Nghiên cứu khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI THANH NHIÊN NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI THANH NHIÊN

NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP

BÊ TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: GS.TS PHẠM VĂN HỘI

Phản biện 2: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp họp

tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 07 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học

Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sàn liên hợp thép bê tông hiện đang là công nghệ hàng đầu trong ngành xây dựng của thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng Trước kia, khi sử dụng các kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ Để khắc phục các nhược điểm trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến cho các công trình nhà nhiều tầng cũng như nhà khung nhịp lớn Kết cấu này đã tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy Công trình sử dụng kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ Bên cạnh những ưu việt mà sàn liên hợp thép bê tông mang lại thì có những vấn đề đặt ra: đối với sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn trước những yếu tố tác động

sẽ dao động như thế nào, cách để kiểm soát và hạn chế rung động này ra sao cần

được quan tâm nghiên cứu là điều cần thiết Vậy nên đề tài “Nghiên cứu khống chế

dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế” có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng nghiên cứu:

- Sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn

4 Phạm vi nghiên cứu:

- Hạn chế dao động kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông do hoạt động của con người

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dao động của sàn liên hợp thép - bê tông

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 để mô phỏng dao động

của hệ kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn:

Nghiên cứu trong luận văn dựa trên Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) biên soạn và xuất bản tháng 5 năm 2016 và một số tài liệu tham khảo liên quan Ngoài ra luận văn còn áp dụng những kiến thức về sức bền vật liệu, cơ học kết cấu và

phầm mềm SAP2000 để tính toán dao động theo AISC DG11

7 Bố cục đề tài:

Chương 1: Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.3 Đặc tính kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.4 So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép - bê tông so với kết cấu khác 1.5 Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông

1.6 Kết luận chương I

Chương 2: Một số vấn đề về dao động của sàn liên hợp thép bê tông

2.1 Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép - bê tông

2.2 Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép - bê tông theo tiêu chuẩn Mỹ (AISC DG11)

2.3 Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ

2.4 Kết luận chương 2

Chương 3: Kiểm soát và hạn chế dao động trong sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn

3.1 Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ

3.2 Khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông khi thiết kế

3.3 Kết luận chương 3

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

1.1 Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông

Lịch sử phát triển của kết cấu hỗn hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Thực chất kết cấu này là một cá biệt của kết cấu BTCT

1.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới

Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông dùng trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm

1.1.2 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam

Năm 2006, “ Giáo trình Kết cấu liên hợp thép – bê tông” của PGS.TS Phạm Văn Hội đã viết theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Design of Composite Steel and Concrete Structures) và các tài liệu ứng dụng tiêu chuẩn trên để thiết kế các cấu kiện liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam

1.2 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.2.1 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế giới

Hình 1.4 Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA)

Tháp Thiên niên kỷ (Viên – Áo), tòa nhà này có 55 tầng với diện tích khoảng 1000m2 và có chiều cao hơn 202m (bao gồm cả awngten)

Hình 1.5 Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo)

1.2.2 Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ở Việt Nam

Bitexco Finaancial Tower được xây dựng trên diện tích 5.267m2 quy mô 68 tầng với chiều cao 262m Tòa nhà được thiết kế bằng thép và kính

Hình 1.8 Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh

Vietinbank Tower Hà Nội bao gồm 2 tòa tháp, được liên kết với nhau bằng khối đế 7 tầng Tháp thứ nhất cao 68 tầng, tháp thứ hai cao 48 tầng

Hình 1.9 Vietinbank Tower, Hanoi

1.3 Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông

1.5.1 Yêu cầu về cấu tạo của sàn liên hợp thép - bê tông

Hình 1.12 Sàn liên hợp với tấm tôn thép định hình

1.5.2 Sự làm việc của sàn liên hợp thép - bê tông

1.5.2.1 Ba dạng làm việc của bản liên hợp

Hình 1.16 Sự làm việc của sàn liên hợp

Độ cứng của sàn liên hợp :

