Bài giảng kết cấu nhà cao tầng TS nguyễn hữu anh tuấn

21/11/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM TS NGUYỄN HỮU ANH TUẤN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 30 TIẾT – PHẦN CƠ BẢN TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH • • • • • • • • • • • • • Bungale S Taranath (2010) Reinforced Concrete Design of Tall Buildings, CRC Press Bungale S Taranath (1998) Steel, Concrete and Composite Design of Tall Buildings, McGraw-Hill Lê Thanh Huấn (2007) Kết cấu nhà cao tầng BTCT, NXB Xây Dựng Nguyễn Lê Ninh (2007) Động đất thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây Dựng Triệu Tây An (1996) Hỏi-đáp thiết kế thi công kết cấu nhà cao tầng, NXB Xây Dựng TCVN 2737:1995 Tải trọng tác động TCXD 229:1999 Chỉ dẫn tính toán thành phần động tải trọng gió TCXD 375:2006 Thiết kế công trình chịu động đất TCXD 198:1997 Nhà cao tầng-Thiết kế kết cấu BTCT toàn khối Wolfgang Schueller (1986), High-Rise Building Structures, Krieger Pub Co Mir M Ali & Kyoung Sun Moon (2007) Structural Developments in Tall Buildings: Curent Trends and Future Prospects, Architectural Science Review, Vol 50.3 Anil K Chopra (1995) Dynamic of Structures – A Primer, Earthquake Engineering Research Institute Cement and Concrete Association of Australia (2003) Guide to Long-Span Concrete Floors Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21/11/2014 Bài Tổng quan Bài Các hệ kết cấu sàn BTCT (ôn tập) Bài Các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang Bài Khái niệm động lực học kết cấu nhà nhiều tầng Bài Tải trọng tác động Tải trọng gió Bài Tác động động đất Bài Các phương pháp tính toán gần kết cấu nhà nhiều tầng Bài Tính toán cấu tạo phận chịu lực BTCT Bài Một số chủ đề đặc biệt BÀI TỔNG QUAN Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21/11/2014 Định nghĩa, quy ước NCT Không có quy định chiều cao, số tầng gọi cao tầng! Tương quan chiều cao nhà với công trình lân cận Một nhà 14 tầng không xem cao tầng thành phố với nhiều nhà chọc trời Chicago hay Hongkong, xem cao vùng ngoại nội thành thành phố Việt Nam Tỷ lệ Có nhiều công trình không cao lại mảnh để có hình dáng nhà cao tầng Ngược lại, có nhiều công trình có mặt phần đế rộng, không giống “nhà cao tầng” chúng có chiều cao lớn Định nghĩa, quy ước NCT Công nghệ liên quan đến chiều cao Nếu tòa nhà cần “công nghệ “ đặc biệt chiều cao nó, ví dụ hệ thống vận chuyển đặc biệt theo phương đứng, hay hệ giằng chống tải trọng gió; xem nhà cao tầng Mặc dù cách phân loại nhà dựa theo chiều cao không thích hợp lắm, ta xem nhà từ 14 tầng (50 m) trở lên cao tầng Ngoài nhà siêu cao (supertall) nhà cao 300m, nhà cực cao (megatall) nhà cao 600m [theo Ủy ban nhà cao tầng quốc tế CTBUH] Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21/11/2014 Định nghĩa, quy ước NCT Có quan niệm cho nhà xem cao việc