng cứng và có tầng cứng ở tầng 3

Tầng cứng thứ 3 Không Tầng Cứng

Top Bottom Max Top Bottom Max

Hình 3.17 Giá trị lực dọc cột biên trái chịu kéo (C19)

Hình 3.18 Giá trị lực dọc cột biên phải chịu nén (C26)

- Hình 3.17 và 3.18 thể hiện lực dọc của hai cột biên khung trục 4, cột C19 (biên trái) là lực kéo hình 3.17 và ngược lại hình 3.18 là lực nén của cột C26 Ngoài các vị trí bố trí tầng cứng có lực dọc bị giật thì các vị trí còn lại lực dọc tăng dần từ cao xuống thấp, điều này là do biến dạng tăng dần của các cột bên dưới dưới tác dụng tải ngang

Hình 3.19 Giá trị lực dọc tại chân cột biên trái (C19) cho tất cả các trường hợp

- Hình 19 thể hiện giá trị lực dọc tại chân cột biên trái cho tất cả các trường hợp, ngoài TH1 giá trị nhỏ bất thường do vị trí đặt tầng cứng, còn các trường hợp còn lại có giá trị là gần nhau Trong đó TH3 cho giá trị là nhỏ nhất, TH0 cho giá trị là lớn nhất Bắt đầu từ TH4 trở về sau thì giá trị này tăng dần đến TH13

3.4.2 Chuyển vị của công trình

Trong mục này, học viên khảo sát chuyển vị tại tâm cứng của sàn trong cả công trình Càng lên cao thì chuyển vị càng tăng vì nhìn chung công trình làm việc như dầm công son bị ngàm tại chân cột Chuyển vị tại đỉnh công trình trong trường hợp không có tầng cứng là lớn nhất, sau đó giảm dần đến TH3 và sau đó tăng dần lên đến TH13 Như vậy, bố trí tầng cứng ở tầng 3 mang lại hiệu quả cao Kết quả từ chuyển vị đến nội lực đều có sự thống nhất cao, điều đó cho thấy độ tin cậy của kết quả phân tích Thêm nữa, khi tầng cứng càng bố trí trên cao, ngoài những vị trí gần tầng cứng có sự khác biệt so với lúc chưa bố trí thì những vị trí bên dưới, dường chuyển vị là trùng với trường hợp không bố trí tầng cứng (TH0), xem hình 3.20

Bảng 3.11 Chuyển vị (mm) củng công trình từ TH0 đến TH6

Tầng TH0 TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6

Bảng 3.12 Chuyển vị (mm) của công trình từ TH7 đến TH13

Hình 3.20 Chuyển vị ngang của công trình cho tất cả các trường hợp

So sánh kết quả giữa tính tự động và tính thủ công

Việc tính toán tải trọng gió tự động bằng Etabs không thể hiện được giá trị của tải trọng Do đó học viên sẽ so sánh bằng kết quả nội lực và chuyển vị

Về mặt định tính, kết quả biểu đồ moment khung trục 4 ở hình 3.21 cho trường hợp không có tầng cứng khi tải trọng gió tính bằng tay và tính tự động là giống nhau

Bảng 3.13 so sánh về giá trị moment tại chân cột, kết quả cho thấy tính toán bằng thủ công thì cho kết quả nội lực lớn hơn tính toán tự động bằng Etabs Một điều cần lưu ý là khi so sánh tỷ lệ thì cho kết quả là 1.37, con số này là giống nhau giữa các cột Điều đó cho thấy có sự tương đồng về cách tính

Hình 3.21 Biểu đồ moment khung trục 4, hình bên trái – Trường hợp tính thủ công, hình bên phải – trường hợp tính tự động

Bảng 3.13 Giá trị moment (kNm) chân cột khung trục 4 do tải trọng gió gây ra

Cột Tính thủ công Tính tự động Tỷ lệ

Hình 3.22 Biểu đồ moment khung trục 4, hình bên trái – Trường hợp tính thủ công, hình bên phải – trường hợp tính tự động khi tầng cứng ở tầng 2

Hình 3.23 Moment (kNm) của cột tại vị trí lân cận tầng cứng thuộc tầng 2 trường hợp tính toán tải tọng gió tự động

Hình 3.24 Moment (kNm) của cột tại vị trí lân cận tầng cứng thuộc tầng 2 trường hợp tính toán tải tọng gió thủ công

Bảng 3.14 Giá trị moment (kNm) cột trên tầng cứng trường hợp tầng cứng ở tầng 2

Cột Tự động Thủ công Tỷ lệ Tự động Thủ công Tỷ lệ

Bảng 3.15 Giá trị moment (kNm) cột trên tầng cứng trường hợp tầng cứng ở tầng 2

Cột Tự động Thủ công Tỷ lệ Tự động Thủ công Tỷ lệ

Hình 3.21 đến 3.23 thể hiện biểu đồ moment cho cả hai trường hợp tính toán tải trọng gió bằng thủ công và tự động khi tầng cứng ở vị trí tầng 2 Kết quả cho thấy về mặt định tính là giống nhau Nhưng về mặt định lượng thì chênh nhau 1.32 lần giữa tính toán thủ công và tính tự động Rõ ràng khi có tầng cứng, việc tính toán tự động giảm đi so với tính toán thủ công 1.32 lần, trong khi không có tầng cứng thì đến có 1.37 lần

