kết cấu thép nhà cao tầng

1 Đại cương 1.1 Khái niệm phân loại Khái niệm: cơng trình xem cao tầng vùng thời kỳ chiều cao định điều kiện thiết kế, thi công sử dụng khác với nhà thông thường khác Phân loại theo chức năng: Nhà ở, văn phòng, khách sạn, bệnh viện, siêu thị, hỗn hợp … Hình 1: Nhà (Khu tái định cư P11, Q6, TP HCM) Hình 2: Văn phòng Hình 3: Khách sạn Hình 4: Bệnh viện Hình 5: Tòa nhà hỗn hợp (169 Nguyễn Ngọc Vũ) Phân loại theo chiều cao số tầng: − Nhóm I: ÷ 16 tầng (chiều cao 50 m); − Nhóm II: 17 ÷ 25 tầng (chiều cao 75 m); − Nhóm III: 26 ÷ 40 tầng (chiều cao 100 m); − Nhóm IV: 40 tầng (chiều cao 100 m) Theo hình thức kết cấu chịu lực: − Nhà có kết cấu chịu lực tường, vách; − Nhà có kết cấu chịu lực hệ (khung giằng); − Nhà có kết cấu chịu lực hệ kết hợp: tường khung, lõi cứng làm việc Theo vật liệu: bê tông cốt thép, bê tông cốt cứng; thép hỗn hợp Theo hình thức xây dựng: − Nhà xây dựng hàng loạt: thường nhà ở; − Nhà xây dựng đơn chiếc: siêu thị, văn phòng 1.2 Những đặc điểm nhà cao tầng (khác nhà thông thường) Số tầng nhiều → tải trọng thân tải trọng sử dụng thường lớn → móng; Nhạy cảm với độ lún lệch móng (do có bậc siêu tĩnh cao); Chiều cao lớn → tải trọng ngang (gió, động đất), tải trọng lệch, biết thiên nhiệt độ đáng kể; Sự phân bố độ cứng nhà có ảnh hưởng đến dao động thân → ảnh hưởng đến tác dụng tải trọng → nội lực, chuyển vị Để giảm dao động: phân bố khối lượng hợp lý dọc chiều cao nhà, giảm khối lượng tham gia dao động; Cấu tạo hệ kết cấu phức tạp, đòi hỏi có nghiên cứu tỉ mỉ, cấu tạo phần tử liên kết phải đảm bảo giảm thiểu tác dụng tải trọng (như tải động đất); Thường có điều kiện thi cơng phức tạp (mặt hẹp, độ xác cao, quy trình thi công nghiêm ngặt); Về mặt sử dụng: vệ sinh, mơi trường, thơng gió, cấp nước, giao thơng chủ yếu theo phương đứng → ảnh hưởng đến sức khỏe, tâm lý 1.3 Giới thiệu sơ lược số tòa nhà cao tầng Hình 6: Khách sạn Mecca (601 m) Hình 7: Tokyo Sky tree (634 m) Hình 8: Burj Khalifa (168 tầng, 828 m) Hình 9: Tháp PVN cao Việt Nam (79 tầng) 10 ΨE,i hệ số tổ hợp tải trọng tác động thay đổi thứ i − Các giá trị Ψ2,i cho Bảng B-2 Bảng B-2: Các giá trị Ψ 2,i cho nhà Tác động Loại A: Khu vực nhà ở, gia đình Loại B: Khu vực văn phòng Loại C: Khu vực hội họp Loại D: Khu vực mua bán Loại E: Khu vực kho lưu trữ Loại F: Khu vực giao thông, trọng lượng xe ≤ 30 kN Loại G: Khu vực giao thông, 30kN ≤ trọng lượng xe ≤ 160 kN Loại H: Mái − Ψ2,i 0,3 0,3 0,6 0,6 0,8 0,6 0,3 Các hệ số tổ hợp ΨE,i xét đến khả tác động thay đổi Qk,j khơng xuất tồn cơng trình thời gian xảy động đất, xác định theo biểu thức sau: ΨE,i = ϕ.