nghiên cứu các phương pháp tính toán vách cứng nhà cao tầng

Từ lâu, vách phẳng hay vách cứng đã được sử dụng trong hầu hết các thiết kế kết cấu nhà cao tầng.. Tuy nhiên, việc tính toán cốt thép cho hệ vách vẫn chưa được đề cập cụ thể trong Tiêu c

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

MÃ SỐ: SV02 - 2008

S 0 9

S KC 0 0 2 2 9 0

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

MÃ SỐ: SV02-2008

THUỘC NHÓM NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI CHỦ TRÌ : NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051

NGƯỜI THAM GIA : PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

ĐƠN VỊ : KHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG

TP HỒ CHÍ MINH – 12/2008

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III NỘI DUNG

1 Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi

2 Phương pháp giả thuyết vùng biên chịu moment

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

1 Tính khoa học

2 Khả năng triển khai vào thực tế

3 Hiệu quả kinh tế xã hội

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Những năm gần đây, nhà cao tầng đã và đang phát triển nhanh và mạnh ở Việt Nam nói chung và ở tại các đô thị lớn tại Việt Nam nói riêng Các đô thị lớn như Hà Nội và Thành Phố Hồ Chí Minh luôn là điểm đến của nhà cao tầng Điển hình tại TP HCM hàng loạts dự án chung cư và cao ốc văn phòng đang mọc lên như “nấm” không chỉ các Quận nội thành như Quận 1 gồm : Saigon Pearl, Deawon, Riverside, FIDECO, các quận dân cư như Quận 7 với các cao ốc kêt hợp văn phòng, chung cư, khu thương mại và cả các dịch vụ như Ngân Hàng, Y tế < Giáo dục Lấn ra các quận ven như Quận 9, Thủ Đức ta thấy ngay dự án RICH LAND HILL chủ đầu tư là ĐôngÁ Bank với các khối chung cư cao cấp và đa dụng

Với nhu cầu nhà cao tầng ngày càng lớn như vậy đang đặt ra cho những kỹ sư kết cấu những vấn đề chịu lực và độ an toàn khi chịu các tải trọng ngang rất lớn mà các nhà thấp tầng ta thường ít quan tâm hoặc bỏ qua đó là các tải gió hay tải động đất

Từ lâu, vách phẳng hay vách cứng đã được sử dụng trong hầu hết các thiết kế kết cấu nhà cao tầng Vách cứng kết hợp với hệ khung hoặc kết hợp với nhau tạo nên

hệ chịu lực cho kết cấu cao tầng

Tuy nhiên, việc tính toán cốt thép cho hệ vách vẫn chưa được đề cập cụ thể trong Tiêu chuẩn thiết kế của nước ta

Trong đề tài “Nghiên cứu các phương pháp tính toán vách cứng nhà cao tầng”

chúng tôi sẽ tìm hiểu và trình bày ba phương pháp thiết kế vách thường gặp và các ví

dụ tính toán cụ thể cho từng phương pháp

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tình hình nghiên cứu về vách cứng

Vách cứng hiện nay được sử dụng phổ biến và đa số sử dụng linh hoạt các phương pháp tính toán của nước ngoài như ACI-318 ( American Code Institude ) của Hoa Kỳ hoặc của các nhà kết cấu trong nước như của KS Nguyễn Tấn Trung và Thạc

sỹ Võ Mạnh Hùng

Hiện nay vẫn chưa chính thức có tiêu chuẩn thiết kế tính toán vách ở nước ta, các công trình nghiên cứu về vách vẫn chưa nhiều Ta có thể dễ dàng tìm thấy trên mạng Internet các diễn đàn kết cấu bàn luận rất sôi nổi chủ đề vách cứng nhà cao tầng, điển hình là trang web khá nổi tiếng và uy tín www.ketcau.com Tại đây ta dễ dàng tìm thấy thông tin cả lý thuyết lẫn thực tế của các kỹ sư, nhưng vẫn chưa có nhà nghiên cứu nào tổng hợp lại và đưa ra phương pháp rõ ràng và tổng quát