thiết kế kết cấu phải chuyển từ phân tích tĩnh học sang phân tích động lực học Ở phương diện thiết kế kết cấu, xem công trình cao tải trọng ngang, đặc biệt chuyển vị lệch tầng, có ảnh hưởng đến việc phân tích thiết kế kết cấu Hoặc tòa nhà đuợc xem cao tầng chiều cao định điều kiện thiết kế, thi công sử dụng khác với nhà thông thường Yêu cầu thiết kế kết cấu NCT • • • • • • • Yếu tố quan trọng: tải trọng ngang Hạn chế chuyển vị ngang Nếu chuyển vị ngang lớn tăng nội lực độ lệch tâm trọng lượng; hư hỏng phận phi kết cấu; khó bố trí thiết bị; người có cảm giác khó chịu hoảng sợ Yêu cầu chống động đất: không hư hại động đất nhẹ; hư hại phận không quan trọng động đất vừa; hư hại không sụp đổ động đất mạnh kết cấu cần có độ dẻo khả tiêu tán lượng động đất Giảm nhẹ trọng lượng thân giảm tải trọng xuống móng; giảm tải động đất kinh tế, an toàn Thường nhạy cảm với độ lún lệch móng kết cấu vốn có độ siêu tĩnh cao quan tâm tương tác kết cấu thượng tầng –nền đất Khả chịu lửa cao, dễ thoát hiểm Yêu cầu độ bền, tuổi thọ cao Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21/11/2014 Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21/11/2014 Sơ chọn hệ kết cấu Thép Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan Sơ chọn hệ kết cấu Bê tông Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21/11/2014 Bố trí kết cấu Hình dạng mặt • • • • đơn giản, nên đối xứng, tránh dùng MB trải dài có cánh mảnh MB hình chữ nhật: L/B ≤ (với cấp phòng chống động đất ≤ 7) MB gồm phần cánh nhỏ: chiều dài cánh chiều rộng cánh nên thỏa l/b ≤ (với cấp phòng chống động đất ≤ 7) Với cấp động đất 9: yêu cầu khắc khe [tham khảo TCXD 198:1997] B L l b b l Bố trí kết cấu Bố trí mặt đứng • • • Đều thay đổi đều, giảm dần kích thước dần lên phía Tránh mở rộng tầng nhô cục bất lợi động đất Không nên thay đổi trọng tâm tâm cứng theo tầng nhà 0,25g (2,5 m/s2) cần xét thành phần đứng động đất cho: - Các cấu kiện nằm ngang có nhịp ≥ 20m; - Các cấu kiện công-xon nằm ngang dài m; - Các cấu kiện ứng lực trước nằm ngang; - Các dầm đỡ cột; - Các kết cấu có cách chấn đáy (ii) Có thể phân tích mô hình không đầy đủ kết cấu, gồm cấu kiện chịu thành phần thẳng đứng động đất (i) có kể đến độ cứng cấu kiện liền kề (iii) Có thể đưa vào tính toán hệ động đất đứng cấu kiện xét (i) cấu kiện đỡ liên quan trực tiếp với Tổ hợp phản ứng từ phương khác Nói chung, thành phần ngang động đất xem tác dụng đồng thời Phản ứng tổng xác định cách tổ hợp phản ứng theo phương riêng rẻ Phương pháp SRSS: Phương pháp tổ hợp khác: Fmax = Fx2 + Fy2 F + 0,30 Fy ൜ x 0,30 Fx + Fy Với cấu kiện có xét ảnh hưởng động đất theo phương thẳng đứng: Fmax = Fx2 + Fy2 + Fz2 ‫ ݔܨ‬൅ 0,30 ‫ ݕܨ‬൅ 0,30 ‫ݖܨ‬ ቐ0,30 ‫ ݔܨ‬൅ ‫ ݕܨ‬൅ 0,30 ‫ݖܨ‬ 0,30 ‫ ݔܨ‬൅ 0,30 ‫ ݕܨ‬൅ ‫ݖܨ‬ Fx, Fy đáp ứng tác động theo hai phương ngang vuông góc nhau, Fz đáp ứng tác động theo phương thẳng