Hình 3.25 Biểu đồ moment khung trục 4, hình bên trái – Trường hợp tính thủ công, hình bên phải – trường hợp tính tự động khi tầng cứng ở tầng 6

Bảng 3.16 Giá trị moment chân cột khung trục 4 do tải trọng gió gây ra cho TH6

Cột Thủ công Tự động Tỷ lệ

Hình 3.24 và bảng 3.16 là cho trường hợp tầng cứng bố trí ở tầng 6 Kết quả cho thấy tính toán thủ công luôn lớn hơn tính toán tự động Trường hợp này, moment tại chân cột của khung trục 4 khi tính toán thủ công gấp 1.38 lần khi tính toán tự động và tăng hơn trường hợp bố trí tầng cứng tại tầng 2

Hình 3.26 Chuyển vị ngang của công trình cho tất cả các trường hợp khi tính toán tải trọng gió tự động

Hình 3.25 thể hiện chuyển vị ngang công trình cho tất cả các trường hợp bố trí tầng cứng và không bố trí Kết quả cho thấy hình dạng là giống với khi tính toán tải trọng gió thủ công, xem hình 3.20 Tuy nhiên, cũng giống như nội lực, chuyển vị của công trình trong trường hợp này là bé hơn tính toán tải trọng gió thủ công

Bảng 3.17 thể hiện tỷ lệ giữa chuyển vị của công trình khi tính thủ công và tính toán tự động tại các tầng tương ứng Kết quả thu được dao động quanh tỷ lệ 1.3, đều đó cho thấy có sự tương đồng về tính toán và gán tải trọng gió bằng hai cách tính

Bảng 3.17 Tỷ lệ chuyển vị do tải trọng gió gây ra bằng hai cách tính từ TH0 đến TH6

Bảng 3.18 Tỷ lệ chuyển vị do tải trọng gió gây ra bằng hai cách tính từ TH7 đến TH13

Kết luận chương

Trong chương này học viên đã thực hiện việc tính toán tải trọng gió cho trường hợp không bố trí tầng cứng và có bố trí tầng cứng Như vậy, việc bố trí tầng cứng đã ảnh hưởng đến độ cứng công trình, từ đó ảnh hưởng đến tần số dao động cũng như tải trọng gió Đồng thời, kết quả thu được là giá trị nội lực và chuyển vị cũng ảnh hưởng theo Nhìn chung, việc bố trí tầng cứng là có lợi về mặt chịu lực

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

- Tầng cứng có ảnh hưởng đến tải trọng gió, do làm thay đổi độ cứng công công trình Đồng thời, vị trí tầng cứng cũng làm thay đổi thành phần động của tải trọng gió do khối lượng tập trung lớn tại vị trí có tầng cứng

- Trong nghiên cứu này, tầng cứng mang lại hiệu quả khi dặt tại tầng 2/13 Hiệu quả về giá trị moment chân cột là giảm 35% Tuy nhiên, tại vị trí cột trên và dưới vị trí đặt tầng cứng thì tăng lên đột biến Xét về tổng giá trị moment lớn nhất của các cột thì sự chệch lệch này không đáng kể

- Việc bố trí tầng cứng trong công trình nghiên cứu này với hệ kết cấu chịu lực chính là hệ khung dầm cột không mang lại hiệu quả như kỳ vọng Tầng cứng chỉ thích hợp cho hệ kết cấu có lõi cứng, tầng cứng sẽ chuyển hóa momnent trong lõi cứng thành lực dọc và phân phổi cho các cột biên Từ đó sẽ làm giảm giá trị moment trong lõi cứng Trong nghiên cứu này, lực dọc trong các cột biên lại giảm khi đặt tầng cứng, đi ngược với ý nghĩa của việc bố trí hệ tầng cứng

- Phần mềm Etabs hỗ trợ rất tốt việc tính toán tải trọng gió một cách tự động mà không cần tính thủ công Tuy nhiên kết quả thu được bằng tính tự động hiện nhỏ hơn tính thủ công 1.3 lần đối với công trình này

- Cần nhiều khảo sát hơn về quy mô công trình, chiều cao, vị trí lõi cứng để đành giá được hiệu quả của tầng cứng trong việc chịu tải trọng gió nói riêng và tải trọng ngang nói chung

- Cần thực hiện thêm nhiều khảo sát với các công trình khác nhau về quy mô và địa điểm để tìm ra hệ số sai khác chung cho cách tính thủ công và tính tự động tải trọng gió

Từ đó, cung cấp cho các nhà nghiên cứu cũng như kỹ sư kết cấu trong công việc thiết kế.

Tiêu đề	Phân tích ứng xử nhà cao tầng có tầng cứng chịu tác động tải trọng gió tại khu vực thành phố Đà Nẵng
Tác giả	Huỳnh Trọng Khiêm
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Phú Cường
Trường học	Trường Đại học Lạc Hồng
Chuyên ngành	Kỹ thuật Xây dựng
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Đồng Nai

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	2,67 MB