2 Tình hình nghiên cứu quốc tế

Nghiên cứu khoa học nói chung

Nghiên cứu khoa học tại các quốc gia trên thế giới rất mạnh đặc biệt là ở các nước phát triển Có thể thấy thêm ở nền giáo dục Bắc Mỹ ( Hoa Kỳ, Canada), nền giáo dục tại các nước Common Wealth (Úc, New Zealand ) Hiện tại số du học sinh tại các nước này của các nước trong đó có Việt Nam đã và đang tăng rất nhanh Đầu tư cho giáo dục nói chung và cho nghiên cứu khoa học

Nghiên cứu khoa học về vách cứng nói riêng

Tại các quốc gia vách cứng được nghiên cứu khá nhiều điển hình là tại Mỹ vách cứng được nghiên cứu tính toán dựa theo tiêu chuẩn ACI-318

Tại Nga có các nhà nghiên cứu từ lâu cũng đã nghiên cứu về vách cứng, tuy chưa đưa ra giải pháp thiết kế cốt thép nhưng cũng đã góp phần làm sáng tỏ về nội lực

và trạng thái làm việc của vách

Trong quá trình tìm hiểu chúng tôi có tìm thấy một tài liệu tính vách của tác giả

D Fanella (file đính kèm)

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

Vách cứng tuy hiện nay đã và đang được nghiên cứu nhưng việc áp dụng vào thực tế vẫn còn nhiều vấn đề cần quan tâm Với các công trình có nhu cầu sử dụng, với các dạng kết cấu khác nhau, tính chất đối xứng hoặc không đối xứng, thì việc áp dụng vách vào như một thành phần kết cấu chịu lực ngang cho công trình cần được thực hiện linh hoạt

Các công trình cao tầng hiện nay đôi khi lạm dụng vách cứng mặc dù nhu cầu

về chịu lực không lớn nhưng vẫn cứ sử dụng thêm vách cứng Đặc biệt tại vị trí lõi thang máy hoặc thang bộ, ta dễ dàng thấy các vách cứng được sử dụng mặc dù công trình có sô tầng không cao quá cao và vị trí công trình không nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng lớn của các tải ngang lớn như gió và động đất

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

 Nắm được các phương pháp tính toán vách cứng nhà cao tầng

 So sách các ưu và nhược điểm của các phương pháp

 Thiết kế được 1 vách cứng đơn giản

 Ứng dụng các kiến thức về vách cứng để tính toán thiết kế vách cứng

cho nhà cao tầng

 Đây là đề tài thuộc chuyên ngành kĩ thuật, ở mức độ đề tài sinh viên chúng tôi chủ yếu sử dụng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết là chính

 Tổ hợp các thao tác tư duy logic dựa trên các tài liệu lý thuyết như

văn bản, tài liệu đã được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau

 Từ nguồn kiến thức đã có tiến hành tính toán ví dụ để tìm ra phương

+ Thông tin đại chúng: báo chí, bản tin, báo điện tử…

2 Phân loại và hệ thống hóa lý thuyết

 Trên cơ sở phân tích lý thuyết tiến tới tổng hợp ta tiến hành phân loại

các lý thuyết

 Việc phân loại các lý thuyết rõ ràng theo từng chủ đề giúp ta thấy được toàn diện về vấn đề nghiên cứu

III NỘI DUNG:

Có nhiều phương pháp tính kết cấu cho vách phẳng bê tông cốt thép Trong báo cáo này trình bày ba phương pháp sau đây:

1 Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi

Phương pháp ứng suất đàn hồi được xem là phương pháp đơn giản và dễ sử dụng nhất vì tính an toàn cao, tính toán không phức tạp Với các công trình không đòi hỏi về kết cấu thì ta có thể áp dụng phương pháp này để tính toán

A Mô hình : Phương pháp này chia vách thành những phần tử nhỏ chịu lực kéo hoặc nén đúng tâm, coi như ứng suất phân bố đều trong mỗi phần tử Tính toán cốt thép cho tổng phần tử Thực chất là coi vách như những cột nhỏ chịu kéo hoặc nén đúng tâm