1.5.2.2 Các dạng phá hoại

Hình 1.17 Tiết diện phá hoại của các dạng phá hoại khác nhau

1.6 Kết luận chương 1

Với tính chất làm việc, sự tương tác giữa các loại vật liệu của kết cấu liên hợp

có rất nhiều ưu việt, nên việc phát triển lý thuyết tính toán của kết cấu liên hợp phát triển song song với sư phát triển của công nghệ xây dựng nhà cao tầng Với các công trình yêu cầu nhịp lớn hoặc cao tầng kết cấu bê tông cốt thép thông thường bộc lộ rõ những giới hạn của mình, đó là kích thước kết cấu chịu lực chính, cột, dầm rất lớn, tiến độ thi công chậm Do đó, việc áp dụng kết cấu liên hợp trong các công trình nhịp lớn, cao tầng là sự tất yếu của một dạng kết cấu mới với các tính năng ưu việt, phù hợp với sự phát triển không ngừng của đất nước

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

2.1 Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép – bê tông

Thuật ngữ “rung động” áp dụng cho sàn chính là sự dao động của tòa nhà và người cư ngụ trong quá trình hoạt động hàng ngày Chuyển động này thường là dọc (lên xuống), nhưng rung động theo chiều ngang cũng có thể có, hậu quả của rung động không những gây phiền toái cho người sử dụng mà còn ảnh hưởng đến đồ đạc, phụ kiện, thậm chí là cấu trúc tòa nhà Các rung động gây ra hậu quả nặng nề do động đất và vụ nổ nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của đề tài này

2.2 Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép – bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) [3]

i

i step

i Q if t Q

t F

1

2

 (2.1)

Trong đó: + N: số lượng các sóng hài xem xét

+ Q: trọng lượng cơ thể người, lb

+ α i : Hệ số động cho lực điều hòa thứ i

+ i: Sóng hài (1, 2, 3, )

+ f step :tần số bước, Hz

+ t: Thời gian, s

+ ϕ i : pha dao động điều hòa thứ i, rad

2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá của việc đi bộ với tần số thấp và tầng số cao

Hình 2.4 Giới hạn cho phép của tần số và gia tốc đỉnh [3]

384

5 4

=

 : chuyển vị tương đối, in

Đối với chế độ kết hợp và theo mối quan hệ Dunkerley thì công thức (3.4) được viết

lại như sau:

g j n

g f

 +



= 18 0 , (2.15)

Trong đó: + ∆ g: chuyển vị của dầm chính, in

+ ∆ j : chuyển vị của dầm phụ, in

Đối với nhà cao tầng, tần số của cột có thể gây ra các vấn đề cộng hưởng nghiêm trọng với nhịp điệu của hoạt động , đặc biệt là aerobics Phương trình (2.15) được viết lại như sau:

c g j n

g f

 +

 +



= 18 0 , (2.16)

Trong đó: + ∆ c: chuyển vị của cột do tải trọng tác động , in

2.3 Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ

2.3.1 Tiêu chuẩn áp dụng

g

a W

e P g

35 , 0

Giới hạn gia tốc cho phép a 0 /g tra bảng 2-2 sau đây:

Bảng 2.2 Khuyến nghị về gia tốc giới hạn trong thiết kế sàn [3]

Nơi áp dụng Gia tốc giới hạn a o /g × 100%

Văn phòng, căn hộ, nhà thờ,

trường học và khu vực yên tĩnh

0.5%

2.3.2 Các thông số yêu cầu bắt buộc

Khối lượng hiệu quả, W

Khối lượng hiệu quả được ước tính bằng cách xác định khối lượng dầm phụ, dầm chính và sau đó kết hợp chúng theo tỷ lệ tương đối, được xác định bằng công thức sau:

g j

g j

j

W W

W

 +



 +

 +





= (2.24)

Với + W g : Trọng lượng hiệu quả sàn cho dầm chính, lb

+ W j : Trọng lượng hiệu quả sàn cho dầm phụ, lb

W g ,W j: được xác định bằng công thức (2.23), có thể tăng thêm 50% nếu

là dầm liên tục và chiều dài dầm lớn hơn 0,7 lần chiều rộng hiệu quả của sàn cho dầm đang xét

+ ∆ g : chuyển vị của dầm chính, in

+ ∆ j : chuyển vị của dầm phụ, in

j g g

g j

g j

j

W W

'

