BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC K I ẾN TRÚC HÀ NỘI ---TRẦN VI ỆT VƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU PHẦN THÂN NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ VÀ ĐỘN
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC K I ẾN TRÚC HÀ NỘI
-TRẦN VI ỆT VƯƠNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU PHẦN THÂN NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ VÀ ĐỘNG ĐẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 20 5
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC K I ẾN TRÚC HÀ NỘI
-TRẦN VIỆT VƯƠNG Khóa 2013 - 2015
NGHIấN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU PH T CẤU PH ẦN THÂN NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG GIể VÀ ĐỘNG ỘNG ĐẤT
Chuyờn ngành: Kỹ h ật xõy dựn cụng rỡnh dõn dụng và cụng n hiệp
Mó số:60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CễNG TRèNH DÂN DỤNG VÀ CễNG NGHIỆP
Người hướng dẫn khoa học PGS.Ts lê thanh huấn
Hà Nội - 201
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, dưới sự giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, ban chủ nhiệm sau đại học khoa Cao học, được sự cố vấn và hướng dẫn nhiệt tình của thầy hướng dẫn khoa học, sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành bản luận văn tốt
nghiệp với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tầng hầm đến kết cấu phần
thân nhà cao tầng chịu tải trọng gió và động đất ”
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong ban lãnh đạo nhà trường, lãnh đạo khoa sau đại học khoa Cao học, cùng tập thể các thầy cô giáo, cán bộ nhân viên của trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội và các đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc về sự chỉ bảo tận
tình, định hướng các phương pháp nghiện cứu của PGS.TS Lê Thanh Huấn
Chân thành cảm ơn về sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp!
Hà nội, ngày tháng năm 2015
Trần Việt Vương
Học viên lớp CH2013X1
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và
có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trần Việt Vương
Trang 5MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ
Trang
MỞ ĐẦU 1
Lý do chọn đề tài 1
Mục đích nghiên cứu 1
Đối tượng nghiên cứu 2
Phạm vi nghiên cứu 2
Phương pháp nghiên cứu 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG HẦM 4
1.1 Tầm quan trọng của tầng hầm nhà cao tầng 4
1.2 Tình hình phát triển nhà cao tầng có tầng hầm trong và ngoài nước 5
1.2.1 Tình hình phát triển nhà cao tầng có tầng hầm trên thế giới 5
1.2.2 Tình hình phát triển nhà cao tầng có tầng hầm tại Việt Nam 6
1.3 Một số ví dụ nhà cao tầng có tầng hầm 7
1.3.1 Ví dụ nhà cao tầng có 1 tầng hầm (Có hình ảnh minh họa) 7
1.3.2 Ví dụ nhà cao tầng có từ 2 đến 5 tầng hầm (Có hình ảnh minh họa) 12
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ, ĐỘNG ĐẤT DÙNG TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG 18
2.1 Các loại tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng 18
2.1.1 Tải trọng gió (Theo TCVN 2737-2006) 18
Trang 62.1.2 Tải trọng động đất 24
2.1.3 Các căn cứ ảnh hưởng đến tính toán động đất 29
2.2 Các phương pháp tính toán nhà cao tầng 30
2.2.1 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 30
2.2.2 Phương pháp phổ phản ứng 42
2.2.3 Phương pháp lực cắt đáy 44
2.3 Xác định tải trọng nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng có từ 1 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất 46
2.3.1 Tính toán áp lực đất 50
2.3.2 Đưa áp lực đất tác dụng lên vách tầng hầm trong chương trình Sap2000 51
2.3.3 Tính toán khung không gian 53
2.3.4 Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương tính toán 53
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG KHÔNG CÓ TẦNG HẦM VÀ NHÀ CAO TẦNG CÓ TẦNG HẦM CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ, ĐỘNG ĐẤT 55
3.1 Ví dụ tính toán nhà cao tầng không có tầng hầm 55
3.2 Ví dụ tính toán nhà cao tầng có 1 tầng hầm 64
3.3 Ví dụ tính toán nhà cao tầng có 3 tầng hầm 75
3.4 So sánh kết quả tính toán, nhận xét nhà không có tầng hầm với nhà có một tầng hầm, với nhà có ba tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất…… 86
KẾT LUẬN 94
KIẾN NGHỊ 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96
Trang 7DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
A Diện tích tiết diện ngang của cấu kiện
E Mô đun đàn hồi
J Mô men quán tính
G Mô đun cắt
v Hệ số poisson của môi trường
Mật độ môi trường
g Gia tốc trọng trường
Tc Giới hạn trên chu kỳ lặp, ở nhánh nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc
H Chiều cao nhà kể từ mặt móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới
T Chu kỳ dao động cơ bản của công trình do dịch chuyển ngang
Hệ số hiệu chỉnh
m Tổng khối lượng của nhà và công trình ở trên móng hoặc phía trên đỉnh phần cứng
Fi Lực ngang tác dụng tại tầng thứ i
Fb Lực cắt đáy
si, sj Chuyển vị của khối lượng mi mj trong dạng dao động cơ bản
zi, zj Độ cao của khối lượng mi mj so với điểm đặt tác động động đất
(mặt móng hoặc đỉnh của tầng cứng phía dưới)
∑Gki Tổng tĩnh tải tác dụng lên công trình
∑Qk,i Tổng hoạt tải tác dụng lên công trình
công trình trong thời gian xảy ra động đất
φ Hệ số lấy theo bảng 2.5
ag Gia tốc nền thiết kế trên loại A
agr Gia tốc nền lớn nhất tham chiếu trên đất nền loại A
Trang 8 Hệ số tầm quan trong
q Hệ số ứng xử
Hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế theo phương ngang
TB Giới hạn của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc
TC Giới hạn trên của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc
TD Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển
không đổi trong phổ phản ứng
S Hệ số nền
q0 Giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu
và tính đều đặn của nó theo mặt đứng
kw Hệ số phản ánh dạng phá hoại phổ biến trong hệ kết cấu có
tường chịu lực
hwi Chiều cao tường thứ i
lwi Chiều dài của tường thứ i
eai Độ lệch tâm ngẫu nhiên của khối lượng tầng i khỏi vị trí
danh nghĩa của nó trong cùng một hướng ở tất cả các sàn
L1 Kích thước sàn theo phương vuông góc với hướng tác động động đất
x Khoảng cách từ cấu kiện đang xét đến tâm khối lượng của nhà
trong mặt bằng theo phương pháp vuông góc với phương tác động động đất đang xét
Le Khoảng cách giữa hai cấu kiện chịu tải ngang ở xa nhau nhất,
theo phương vuông góc với phương tác động động đất đang xét
Sd(Ti) Phổ thiết kế tính bằng cách thay chu kỳ dao động T bằng Ti,
i là dạng dao động thứ i tương ứng theo phương đang xét
Mxi Khối lượng hữu hiệu theo phương đang xét (ví dụ phương x),
tương ứng với dao động thứ i
Trang 9n Số lượng tầng của nhà
Sij Giá trị chuyển vị theo phương đang xét (phương x) trên mặt
bằng tại điểm đặt khối lượng thứ j của dạng dao động thứ i
Mj Khối lượng tập trung tại tầng thứ j của công trình
j
i
x
F. Lực ngang tác dụng tại tầng thứ j theo phương đang xét
(phương x) ứng với dao động thứ i
Fx.i Tổng lực cắt tại chân công trình theo phương đang xét
(phương x) ứng với dao động thứ i
Mi, Mj Khối lượng tập trung tại các tầng i, j của công trình
(giá trị này thường được xác định bởi các phần mềm máy tính)
W0 Giá trị TC áp lực gió tĩnh
K Hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao
c Hệ số khí động (cđẩy= 0,8; chút = 0,6)
Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió
pđ Áp lực đất
Dung trọng tự nhiên của đất
h Chiều cao tầng hầm
q Tải trọng phân bố đều trên mặt đất xung quanh tầng hầm
Góc ma sát trong của đất xung quanh tầng hầm
1
Giá trị để nhân vào giá trị thiết kế của tác động động đất theo phương nằm ngang để trong mọi cấu kiện của kết cấu sẽ đạt giới hạn độ bền chịu uốn trước tiên, trong khi tất cả các tác động khác vẫn không đổi
0
Giá trị để nhân vào giá trị thiết kế của tác động động đất theo
phương nằm ngang sẽ làm cho khớp dẻo hình thành trong một
loạt tiết diện đủ để dẫn đến sự mất ổn định tổng thể của kết cấu, khi tất cả các giá trị thiết kế của các tác động khác không đổi
Trang 10DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
DANH MỤC BẢNG, BIỂU
Số hiệu
Bảng 2.1 Giá trị giới hạn của tần số dao động riêng f L 18
Bảng 2.2 Hệ số áp lực động của tải trọng gió 19
Bảng 2.3 Hệ số tương quan không gian áp lực động 20
Bảng 2.4 Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió 23
Bảng 2.5 Hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao 23
Bảng 2.6 Mối tương quan hệ giữa E và M 27
Bảng 2.7 Mối quan hệ giữa M và MM 27
Bảng 2.8 Bảng chuyển đổi từ gia tốc nền sang cấp động đất 28
Bảng 2.9 Các giá trị Ψ 2,1 cho công trình 33
Bảng 2.10 Các giá trị φ để tính toán Ψ E,t 33
Bảng 2.11 Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn
Trang 11Bảng 2.12 Các loại nền đất 36
Bảng 2.13 Mức độ và hệ số tầm quan trọng 37
Bảng 2.14 Giá trị cơ bản của hệ số ứng xử q 0 cho hệ có sự đều
Bảng 3.1 Bảng chu kỳ dao động nhà không có tầng hầm 54
Bảng 3.2 Bảng khối lượng tầng nhà không có tầng hầm 57
Bảng 3.3 Bảng động đất nhà không có tầng hầm 60
Bảng 3.4 Bảng Gió động nhà không có tầng hầm 61
Bảng 3.5 Bảng chu kỳ dao động nhà có một tầng hầm 65
Bảng 3.6 Bảng khối lượng tầng nhà có một tầng hầm 68
Bảng 3.7 Bảng động đất nhà có một tầng hầm 71
Bảng 3.8 Bảng Gió động nhà có một tầng hầm 72
Bảng 3.9 Bảng chu kỳ dao động nhà có ba tầng hầm 76
Bảng 3.10 Bảng khối lượng tầng nhà có ba tầng hầm 79
Bảng 3.11 Bảng động đất nhà có ba tầng hầm 82
Bảng 3.12 Bảng Gió động nhà có ba tầng hầm 83
Bảng 3.13 Bảng so sánh khối lượng tầng 84
Bảng 3.14 Bảng so sánh giỏ trị lực cắt đáy F b 85
Bảng 3.15 Bảng so sánh chuyển vị tại tầng trên cùng 85
Bảng 3.16 Bảng so sánh gió động 87
Trang 12DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Số hiệu
Hình 1.1 Mặt bằng Tòa nhà chung cư N105 7
Hình 1.2 Mặt cắt ngang Tòa nhà chung cư N105 8
Hình 1.3 Mặt đứng phối cảnh Tòa nhà chung cư N105 9
Hình 1.4 Mặt bằng tầng hầm Tòa nhà chung cư X20 10
Hình 1.5 Mặt bằng điển hình Tòa nhà chung cư X20 10
Hình 1.6 Mặt đứng Tòa nhà chung cư X20 11
Hình 1.7 Hình ảnh Công trình VIETCOMBANK TOWER 12
Hình 1.8 Hình ảnh Công trình HARBOUR VIEW TOWER 13
Hình 1.9 Mặt bằng tầng điển hình Cao ốc 89 Láng Hạ, Hà Nội 14
Hình 1.10 Hình ảnh Công trình Cao ốc 89 Láng Hạ, Hà Nội 15
Hình 1.11 Hình ảnh Mặt cắt Tháp đôi khu đô thị An Hưng 16
Hình 1.12 Hình ảnh Tháp đôi khu đụ thị An Hưng 17
Hình 2.2 Dạng của phổ phản ứng đàn hồi 35
Hình 2.3 Sơ đồ mặt bằng tầng điển hình nhà lấy ví dụ tính toán 44
Hình 2.4 Sơ đồ mặt đứng khung nhà lấy ví dụ tính toán 45
Hình 3.1 Sơ đồ mặt bằng nhà không có tầng hầm 53
Hình 3.2 Biểu đồ lực cắt nhà không có tầng hầm 55
Hình 3.3 Biểu đồ mô men nhà không có tầng hầm 56
Trang 13Hình 3.4 Biểu đồ chuyển vị tầng nhà không có tầng hầm 59
Hình 3.5 Sơ đồ mặt bằng mặt cắt tầng hầm nhà có một tầng
Hình 3.6 Sơ đồ khung không gian nhà có một tầng hầm 63
Hình 3.7 Áp lực đất có dấu dương 64
Hình 3.8 Áp lực đất có dấu âm 64
Hình 3.9 Biểu đồ lực cắt nhà có một tầng hầm 66
Hình 3.10 Biểu đồ mô men nhà có một tầng hầm 67
Hình 3.11 Biểu đồ chuyển vị tầng nhà có một tầng hầm 69
Hình 3.12 Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt nhà có ba tầng hầm 73
Hình 3.13 Sơ đồ khung không gian nhà có ba tầng hầm 74
Hình 3.14 Áp lực đất có dấu dương 75
Hình 3.15 Áp lực đất có dấu âm 75
Hình 3.16 Biểu đồ lực cắt nhà có ba tầng hầm 77
Hình 3.17 Biểu đồ mô men nhà có ba tầng hầm 78
Hình 3.18 Biểu đồ chuyển vị tầng nhà ba tầng hầm 80
Hình 3.19
Hình 3.19 Biểu đồ so sánh mô men nhà không có tầng hầm (Hình 3.19a), nhà có một tầng hầm (Hình
3.19b), nhà có ba tầng hầm (Hình 3.19c)
84
Hình 3.20
Hình 3.20 Biểu đồ so sánh lực cắt nhà không có tầng hầm (Hình 3.20a), nhà có một tầng hầm (Hình
3.20b), nhà có ba tầng hầm (Hình 3.20c)
86
Hình 3.21 Biểu đồ so sánh chuyển vị tầng nhà không có tầng
hầm, nhà có một tầng hầm và nhà có ba tầng hầm 89
Trang 141
MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Trong quá trình đô thị hóa mạnh mẽ trên Thế giới, đặc biệt tại Việt Nam thời kỳ này và trong tương lai, việc xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp, nhất là nhà cao tầng là một xu thế tất yếu để đáp ứng các nhu cầu ngày một lớn về nhà ở, văn phòng, khách sạn Hòa chung với Thế giới thì ngành xây dựng cơ bản của chúng ta cũng có những bước tiến dài trong kỹ thuật xây dựng cơ bản nói chung và trong thiết kế kết cấu công trình nói riêng Đội ngũ những người làm kỹ thuật của chúng ta được trang bị đầy đủ kiến thức và có đủ kinh nghiệm để đảm đương những công trình lớn, phức tạp Nhiều tòa nhà cao tầng được thiết kế có tầng hầm nhằm giải quyết các yêu cầu thực tế do chúng ta đặt ra Trong đó khâu tính toán thiết kế kết cấu chịu lực đối với các công trình có tầng hầm mà có tính đến khả năng chịu động đất của công trình Với những công trình này xu thế chung đặt ra là phải
có giải pháp kết cấu phù hợp, chúng vừa đảm bảo khả năng chịu lực, vừa đạt hiệu quả kinh tế Việc nghiên cứu tầng hầm ảnh hưởng tới các kết quả tính toán của nhà cao tầng so với các nhà cao tầng tương đương không có tầng hầm có ưu điểm là các dao động thường nhỏ hơn trong việc tính toán gió động và động đất dẫn đến đưa tới hiệu quả kinh tế tốt hơn
Do đó trong luận văn này, tác giả chủ yếu tập trung vào “Nghiên cứu ảnh
hưởng của tầng hầm đến kết cấu phần thân nhà cao tầng chịu tải trọng gió và động đất” để đề ra phương pháp nghiên cứu có tính toán so sánh
* Mục đích nghiên cứu
- Thu thập và nghiên cứu tổng quan về nhà cao tầng có tầng hầm
- Tìm hiểu đặc điểm của các dạng hệ kết cấu công trình có tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất
Trang 152
- Phân tích cách mô hình hóa nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng
có từ 1 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng
có từ 1 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất
- Tập hợp các kết quả tính toán, từ đó đánh giá được sự làm việc của hệ kết cấu như chuyển vị, dao động của công trình khi nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng có từ 1 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng động đất
* Đối tượng nghiên cứu
- Hồ sơ thiết kế các nhà cao tầng có 1 tầng hầm và nhà cao tầng có từ 2 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng động đất
- Nguyên cứu các công trình đã xây dựng và đang trong giai đoạn thiết kế
- Mô hình hóa các phương án nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng có từ 1 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất bằng phương pháp tính theo phần mềm tính toán Sap2000 và Etab, qua đó so sánh, đánh giá sự làm việc của nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng có từ 1 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất
* Phạm vi nghiên cứu
- Các công trình nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng có từ 1 đến
3 tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất
- Nghiên cứu, đánh giá sự làm việc của nhà cao tầng không có tầng hầm và nhà cao tầng có từ 1 đến 3 tầng hầm chịu tải trọng gió và động đất
* Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu, tính toán các dạng dao động riêng, chu kỳ, biên độ dao động, chuyển vị công trình, nội lực trong các cấu kiện bằng phương pháp tính toán theo phần mềm tính Sap2000 và phần mềm Etab
- So sánh, tổng hợp và rút ra các nhận xét, kết luận