Các giả thiết cơ bản:

xL

a

Hình: Minh họa cách chia phần tử

- Bước 3: tính lực dọc tác dụng vào mỗi phần tử do lực dọc N và mômen trong mặt phẳng M

x gây ra:

i i

x

y

M n

- Bước 4: tính diện tích cốt thép chịu kéo, nén

- Bước 5: kiểm tra hàm lượng cốt thép Nếu A

sc < 0: đặt cốt thép chịu nén theo cấu tạo

- Phương pháp này đơn giản, có thể áp dụng để tính toán đối với vách phẳng

2 Phương pháp giả thuyết vùng biên chịu moment

Vách là một trong những kết ấu chịu lực quan trong trong nhà nhiều tầng Tuy nhiên vịêc tính toán cốt thép vẫn chưa được đề cập cụ thể trong tiêu chuẩn thiết kế của

Việt Nam.Vì vậy trong phạm vi đồ án này em sử dụng phương pháp “giả thiết vùng

biên chịu môment” để tính toán cốt thép cho vách cứng

a Mô hình:

- Thông thường, các vách cứng dạng công xôn phải chịu tổ hợp nội lực sau: N,

Mx, My, Qx, Qy Do vách cứng được bố trí trên mặt bằng chỉ để chịu tải trọng ngang tác động song song với mặt phẳng của nó là chủ yếu nên bỏ qua khả năng chịu môment ngoài mặt phẳng Mx và lực cắt theo phương vuông góc với mặt phẳng Qy, chỉ xét tổ

hợp nội lực gồm: N, My, Qx

L

tw

My Qx

b Các giả thiết cơ bản:

- Ứng lực kéo do cốt thép chịu Ứng lực nén do bêtông và cốt thép chịu

- Xét vách cứng chịu tải trọng NZ, MY biểu đồ ứng suất tại các điểm trên mặt cắt ngang của vách cứng

k M,N



 M,N k

 M,N n n

M,N



n M



 M n Ứng suất trong vách do lực dọc Mặt cắt & mặt đứng vách

My

N

Pr Pl

n N

-Bước 2: Xác định lực kéo hoặc nén trong vùng biên

-Bước 3: Tính diện tích cốt thép chịu kéo, nén

+Tính tốn cốt thép cho vùng biên nhƣ cột chịu kéo - nén đúng tâm Khả năng chịu lực của cột chịu kéo – nén đúng tâm đƣợc xác định theo cơng thức:

) (R n F b R a F a

P 

Trong đó:

Rn, Ra: Cường độ tính toán chịu nén của BT và của cốt thép

Fb, Fa: diện tích tiết diện BT vùng biên và của cốt thép dọc 1

 : hệ số giảm khả năng chịu lực do uốn dọc (hệ số uốn dọc) Xác định  theo công thức thực nghiệm, chỉ dùng được khi:

l i

 : độ mảnh của cột Với

lo: chiều dài tính toán của cột

imin: bán kính quán tính của tiết diện theo phương mảnh

=> imin= 0.288b Khi  14: bỏ qua ảnh hưởng của uốn dọc, lấy =1

Từ công thức trên ta suy ra diện tích cốt thép chịu nén :

a

b n n

a

R

F R P F

R

P

F  

-Bước 4: Kiểm tra hàm lượng cốt thép

Nếu không thỏa thì phải tăng kích thước B của vùng biên lên rồi tính lại từ bước

Thép cấu tạo cho vách cứng trong vùng động đất trung bình

+ Cốt thép đứng: hàm lượng 0.6(%)    3.5(%)

+ Cốt thép ngang: hàm lượng   0.4(%) nhưng không chọn ít hơn 1/3 hàm lượng của cốt thép dọc

-Bước 5: Kiểm tra phần tường còn lại như cấu kiện chịu nén đúng tâm Trường

hợp bê tông đã đủ khả năng chịu lực thì cốt thép chịu nén trong vùng này được đặt theo cấu tạo

-Bước 6: Tính cốt thép ngang

+Tại tiết diện bất kỳ của vách, phải gia gia cường thép đai ở hai đầu vách

Do ứng suất cục bộ (ứng suất tiếp và ứng suất pháp theo phương nằm trong mặt phẳng)

thường phát sinh tại hai đầu của vách (vị trí truyền lực sẽ lớn nhất, sau đó lan tỏa)