 +



 +

 +

Hình 2.10 Chiều rộng tham gia làm việc của dầm phụ

Đối với dầm phụ, chiều rộng tham gia làm việc, Bj, xác định bằng công thức:

4 / 1

j j

s j

D

D C

c

f là cường độ chịu nén của bê tông

+ E c = 29000 ksi : modul đàn hồi của thép

+ d e : chiều dày hiệu quả của sàn bê tông, lấy bằng chiều cao của bê tông

sàn và một nửa chiều cao phần thép định hình

+ I j: moment quán tính của dầm đang xét, in.4

+ L j: chiều dài dầm phụ, ft

+ S: khoảng cách giữa các dầm phụ, ft

35 , 1

= tỉ lệ chuyển đổi vật liệu tương đương, dùng để tính toán tương đương mặt cắt ngang của bê tông với mặt cắt ngang của thép nhằm đơn giản trong tính toán

Hình 2.11 Chiều rộng tham gia làm việc của dầm chính

Đối với dầm chính, chiều rộng tham gia làm việc (ngoại trừ dầm biên) được xác định theo công thức sau:

4 / 1

g g

j g

D

D C

2.4 Kết luận chương 2

Tiêu chí thiết kế trong chương 2 dựa trên phản ứng động của hệ thống dầm sàn thép liên hợp dưới tác động của lực đi bộ của con người Một trong những thông số quan trọng nhất cho thiết kế và đánh giá rung động cho hệ thống sàn liên hợp là tần

số tự nhiên Toàn bộ hệ thống lý thuyết tính toán trong chương này sẽ được cụ thể hóa trong các ví dụ trong chương 3

CHƯƠNG 3 KIỂM SOÁT VÀ KHỐNG CHẾ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ

TÔNG NHỊP LỚN

3.1 Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ

3.1.1 Sơ đồ khối thuật toán đánh giá dao động của hệ thống sàn liên hợp

BẢN SÀN

Tính: n = E s /(1,35E c ) Xác định các thông số đầu vào: h e , h d , d e …

g j

g j

j

W W

W

 +



 +

 +

e P g

35 , 0

3.1.2 Ví dụ tính toán đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông dựa trên AISC DG11

Ví dụ 1:

Một sàn liên hợp thép – bê tông được thiết kế cho văn phòng làm việc có kích thước: chiều rộng sàn 27m và chiều dài sàn 36m , tĩnh tải 0,2 KN/m2, hoạt tải 0,5 KN/m2 Chiều dày sàn tổng cộng là 130mm, trong đó chiều dày phần thép định hình của sàn là 40mm Sàn bê tông có cấp bền C30/37 ( f c' = 30(MPa), w c =

1 Số liệu đầu vào

Theo ASTM A992, cuốn Steel Construction Manual (ASIC, 2011), ta có:

Chiều rộng = 27 (3x9) m, chiều dài: 36 (3x12) m, Hệ số cản β = 0,03

Khoảng cách giữa các dầm phụ S = 3m

, 1

10 210 35

, 1

b

46 , 0 48 , 6

3

=

= Chiều dày lớp bê tông sàn hc = 0,08m, diện tích mặt cắt bê tông thay đổi: 0,08 x 0,46 = 0,04m2

Vị trí mặt cắt ngang sàn liên hợp tính từ đỉnh của sàn:

) ( 27 , 0 10

15 , 6645 04

, 0

2

08 , 0 05 , 0 2

45 , 0 04 , 0

 +

8 2

3

10 9 , 7 270 15 , 6645

10 12 , 2 270 2

80 50 2

58 , 449 40000

12

80 460



=

Tải phân bố đều tác dụng lên dầm phụ được xác định như sau:

Độ võng dầm phụ tương ứng:

mm I

E

L w

j s

j j

10 9 , 7 210000 384

12000 47

, 10 5 384

5

8

4 4

j

10 03 , 17

806 , 9 18 , 0 18

2

50 80

+

=Moment quán tính trên một đơn vị chiều rộng theo hướng nhịp sàn:

( )3

3 3

75 , 14883 48

, 6 12

( )3

8

05 , 263441 3000

10 9 , 7

mm S

D

D C

j

s j

3

2 70 , 11 12 05

, 263441

75 , 14883 2

4 / 1 4

/ 1

B S

w

3

47 , 10 5 , 1 5

Chiều rộng tham gia làm việc của sàn bê tông :

b = min[0 , 2L g, 0 , 5L j,left] + min[0 , 2L g, 0 , 5L j,right] = min[0,2 x 9m; 0,5 x 12m]

+ min[0,2 x 9m; 0,5 x 12m] = 1,8 m + 1,8 m = 3,6 m

Chiều rộng sàn bê tông thay đổi (vùng bê tông sàn) :

m n

b

56 , 0 48 , 6

6 ,

= Chiều rộng sàn bê tông thay đổi (vùng bê tông thép định hình)

m n

b

28 , 0 84 , 6

8 , 1 2 / = = Diện tích mặt cắt bê tông thay đổi (vùng bê tông sàn), với chiều dày lớp bê

, 0 04 , 0

2

05 , 0 2

5832 , 0 01 , 0 2

08 , 0 05 , 0 2

5832 , 0 04 , 0

 +

2 3

2 3

10 42 , 1

290 85 , 9483 10

10 , 4 290 2

50 2

32 , 528 10000 12

50 280

290 2

80 50 2

32 , 528 40000 12

80 560

 +

w g j j + trọng lượng dầm trên một đơn vị chiều dài

74 , 40 0 , 00981 42 , 61(kN / m)

3

47 , 10

E

L w

g s

g g

10 42 , 1 210000 384

9000 61 , 42 5 384

5

9

4 4

g

10 24 , 12

806 , 9 18 , 0 18

10 42 , 1

mm L

I D

( )m ( )m L

D

D C

g

j g

3

2 8

, 19 9 67

, 118046

05 , 263441 8

, 1

4 / 1 4

/ 1

B L

806 , 9 18

, 0 18

,

 +

=

 +



7 , 11

9 5

g

g 12 , 24 9 , 41

7 , 11

g j

g j

g j j

71 , 698 82 , 632 41 , 9 03 , 17

41 , 9 11

, 735 24 , 12 03 , 17

03 , 17

' '

=

 + +

 +

=

 +



 +

 +





=

5 Đánh giá dao động của sàn do hoạt động đi bộ

Gia tốc đỉnh xác định bằng công thức (2.22), với P 0 = 65 lb = 0,289 kN, hệ

số cản β = 0,03

% 5 , 0

0 35 , 0

g

a W

e P g

p



% 43 , 0 0043 , 0 71 , 698 03 , 0

289 ,

Lời giải:

Giải tương tự như ví dụ 1 ta được bảng kết quả như sau:

Bảng 3.1 Kết quả đánh giá dao động sàn khi tăng chiều dày sàn với

khoảng cách dầm phụ thay đổi

Ví dụ 3:

Số liệu tính toán sẽ giống ví dụ 1, dầm thép ban đầu dầm thép có dầm chính (DC) là W460x74, dầm phụ (DP) là W460x52 Tăng độ cứng hệ thống sàn bằng cách tăng độ cứng của dầm chính lần lượt là (DP: W460x52, DC: W530x82), (DP: W460x52, DC: W530x101) và dầm phụ lần lượt là (DP: W460x74, DC: W530x74), (DP: W460x97, DC: W530x74) Đánh giá dao động của sàn do hoạt động đi bộ gây ra

Bảng 3.2 Kết quả đánh giá dao động sàn khi tăng độ cứng dầm chính và

dầm phụ

3.1.3 Đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông bằng phần mềm SAP2000 Thông số đầu vào giống ví dụ 1 Đánh giá đi bộ của của con người bằng SAP2000 cho ô sàn (2-3)/(B-C), có kích thước 9m x12m,W = 168lb = 747N, vận tốc

đi bộ 1,5m/s, sải bước = 0,75m, thời gian xung = 0,45s

Hình 3.4 Chi tiết ô sàn (2-3)/(B-C) xem xét dao động

Kết quả gia tốc của sàn do đi bộ tại vị trí điểm a và điểm b

Dầm phụ và dầm chính

tần số dầm phụ f j

và dầm chính f g

Tần số sàn liên hợp f n

Thiết kế thay đổi dầm phụ lần 1 Thiết kế thay đổi dầm phụ lần 2

22,76

21,16

0,50 25,71