Ψ2,i Các giá trị ϕ cho Bảng B-3 Bảng B-3: Giá trị ϕ để tính tốn Ψ E,i Loại tác động thay đổi Các loại từ A - C* Mái ϕ 1,0 Các tầng sử dụng đồng thời 0,8 Các tầng sử dụng độc lập 0,5 1,0 Tầng Các loại từ D - F* kho lưu trữ Tính tốn nhà cao tầng 5.1 Mơ hình giả thiết tính tốn 5.1.1 Nhóm phương pháp sử dụng mơ hình khơng liên tục Các kết cấu chịu lực nhà thay hệ (hoặc hệ hữu hạn phần tử khác) Ẩn số nội lực, chuyển vị phần tử Để xác định ẩn số cần phải giải hệ phương trình đại số 5.1.2 Nhóm phương pháp sử dụng mơ hình nửa rời rạc, nửa liên tục Coi kết cấu thẳng đứng rời rạc, liên kết kết cấu thẳng đứng lại phân bố liên tục theo chiều cao Ẩn số ứng suất, biến dạng liên kết liên tục Để xác định ẩn số, cần phải giải hệ thống phương trình vi phân hàm quan hệ ứng suất biến dạng Mỗi phương pháp xây dựng sở số giả thiết Sử dụng giả thiết phạm vi ứng dụng rộng việc tính tốn phức tạp Các giải thiết là: 29 − Các kết cấu thẳng đứng chịu lực coi cột dàn sơn ngàm vào móng liên kết với thông qua sàn ngang Bản sàn coi tuyệt đối cứng mặt phẳng (coi sàn khơng có biến dạng ngang) − Biến dạng kết cấu thẳng đứng chịu lực coi đồng điệu Tức chúng có quy luật biến dạng Ngoài giả thiết trên, tùy theo tốn cụ thể, phương pháp tính bổ sung thêm số giả thiết nhằm đơn giản hóa q trình tính tốn Có hai phương pháp tính tốn chính: − Phương pháp tính xác, dựa vào máy tính điện tử chương trình lập sẵn − Phương pháp tính gần đúng, tùy theo sơ đồ, đưa lời giải đơn giản nhằm có kết sơ ban đầu để giả thiết tiết diện phần tử để kiểm tra, so sánh định tính kết cách tính 5.2 Trình tự, ngun lý tính tốn nhà cao tầng theo cách tính xác Tương tự nhà thơng thường khác, tính nhà cao tầng cần phải giải toán với tác dụng trường hợp tải trọng: trọng lượng thân, hoạt tải sử dụng, gió, động đất, …Nói chung, nên theo trình tự sau đây:  Sau thành lập sơ đồ kết cấu, dựa vào kinh nghiệm, theo cơng trình tương tự có sẵn theo cách giải gần để giả thiết kích thước tiết diện cấu kiện Đồng thời, để giải tốn động, cần xác định trị số quy luật phân bố khối lượng cấu kiện phần công trình  Giải tốn động để xác định đặc trưng động học: tần số, chu kỳ, biên độ dao động thân cơng trình So sánh với quy định TCVN để định số dạng dao động cần xết đến  Xác định cụ thể trường hợp tải trọng tác động lên cơng trình ( trị số, điểm đặt, phương, chiều) kể thành phần tĩnh thành phần động  Lần lượt giải toán với trường hợp tác dụng riêng rẽ  Thống kê, tổ hợp nội lực để tìm trường hợp bất lợi cho tiết diện  Kiểm tra tiết diện giả thiết, tiến hành điều chỉnh cần thiết Phần lớn khối lượng công việc phải tiến hành máy tính chương trình tính tốn đủ mạnh, tính hệ khơng gian nhiều số lượng chủng loại phần tử, giải tốn động Chương trính máy tính thơng dụng SAP, ETABS, STAAD Pro, … 30 5.3 Phương pháp tính tốn gần nhà cao tầng 5.3.1 Tính tốn gần nhà cao tầng có hệ kết cấu chịu lực theo sơ đồ khung Trong sơ đồ khung, cột dầm liên kết cứng với chịu tác động tải trọng đứng ngang Dưới tác dụng tải trọng ngang khác nhau, kết cấu khung có biến dạng khác nhau, cách tính gần dựa sơ đồ biến dạng a) Tính tốn gần kết cấu khung chịu tải trọng đứng Chia hệ khung không gian thành khung phẳng độc lập chịu tác động tương ứng với diện truyền tải khung Lực dọc dầm bé, coi không Điểm không mô men cách đầu dầm đoạn 0,1L Mô men dương lớn điểm dầm: q(0,8L) M= = 0,08qL2 Mô men âm lớn đầu dầm:  q(0,1L)  M = -0,4qLx0,1L +  = -0,045qL   Bỏ qua lệch tâm chênh nhịp tải trọng hai phía khác Cột chủ yếu chịu nén Cột biên phải tiếp nhận mô men dầm truyền sang, bị lệch tâm tải trọng chất phía Gọi mơ men nút M G, mô men phần phối cho đầu cột: 31 M tren = M G i tr i tr + i d M duoi = M G id i tr + i d Trong đó: itr, id – độ cứng đơn vị đoạn cột trên, cột itr = Itr/Htr, id = Id/Hd, Mtr + Md = MG b) Tính toán gần kết cấu khung chịu tải trọng ngang Coi khung phẳng làm việc độc lập, chịu tải trọng ngang, điểm không mô men gần trùng với điểm dầm cột tầng trên, riêng tầng trệt, điểm khơng cách mặt móng 0,6 lần chiều cao cột Khung cứng làm việc theo kiểu hệ thống khung khớp độc lập, đặt bên cạnh chồng lên 32 Mỗi khung thành phần tiếp nhận tải trọng ngang W1, W2, W3, … tỉ lệ với nhịp nó: W W1 W W = = = = L1 L2 L3 L Hoặc W1 = W L L1 L ; W2 = W ; W3 = W ; L L L Xét khung biên độc lập, lấy mô men chân cột phải: W1 h = N1L1 Suy lực dọc lớn chân cột biên: N1 = W1h Wh = 2L1 2L Tương tự với cột lại: N2 = W2 h Wh = 2L 2L Lực cắt cột xác định cách lập phương trình mơ men với khớp dầm: N1 L1 h NL = V1 ; V1 = 1 2 h 33 Kết hợp ? với ? ta có: V1 = W1h L1 W WL1 = = 2L1 h 2L Tương tự: V2' = WL3 WL ' ; V3 = 2L 2L Do lực cắt chiều cao tầng xác định theo công thức: V1 = WL3 W(L +L3 ) WL1 W(L1 +L ) ; V2 =V1' + V2' = ; V4 = ; V3 =V2' + V3' = 2L 2L 2L 2L Với khung có nhịp L1 = L2 = … = L0 lực cắt cột biên nửa cột giữa: V1 = V4 = WL WL ; V2 = V3 = 2L L Lực cắt dầm xác định theo điều kiện cân với lực đứng nút khung Mô men uốn đầu cột xác định cách nhân lực cắt đoạn cột với nửa chiều cao tầng Mô men uốn đầu dầm xác định cách nhân lực cắt dầm với nửa nhịp dầm 5.3.2 Tính tốn gần nhà cao tầng có sơ đồ giằng Với nhà có sơ đồ kết cấu kiểu giằng chịu lực, tải trọng đứng phân phối cho cột khớp cột cánh đứng dàn giằng Tải trọng ngang dàn giằng đứng chịu a) Tính tốn với tải trọng đứng Các cột khớp cột dàn giằng chịu nén, coi nén tâm Lực nén tác dụng lên đoạn cột tầng thứ i xác định theo công thức: 34 n Ni = ∑q A i i i+1 đó: qi, Ai – tải trọng tác dụng thuộc tầng thứ i diện tích truyền tải tương ứng tầng thứ i cột khảo sát; n - tổng số sàn kể mái b) Tính tốn với tải trọng ngang Coi sàn tầng cứng vô gối đơn giản lên dàn giằng Bản sàn phân phối tải trọng ngang cho dàn giằng đứng tương ứng với diện tích truyền tải mặt đứng dàn Lực nén cột cánh dàn giằng cộng thêm vào với nội lực tải trọng đứng xác định dùng để định tiết diện cột có dàn giằng 35 5.3.3 Tính tốn gần nhà cao tầng có sơ đồ khung giằng Trong sơ đồ khung giằng, khung cứng vách giằng đứng tham gia truyền tải trọng đứng tải trọng ngang Tương tự hai loại sơ đồ bên trên, phụ thuộc vào sơ đồ biến dạng theo loại tải trọng mà đưa thêm vào giả thiết đơn giản hóa a) Với tải trọng đứng Coi khung cứng, dàn giằng làm việc độc lập Phần tải trọng đứng mà kết cấu phải chịu lấy tương ứng với diện tích truyền tải sàn chúng Việc tính tốn sau tiến hành giới thiệu phần 36 b) Với tải trọng ngang Tác động qua lại phân phối tải trọng ngang cho khung cứng vách dàn giằng đứng, gần xác định theo trình tự sau: Giả thiết rằng, vách giằng khung cứng, tải trọng ngang (ví dụ tải trọng gió) khung cứng tiếp nhận Xác định tổng tải trọng ngang tác dụng lên khung cứng (trên bước khung) W (daN) Xác định độ võng lớn ∂ k đỉnh khung Tính độ cứng chống uốn khung cứng: kk = W ∂k Giả thiết rằng, cột khung cột khớp, khung khơng có khả truyền tải trọng ngang mà tải trọng ngang vách dàn giằng đứng chịu Xác định tổng tải trọng cho vách giằng P (daN) Tiến hành mục ?, coi hình dạng dàn đứng khơng đổi q trình chịu lực, tính độ võng ngang ∂ d đỉnh dàn sơn Tính độ cứng chống uốn sơn: kd = W ∂d Tỉ lệ phần trăm tải trọng ngang dàn giằng đứng tiếp nhận là: ∑k ∑k + ∑k d k 100% d Tỉ lệ phần trăm tải trọng ngang khung cứng tiếp nhận là: ∑k ∑k + ∑k k k 100% d Sau phân phối tải ngang, tiến hành giải độc lập mội khung cứng, vách dàn giằng hướng dẫn phần Nói chung, ∑k d lớn so với ∑k k nên phần lớn tải trọng ngang vách dàn giằng chịu 37 Cấu tạo cấu kiện 6.1 Cột 6.2 Dầm 38 6.3 Thanh giằng 6.4 Phân chia cấu kiện để lắp ghép Các chi tiết liên kết 39 40 41 42 43 ... Nhóm IV: 40 tầng (chiều cao 100 m) Theo hình thức kết cấu chịu lực: − Nhà có kết cấu chịu lực tường, vách; − Nhà có kết cấu chịu lực hệ (khung giằng); − Nhà có kết cấu chịu lực hệ kết hợp: tường... nhà cao tầng Hình 6: Khách sạn Mecca (601 m) Hình 7: Tokyo Sky tree (634 m) Hình 8: Burj Khalifa (168 tầng, 828 m) Hình 9: Tháp PVN cao Việt Nam (79 tầng) 10 Tổ hợp kết cấu chịu lực nhà cao tầng. .. định kích thước tiết diện Với nhà cao tầng sử dụng kết cấu chịu lực thép, sơ giả thiết trọng lượng kết cấu chịu lực theo cách Giá trị tiêu chuẩn trọng lượng kết cấu thép tính theo cơng thức: H