+Tính toán cốt đai cho vách tương tự như tính toán cốt đai cho dầm

+ Kiểm tra điều kiện hạn chế:

Bê tông không bị phá hoại do ứng suất nén chính:

Qmax ≤ Qo = ko.Rn.b.ho (1) (với k0 = 0.35)

Khả năng chịu cắt của bêtông:

Qmax ≤ Q1 = k1.Rk.b.ho (2) (với k1 = 0.8) Nếu thoả cả hai điều kiện (1) và (2) thì chỉ cần đặt cốt đai theo cấu tạo

+ Điều kiện chiều dài bước đai:

Q

bh R nf R u

d ad

tt 



Q

bh R u

+Bố trí cốt thép cần phải tuân thủ theo “TCXD 198:1997” như sau:

-Phải đặt hai lớp lưới thép Đường kính cốt thép chọn không nhỏ hơn 10

mm và không hơn 0.1b Hai lớp lưới thép này phải được liên kết với nhau bằng móc đai hình chữ C với mật độ 4 móc/1m2

-Hàm lượng cốt thép đứng chọn 0.6(%)    3.5(%)(đối với động đất trung bình mạnh )

-Cốt thép nằm ngang chọn không ít hơn 1/3 lượng cốt thép dọc với hàm lượng  0.4% ( đối với động đất trung bình và mạnh ).Ta dùng đai 10, 2 nhánh (n = 2)

-Chiều dài nối buộc của cốt thép lấy bằng 1.5lo đối với động đất yếu, ( đối với động đất trung bình và mạnh 2lo) Trong đó lo là chiều dài neo tiêu chuẩn đối với trường hợp không có động đất Các điểm nối thép phải so le

-Cần có biện pháp tăng cường tiết diện ở khu vực biên các vách cứng -Tại các góc liên kết các vách cứng với nhau phải bố trí các đai liên kết

Do moment có thể đổi chiều nên cốt thép vùng biên Fa = max ( én éo

,

F F ); cốt thép vùng giữa Fa’

3 Phương pháp biểu đồ tương tác

1 Khái niệm về biểu đồ tương tác

- Tương tác ở đây là tương tác giữa khả năng chịu moment uốn M và khả năng chịu lực nén N

- Với một tiết diện có cốt thép đã biết biểu đồ tương tác thể hiện toàn bộ khả năng chịu lực của nó ứng với mọi giá trị M và N

2 Công thức tính toán cơ bản:

- Với sơ đồ ứng suất ta có hai phương trình:

+ Lập công thức hình chiếu:

N = Rbbx + ∑iAi

+ Công thức moment:

M* = Ne0 = 0.5 Rbbx(h – x) + ∑iAiyi

Sơ đồ ứng suất, biến dạng và tiết diện đặt cốt thép đối xứng

- Tiêu chuẩn TCXNVN 356 – 2005 đƣa ra công thức thực nghiệm để xác định i

:



i

 Ứng suất kéo

: 0



i

 Ứng suất nén

s i

 : Ứng suất giới hạn của vùng cốt thép chịu nén tùy theo loại tải trọng mà

u sc,

 có các giá trị khác nhau.( Phụ lục 1 – Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép

– GS Nguyễn Đình Cống.)

b

R

008.0

- Khi đã biết kích thước tiết diện và cốt thép của cấu kiện ta lập biêu đồ bằng cách cho x thay đổi, ban đầu lấy x=0.1h rồi tăng dần từng cấp cho đến khi x = h

- Với mỗi giá trị của x tìm được một cặp N, M* Với X khá bé có thể tính được N <

0, ứng với trường hợp kéo lệch tâm, không dung các giá trị đó Chỉ lấy số liệu để

-Cường độ bê tông, cốt thép: Rb(MPa), Rs(MPa)

-Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép lớp ngoài cùng đến mép bê tông bảo vệ

ngoài cùng: a(mm)

+ Tính diện tích cốt thép ở từng vị trí (từng lớp): A1, A2,… An.(mm2)