đứng Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 90 21/11/2014 Bài CÁC PHƯƠNG PHÁP GẦN ĐÚNG ĐỂ TÍNH NHÀ CAO TẦNG Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 91 21/11/2014 Mở đầu Thực tế thiết kế dùng phần mềm phân tích kết cấu Mô hình tính toán nào, dù phức tạp tới đâu, gần đúng, chúng dựa vào giả thiết lý tưởng hóa Các kỹ thuật mô hình hóa kết cấu định nghĩa phương pháp dùng để rút gọn, tổng hợp, xấp xỉ “hợp lý” hệ thống kết cấu thực Các phương pháp tính tay đơn giản: o không thay cho việc phân tích máy tính o NHƯNG, chúng hữu ích: hỗ trợ chọn sơ kích thước cấu kiện chịu lực, tính toán kiểm tra sơ nội lực, chuyển vị cho gợi ý so sánh, đánh giá phương án kết cấu nhằm lựa chọn phương án hợp lý giúp hiểu thêm làm việc kết cấu, kiểm tra phần hợp lý kết xuất từ máy tính Tính nội lực khung chịu tải trọng ngang Tác động gió hay động đất xem hệ tải trọng ngang tĩnh tác dụng mức sàn tầng Có thể dùng phương pháp Portal Cantilever để tính sơ khung cứng, với giả thiết điểm không moment xuất nhịp dầm chiều cao cột Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 92 21/11/2014 Tính nội lực khung chịu tải trọng ngang Portal method Xem khung gồm nhiều khung nhịp đứng cạnh xác định lực dọc cột moment lật gây tải ngang, với cột phía đón gió chịu kéo cột phía hút gió chịu nén Sau phân phối lực cắt cho cột giả thiết vị trí điểm uốn dễ dàng xác định moment cột dầm Ví dụ: xác định lực cắt ngang cột tầng cùng, giả thiết lực cắt cột gấp đôi lực cắt cột biên Cũng giả thiết lực cắt cột tỷ lệ với chiều dài nhịp dầm kề với cột xét Tính nội lực khung chịu tải trọng ngang Portal method Lực cắt cột Lực cắt dầm Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan Moment cột Moment dầm Lực dọc 93 21/11/2014 Tính nội lực khung chịu tải trọng ngang Cantilever method Xem công trình công-xon thẳng đứng, moment lật tải ngang chịu lực nén cột phía hút gió so với trục trung hòa khung, lực kéo cột phía đón gió Trục trung hòa xác định dựa vào moment tĩnh cột, lực dọc phân cho cột giả thiết tỷ lệ với khoảng cách từ cột đến trục trung hòa Ví dụ: phân phối lực dọc cột tầng VR x h/2 = 2(F2X2 + F1X1) Ví dụ tính toán Sơ đồ khung tải trọng Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 94 21/11/2014 Ví dụ tính toán Lực cắt cột tích lũy Ví dụ tính toán Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan Portal method 95 21/11/2014 Ví dụ tính toán Cantilever method NHẬN XÉT: Hai phương pháp gần cho kết khác nhau, khác với kết phân tích khung phần mềm Kết giải khung cho thấy có sai lệch vị trí giả thiết điểm không moment, đặc biệt tầng tầng cùng; giả thiết phân phối lực cắt cột, vv… Tính độ cứng chuyển vị ngang khung Chuyển vị tương đối tầng so với tầng kết biến dạng uốn biến dạng cắt Thành phần biến dạng uốn biến dạng dọc trục cột gây Thành phần biến dạng cắt xoay nút khung, gây moment uốn dầm cột Với khung có tỷ số chiều cao chiều rộng nhỏ thành phần chuyển vị ngang biến dạng dọc trục cột bỏ qua Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 96 21/11/2014 Xem gần Tầng điển hình Tải ngang tích lũy Một tầng điển hình tách riêng Tính độ cứng chuyển vị ngang khung Chuyển vị xoay cột Giả thiết lực cắt cột tầng xét Khi dầm xem cứng tuyệt đối theo phương ngang, chuyển vị ngang đầu cột tính công-xon có chiều dài h/2 ݄ ଷ ∆ଵ ܸ = 3‫ܫܧ‬௖ Kể tới tất cột tầng, ta Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan ∆ଵ = ܸ݄ଷ 12‫ܫ ∑ ܧ‬௖ 97 21/11/2014 Tính độ cứng chuyển vị ngang khung Chuyển vị xoay dầm Lúc cột xem cứng tuyệt đối, đầu dầm có góc xoay θ, gây moment nội lực 12EIθ/L đầu Tổng moment nội lực dầm tầng xét 12EθΣ(Ibi/Li) với Ibi Li moment quán tính uốn nhịp dầm thứ i Moment ngoại lực lực ngang V Vh Từ điều kiện cân moment nội ngoại lực, quan hệ hình học ∆2=θh, ta tính độ lệch ngang tầng nhà ∆ଶ = ܸ݄ଶ 12‫ܫ ∑ ܧ‬௕௜ ⁄‫ܮ‬௜ Tính độ cứng chuyển vị ngang khung Chuyển vị tổng biến dạng cắt khung tầng ∆௦ ൌ ∆ଵ ൅∆ଶ ൌ ܸℎଶ 12 ℎ ∑ ‫ܫܧ‬ + ௖ộ௧ ∑ ‫ܫܧ‬/‫ܮ‬ ௗầ௠ Lưu ý ∆S chuyển vị lệch tầng xét, chưa phải chuyển vị tuyệt đối tầng Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 98 21/11/2014 Ví dụ tính chuyển vị ngang khung Lấy khung 30 tầng xét phần trước làm ví dụ Chuyển vị biến dạng uốn xem nhà công-xon Trục trung hòa trùng với trục đối xứng khung Số liệu tính toán: a1 = ft2; a2 = ft2 ; d1 = 53 ft; d2 = 13 ft Tải ngang xem phân bố w =12/13= 0.9231 k/ft Moment quán tính uốn khung trục trung hòa: ‫ = ܫ‬2 ܽଵ ݀ଵଶ + ܽଶ ݀ଶଶ = 24 500 ft4 (211.46 m4) Chuyển vị đỉnh nhà hiệu ứng công-xon: ‫ ݈ݓ‬ସ ∆௖௔௡௧ = = 0.0245 ft (7.5 mm) 8‫ܫܧ‬ Ví dụ tính chuyển vị ngang khung Chuyển vị biến dạng cắt cột xoay ΣIc = × (0.33 + 0.5) = 1.66 ft4 Dùng giá trị trung bình lực cắt tích lũy cột V=210 kip, h = 13ft ∆ଵ ൌ ܸℎଷ = 0.0056 ft/tầng (1.70 mm/tầng) 12‫ܫ ∑ ܧ‬௖ Chuyển vị biến dạng cắt dầm xoay Với tất dầm tầng: ΣI/L = 0.5/40 + 0.5/26 + 0.5/40 = 0.0442 ft Dùng giá trị trung bình lực cắt tích lũy cột V=210 kip, h = 13ft ∆ଶ ൌ ܸℎଶ 12‫ ܫ ∑ ܧ‬⁄‫ܮ‬ = 0.016 ft/tầng (4.87 mm/tầng) Chuyển vị tổng Chuyển vị tổng biến dạng cắt ∆s = ∆1 + ∆2 = 0.0216 ft/tầng (6.58 mm/tầng) Chuyển vị đỉnh nhà biến dạng cắt: 30∆s = 0.648 ft (197.5 mm) Chuyển vị tổng đỉnh nhà biến dạng uốn cắt = 0.673 ft ( 205 mm) Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 99 21/11/2014 Ví dụ tính chuyển vị ngang - So sánh ảnh hưởng biến dạng uốn biến dạng cắt đến chuyển vị nhà? - Hình bên trình bày kết tính chuyển vị phương pháp tính tay đơn giản phần mềm phân tích kết cấu Cho nhận xét? Tính chuyển vị PP cột tương đương Khung đơn giản hóa cột tương đương có moment quán tính uốn Ie diện tích chịu cắt Av, đại diện cho biến dạng uốn cắt khung ‫ܫ‬௘ = ෍ ‫ܣ‬௜ ‫ݔ‬௜ଶ ‫ܣ‬௩ = ‫ܣ‬௩ = Ai, xi _diện tích tiết diện ngang khoảng cách đến trục trung hòa cột i 12 1 ‫ܩ‬ℎ ∑(‫ )ܫܧ‬+ ∑(‫ܫܧ‬/‫)ܮ‬ ௖ộ௧ ௗầ௠ 30 1 ℎ ∑ + ‫ܫ‬௖ộ௧ ∑(‫ܫ‬/‫)ܮ‬ௗầ௠ Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan Giả thiết G = 0.4E Ecột=Edầm= E 100 21/11/2014 Tính chuyển vị PP cột tương đương Xc (4 + + + 6) Xc = 4×30 + 6×50 + 6×90 Xc = 48ft (14.63 m) Khung Cột tương đương Vùng cứng nút khung Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy việc tính toán xem nút khung cứng tuyệt đối lấy chiều dài cấu kiện từ mép gối tới mép gối, cho độ cứng lớn thực tế; thực tế có biến dạng xảy vùng “cứng” Các phần mềm phân tích kết cấu cho phép dùng hệ số giảm độ cứng cho vùng nút (khi định nghĩa lengths of rigid offsets) Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 101 [...]... structures) gồm có các cột đặt gần nhau theo chu vi nhà, liên kết với nhau bởi các dầm có chiều cao lớn, gần như đáp ứng các các nguyên lý trên Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 19 21/11/2014 Mở đầu Gợi ý lựa chọn hệ thống kết cấu cho nhà cao tầng BTCT HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT • Sàn phẳng hai phương được đỡ bởi cột, không có dầm, chiều cao nhà thường không quá 10 tầng để bảo đảm chuyển vị ngang, ít được dùng trong... 21/11/2014 Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 18 21/11/2014 BÀI 3 CÁC HỆ THỐNG KẾT CẤU CHỊU TẢI TRỌNG NGANG Mở đầu Chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng: • Với tải trọng đứng: ngoài việc dùng vật liệu nhẹ thì khó có cách nào khác để giảm ảnh hưởng của tải trọng đứng • Với tải trọng ngang: có thể giảm ảnh hưởng của tải trọng ngang bằng cách áp dụng một số nguyên lý khi bố trí kết cấu: Để chịu tốt moment... Huu Anh Tuan amax ≤ 150 mm/s2 11 21/11/2014 BÀI 2 CÁC HỆ KẾT CẤU SÀN BTCT PHỔ BIẾN (ÔN TẬP) Tổng quan Chọn giải pháp ván khuôn đơn giản khi lắp dựng và tháo dỡ, có tính tái sử dụng cao Chọn giải pháp sàn hợp lý trong nhà cao tầng có vai trò quan trọng vì: • Mỗi sàn tiết kiệm được một ít thì cả công trình nhiều tầng có thể tiết kiệm rất đáng kể • Trọng lượng sàn có ảnh hưởng đến việc thiết kế các cấu. .. có độ dẻo cao hơn và do đó mức độ bị phá hoại do động đất có thể ít hơn Hệ khung có ưu điểm về mặt kiến trúc là thuận tiện bố trí không gian bên trong nhà cũng như các ô trống ở mặt ngoài nhà, vì không có các tường cứng chịu lực Hệ khung cứng thuần túy có thể dùng cho nhà cao đến 25 tầng Khi khung được kết hợp với vách cứng để tăng độ cứng ngang và giảm chuyển vị thì nhà có thể cao đến 50 tầng Độ cứng... có xu hướng tập trung ở một hay một số ít tầng, dễ dẫn đến cơ cấu sụp đổ Cần thiết kế cột khỏe-dầm yếu để có thể dàn trải biến dạng không đàn hồi ra nhiều tầng nhà Khi cột khỏe thì chuyển vị lệch tầng cũng có xu hướng phân bố đều đặn theo chiều cao nhà Nếu xét thêm tải trọng đứng thì cột phải gánh trọng lượng của các tầng bên trên trong khi dầm chỉ gánh một tầng thôi Do đó, cột bị phá hoại sẽ nguy hiểm... Nguyen Huu Anh Tuan 34 21/11/2014 BÓ ỐNG BUNDLED TUBE Kết hợp hai hay nhiều ống thành một bó để giảm hiệu ứng shear lag Công trình One Magnificent Mile ở Chicago có ba ống khung hình lục giác có chiều cao 57, 49 và 22 tầng BÓ ỐNG BUNDLED TUBE Sears Tower, Chicago, Illinois Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 35 21/11/2014 VÁCH XƯƠNG SỐNG SPINAL WALL SYSTEMS Đây là hệ kết cấu mới, thích hợp cho nhà siêu cao Các... tổ hợp phức tạp hơn của các vách phẳng, tùy vào yêu cầu bố trí thang máy và thang bộ LÕI CỨNG Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 29 21/11/2014 TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG Hệ thống vách kết hợp với khung cứng là dạng kết cấu được dùng phổ biến cho công trình cao 10÷50 tầng, và có thể cao tới 70÷80 tầng nếu dùng dầm có nách Hình vẽ sau đây minh họa mô hình cổ điển của sự tương tác vách-khung khi chịu tải trọng ngang... Khi kết hợp vách và khung, chúng sẽ tương tác với nhau để bảo đảm sự tương thích về chuyển vị ngang VÁCH KHUNG Tương tác vách-khung TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG • Do vách biến dạng giống công-xon nên nó khá cứng ở tầng dưới, chuyển vị lệch tầng tại đó sẽ nhỏ hơn phân nửa của tầng gần đỉnh nhà Chuyển vị của vách tăng rất nhanh ở các tầng trên cùng • Khung cứng thì lại có biến dạng cắt là chủ yếu, chuyển vị tầng. .. chuyển vị tầng phụ thuộc vào giá trị lực cắt tại tầng đó Mặc dù so với vách thì khung sẽ có chuyển vị lớn hơn ở tầng dưới và nhỏ hơn ở tầng trên, nhưng chuyển vị lệch tầng của nó thì lại phân bố khá đều theo chiều cao • Khi khung và vách kết hợp với nhau thông qua hệ thống sàn thì ứng suất cắt không đều sẽ phát sinh giữa khung và vách, hình thành nên một hệ kết cấu kinh tế hơn Sự tương tác này làm gia tăng... nếu: (i) vách cứng và khung có độ cứng không đổi suốt chiều cao nhà; hoặc (ii) nếu chúng có độ cứng thay đổi, thì độ cứng tương đối giữa vách và khung phải không thay đổi suốt chiều cao nhà Do trong thực tế việc bố trí kết cấu còn tùy thuộc vào kiến trúc nên các điều kiện (i) và (ii) thường không được thỏa mãn Lúc đó, có thể phân tích kết cấu trên máy tính để thấy được sự tương tác phức tạp giữa vách ... theo chiều cao không thích hợp lắm, ta xem nhà từ 14 tầng (50 m) trở lên cao tầng Ngoài nhà siêu cao (supertall) nhà cao 300m, nhà cực cao (megatall) nhà cao 600m [theo Ủy ban nhà cao tầng quốc...21/11/2014 Bài Tổng quan Bài Các hệ kết cấu sàn BTCT (ôn tập) Bài Các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang Bài Khái niệm động lực học kết cấu nhà nhiều tầng Bài Tải trọng tác động Tải trọng gió Bài Tác... định chiều cao, số tầng gọi cao tầng! Tương quan chiều cao nhà với công trình lân cận Một nhà 14 tầng không xem cao tầng thành phố với nhiều nhà chọc trời Chicago hay Hongkong, xem cao vùng ngoại