Báo cáo khoa học TẦNG CỨNG TRONG NHÀ CAO TẦNG

TẦNG CỨNG TRONG NHÀ CAO TẦNG NCS NGUYỄN HỒNG HẢI, PGS TS NGUYỄN XUÂN CHÍNH Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Cùng với phát triển công nghệ xây dựng, tòa nhà đại ngày trở nên cao hơn, mảnh hơn, vật liệu sử dụng nhẹ cường độ cao Kết phát triển dẫn đến việc tòa nhà nhạy cảm với kích thích động học tải trọng gió động đất Ngày nay, nhà cao tầng có sử dụng tầng cứng phổ biến giới Theo thống kê hiệp hội nhà cao tầng giới có đến 73% tòa nhà cao tầng xây dựng từ đầu năm 2000 đến có sử dụng tầng cứng kết hợp với lõi để chịu tải trọng ngang Vì lý này, báo tổng kết trình bày phương pháp bố trí, tính toán tầng cứng nhà cao tầng Đặt vấn đề Trong năm gần đây, nhà cao tầng , siêu cao tầng phát triển mạnh mẽ Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển dự án cao tầng siêu cao tầng lựa chọn tất yếu Ngoài ra, tập đoàn kinh tế lớn giới thường khẳng định tiềm lực kinh tế, tài thông qua việc đầu tư xây dựng tòa nhà có quy mô lớn, cao tầng, siêu cao tầng tháp Burj Khalifa Dubai, tòa nhà Tapei 101 Đài Loan, tháp đôi Petronas Tower Malaysia số công trình cao tầng khác Việt Nam nước phát triển, hệ thống sở hạ tầng chưa đồng bộ, dự án cao tầng, siêu cao tầng thách thức lĩnh vực kết cấu công nghệ xây dựng nước Điển hình cho dự án tòa nhà Bitexco Tower (68 tầng, cao 262m), Keangnam Hanoi Landmark Tower (70 tầng, cao 330m), phần lớn thiết kế, thi công, quản lý tổ chức công ty nước Các đơn vị nước thường đóng vai trò giúp đỡ thầu phụ Nguyên nhân kiến trúc sư kỹ sư Việt Nam chưa có hội tiếp xúc trải nghiệm giải pháp kết cấu đại, tiên tiến cho nhà siêu cao tầng được, trí phát triển giới Sự phát triển công nghệ xây dựng tạo nhiều thách thức cho môn khoa học kết cấu công trình Các tòa nhà cao tầng ngày mảnh hơn, cường độ vật liệu ngày cao Đặc biệt, việc sử dụng tầng cứng cho nhà siêu cao tầng ngày phổ biến Theo thống kê 73% tòa nhà siêu cao tầng giới xây dựng từ năm 2000 trở lại sử dụng hệ lõi tầng cứng để chịu tải trọng ngang (CTBUH [1]) Với lý trên, báo phân tích làm việc nhà cao tầng có tầng cứng, tác dụng việc tăng cứng cho công trình làm giảm chuyển vị ngang đỉnh công trình Cơ chế làm việc tầng cứng Tầng cứng nhà cao tầng thông thường thiết kế hệ dầm ngang, cứng (thường gọi dầm cứng) hay tầng cứng kết nối lõi với tường cột phía (hình 1) Theo đó, lõi thường bố trí cột dầm cứng phát triển hướng để liên kết lõi cột Tầng cứng (Outrigger) Belt Truss (dàn đai biên) Or Panel Column (cột) Core Element (lõi) Hình Hệ kết cấu bố trí tầng cứng Chú thích: Trong báo nhà cao tầng siêu cao tầng hiểu theo phân loại Taranath (2010): (i) Nhà cao tầng (tall building) cao 100 m, (ii) Nhà siêu cao tầng (super-tall building) có chiều cao 300 m, (iii) nhà cực cao (ultra-tall building) nhà có chiều cao 500 m Khi có tải trọng ngang tác dụng vào công trình, cột liên kết với tầng cứng ngăn cản góc xoay lõi làm giảm đáng kể chuyển vị ngang đỉnh lõi so với trường hợp lõi đứng tự Nguyên lý làm việc hệ thống sử dụng lõi để chịu hầu hết tải trọng ngang, đồng thời phân khả chịu cắt theo phương đứng từ lõi cột thông qua cánh đòn tầng cứng Những dầm cứng phát triển dàn đai biên (belt truss) cho phép cột biên tham gia vào chịu mômen lật Do đó, tải trọng ngang tác động lên công trình, tầng cứng, cột biên kết hợp với đai biên ngăn cản góc xoay làm giảm chuyển vị theo phương ngang kết cấu Hệ tầng cứng nhà cao tầng làm tăng độ cứng công trình so với hệ kết cấu không dùng tầng cứng Tầng cứng đóng vai trò quan trọng việc kết nối lõi cột chịu lực Hệ thống có tác dụng hạn chế khác việc co ngắn lại cột lõi tác động môi trường lực dọc gây Hình mô tả làm việc tầng cứng nhà cao tầng tác động tải trọng ngang (Lõi kết cấu) (Lõi tự do) (tầng cứng) (kéo)) (cột) (nén)) (mô men lõi tự do) (mô men có dầm cứng) Hình (a) Tầng cứng nhà cao tầng, (b) Phản ứng công trình, (c) Mô men lõi (Smith Salim [4]) Cơ chế làm việc rằng, làm việc hệ kết cấu phụ thuộc vào số lượng tầng cứng đai biên (belt truss) Vì vậy, vị trí tầng cứng bố trí nhà cao tầng ảnh hưởng lớn đến làm việc tổng thể tòa nhà Ngoài ra, giá trị việc làm giảm chuyển vị mô men lõi phụ thuộc vào quan hệ tương đối độ cứng lõi cột tính theo phương đứng trọng tâm lõi (Smith Salim [4]) Vị trí tầng cứng Vị trí tầng cứng có ảnh hưởng lớn đến làm việc nhà cao tầng Có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng vị trí tầng cứng hệ kết cấu 3.1 Nhà cao tầng có tầng cứng Đối với nhà cao tầng có tầng cứng, dựa giả thiết sau đây: - Tầng cứng liên kết ngàm với lõi; - Lõi liên kết ngàm với cột; - Bỏ qua ảnh hưởng lực kéo; - Đặc trưng mặt cắt lõi, cột dầm cứng không thay đổi toàn chiều cao công trình; - Kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính Taranath [6] đưa công thức xác định vị trí tầng cứng tối ưu là: (1) đó: w - tải trọng gió tác dụng lên công trình theo chiều cao; M x - mô men vị trí x (vị trí tầng cứng); I - mô men quán tính lõi; E - mođun đàn hồi lõi; K x - độ cứng đàn hồi vị trí x xác định sau: (2)  - chiều cao công trình; d - khoảng cách cột ngoài; A - diện tích tiết diện cột biên Chuyển vị đỉnh công trình (Δ) xác định theo công thức sau: (3) Từ công thức (3) lấy đạo hàm theo x xác định vị trí có Δ nhỏ x = 0,445  3.2 Nhà cao tầng có tầng cứng McNabb Muvdi [3] nghiên cứu làm việc nhà cao tầng có tầng cứng với mục đích tìm vị trí tầng cứng tối ưu cho chuyển vị đỉnh công trình nhỏ Kết nghiên cứu nhà khoa học cho thấy vị trí tối ưu tầng cứng 0,312 0,685 chiều cao nhà tính từ đỉnh công trình Cũng theo kết nghiên cứu tác giả chuyển vị đỉnh độ lệch tầng phụ thuộc vào đặc trưng lõi, khoảng cách đặc trưng cột 3.3 Nhà cao tầng có nhiều tầng cứng Đối với nhà cao tầng có nhiều tầng cứng (n tầng cứng), làm việc kết cấu phụ thuộc vào tỉ số độ cứng lõi – cột, lõi – tầng cứng, số lượng tầng cứng vị trí tầng cứng Tuy nhiên, theo kết nghiên cứu Smith Salim [4] cho thấy, nhà có nhiều tầng cứng chuyển vị ngang giảm Mặc dù vậy, nhà cao tầng có đến tầng cứng xem tối đa thích hợp, với số tầng cứng tác dụng thấp Một cách tổng quát, tầng cứng nên thiết kế vị trí: x λ /(n+1), x λ /(n+1), n x λ /(n+1) Sự làm việc nhà cao tầng có tầng cứng Tầng cứng nhà cao tầng làm tăng độ cứng chống uốn hệ kết cấu cách hiệu Smith Coull [5] đưa phương pháp phân tích làm việc kết cấu có tầng cứng Dựa theo giả thuyết cân góc xoay lõi vị trí có tầng cứng góc xoay tương ứng tầng cứng Dưới số giả thiết phương pháp này: - Kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính; - Chỉ có lực dọc tác dụng vào cột; - Tầng cứng liên kết ngàm với lõi khớp với cột; - Đặc trưng mặt cắt lõi, cột dầm cứng không thay đổi toàn chiều cao công trình; - Chỉ mô men uốn xét đến với lõi dầm cứng Ảnh hưởng lực cắt bỏ qua (Lõi tường chịu lực) (Chiều cao kết cấu) (Tầng cứng) (Kết cấu với tầng cứng) (Biểu đồ mô men uốn) Hình Cơ chế làm việc nhà cao tầng có tầng cứng (Smith Coull [5]) Góc xoay lõi vị trí là: (4) (5) Góc xoay dầm cứng vị trí là: (6) (7) Đồng công thức (4) với (6), (5) (7) dẫn đến phương trình sau: Đối với góc xoay 1: (8) Đối với góc xoay 2: (9) Đặt: (10) (11) Viết lại công thức (8), (9) ta được: (12) (13) Từ công thức (12) (13) tìm được: (14) (15) Một cách tổng quát, mô men lõi vị trí x xác định sau: (16) Trong đó, tính x > x1 , M2 tính x  x Từ kết trên, chuyển vị đỉnh lõi (Δ) xác định nhờ vào biểu đồ mô men lõi xác định sau: (17) Sự làm việc nhà cao tầng có nhiều tầng cứng Smith Coull [5] đưa công thức tổng quát xác định giá trị mô men cản vị trí tầng cứng theo ma trận sau: (18) Nhận xét: Chuyển vị ngang công trình cao tầng tác động tải trọng ngang (gió, động đất) ảnh hưởng lớn đến làm việc hệ kết cấu Việc sử dụng hệ kết cấu lõi-tường-cột kết hợp chịu lực phù hợp với công trình có độ cao vừa phải (theo số tài liệu tổng kết kinh nghiệm < 45 tầng) Thực tế giới việc sử dụng tầng cứng trở thành phổ biến Ở Việt Nam, khu phức hợp Keangnam Hanoi Landmark Tower thành công việc áp dụng tầng cứng tòa Khách sạn 70 tầng (2 tầng cứng) tòa Chung cư 48 tầng (1 tầng cứng) Trong năm tới, nước ta xây dựng nhiều công trình cao tầng Với đặc điểm khí hậu điều kiện đất Việt Nam, cần có nghiên cứu làm việc hiệu việc sử dụng tầng cứng nhà cao tầng TÀI LIỆU THAM KHẢO CTBUH, Case study – Shanghai tower The Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 2010 HERATH N, HARITOS N, T NGO & P MENDIS Behaviour of outrigger beam in high rise buildings under eathquake loads Australian Earthquake Engineering Society 2009 Conference, 2009 MCNABB, J W and MUVDI, B B Drift reduction factors for belted high rise structures, 1975 SMITH, S B and SALIM, I Parameter study of outrigger braced tall buiding structures, 1981 SMITH, S B and COULL, A Tall building structures: Analysis and Design, 1991 TARANATH, B S Optimum belt truss locations for high rise structures The structural engineer, 53, 345-348, 1975 WU J R and LI* Q S, Structural performence of multi-outrigger braced tall buildings  ... tầng có nhiều tầng cứng Đối với nhà cao tầng có nhiều tầng cứng (n tầng cứng) , làm việc kết cấu phụ thuộc vào tỉ số độ cứng lõi – cột, lõi – tầng cứng, số lượng tầng cứng vị trí tầng cứng Tuy nhiên,... 3.2 Nhà cao tầng có tầng cứng McNabb Muvdi [3] nghiên cứu làm việc nhà cao tầng có tầng cứng với mục đích tìm vị trí tầng cứng tối ưu cho chuyển vị đỉnh công trình nhỏ Kết nghiên cứu nhà khoa học. .. làm việc tầng cứng nhà cao tầng tác động tải trọng ngang (Lõi kết cấu) (Lõi tự do) (tầng cứng) (kéo)) (cột) (nén)) (mô men lõi tự do) (mô men có dầm cứng) Hình (a) Tầng cứng nhà cao tầng, (b)