+ Xác định trọng tâm các lớp cốt thép đến trọng tâm tiết diện: yi(mm)

yi > 0: Khi cốt thép ở khác phía với lực nén N

yi <0: Khi cốt thép ở cùng phía với lực nén N.(so với trọng tâm tiết diện)

+ Tính x: Chiều cao vùng nén qui đổi(mm) Ban đầu lấy x=0.1h rồi tăng dần từng cấp cho đến khi x = h

+ Tính

oi i

2 ,

m kN

spi u

+ Tính thêm hai gía trị ứng với:

* Với M* = 0: N0 (R n F b R'a A st) Lấy giá trị của N không quá N0

* Với N = 0 => M*

+ Lập bảng để vẽ biểu đồ tương tác gồm hai giá trị là: N và M*

VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHO TỪNG PHƯƠNG PHÁP

PHƯƠNG PHÁP 1

Vật liệu thiết kế:

* Bê tông:

- Toàn bộ công trình sử dụng bê tông mác

300, với các chỉ tiêu như sau:

+ Khối lượng riêng  : 25 kN/m3

+ Cường độ chịu nén Rn: 13 MPa

+ Cường độ chịu kéo Rk: 1 MPa

+ Môđun đàn hồi Eb: 2.9x104 MPa

* Cốt thép:

- Sử dụng hai loại thép CII với các chỉ tiêu:

- Thép CII:

+ Cường độ chịu nén Ra: 260 MPa

+ Cường độ chịu kéo R’a: 260 MPa

+ Cường độ tính cốt ngang Rađ: 210 MPa

Vách có kích thước:

tw = 300mm

L = 7200mm Kết quả nội lực vách được xuất từ Etabs với vách được gán các dạng phần tử Pier

(kN)

V2 (kN)

V3 (kN)

T (kNm)

M2 (kNm)

M3 (kNm)

Bước 1: Chia vách thành những phần nhỏ như hình vẽ

a

N

R F F

R

 

Khi P < 0 (chịu kéo), do giả thiết ban đầu: ứng lực kéo do cốt thép chịu nên diện tích cốt thép chịu kéo đƣợc tính theo công thức sau:

k a a

N F R

Lực dọc

N (kN)

Moment M3 (kNm)

(KN)

Kéo (KN)

Bước 3: Bố trí cốt thép cho vách, bố trí đối xứng theo tiêu chuẩn TCXD198-1997-Nhà cao

tầng - Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối

(x10 -4 m 2 )

Fa (x10 -4 m 2 )

Tổng Fa (x10 -4 m 2 ) μ%

PHƯƠNG PHÁP 2

2 VÍ DỤ TÍNH TOÁN:

- Ta lấy lại dề bài của thí dụ 1 để tính toán bằng phương pháp này

- Vách có kích thước bề rộng: tw = 300mm; chiều dài vách: L = 7200mm chạy từ tầng hầm đến tầng mái

- Diện tích tiết diện vách: F = 0.37.2= 2.16m2

- Kết quả nội lực vách được xuất từ Etabs với vách được gán các dạng phần tử Pier

(kN)

V2 (kN)

V3 (kN)

T (kNm)

M2 (kNm)

M3 (kNm)

N n

P F

M

M P

Pkéo= PN - PM = -1725.2kN

- Tính toán cốt thép cho vùng biên nhƣ cột chịu kéo – nén đúng tâm:

Bán kính quán tính tiết diện: imin= 0.2880.3=0.0864m Chiều dài tính toán: l0= 0.7l = 0.73= 2.1m

Độ mảnh của cột: = 4 31

0.0864

2.1 min

- Ta có 14  24.31 104  Phải kể đến sự giảm khả năng chịu lực do uốn dọc

- Tính  theo công thức thực nghiệm

2 1.028 0.0000288 0.0016

k a a

* Kiểm tra vùng giữa:

- Chiều dài vùng giữa: L = h - 2B = 7.2 – 2x1 = 5.2m

- Vì Ng > Nn : Vùng giữa đặt theo cấu tạo

Để đảm bảo hàm lƣợng cốt thép trong toàn vách ta chọn thép cấu tạo vùng giữa của vách là: