NGHIÊN CỨU VỀ CỘT SIÊU LỚN VÀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG KẾT CẤU NÀY TRONG NHÀ SIÊU CAO TẦNG

Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các công trình xây dựng trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp. Các toà nhà hiện đại thường có hình khối kiến trúc đa dạng và chiều cao lớn. Khi chiều cao của công trình càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính toán thiết kế cũng gia tăng theo. Đặc biệt là việc thiết kế kết cấu công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng do gió, động đất… Cùng sự phát triển về quy mô và số lượng công trình thì các giải pháp kết cấu cũng phát triển tương ứng. Một trong các giải pháp kết cấu đó là giải pháp sử dụng cột siêu lớn Megacolumn trong thiết kế nhà cao tầng. Mục đích của đề tài này là tìm hiểu về kết cấu megacolumn và hiệu quả khi sử dụng kết cấu này trong nhà cao tầng.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Nguyễn Văn Hùng NGHIÊN CỨU VỀ CỘT SIÊU LỚN VÀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG KẾT CẤU NÀY TRONG NHÀ SIÊU CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành xây dựng dân dụng công nghiệp Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Nguyễn Văn Hùng NGHIÊN CỨU VỀ CỘT SIÊU LỚN VÀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG KẾT CẤU NÀY TRONG NHÀ SIÊU CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành xây dựng dân dụng công nghiệp Mã số: 60.58.20.08 CB hướng dẫn: Ts Nguyễn Hùng Phong Hà Nội – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “nghiên cứu cột siêu lớn Megacolumn hiệu sử dụng kết cấu nhà siêu cao tầng” riêng tôi, trực tiếp làm hướng dẫn tận tình TS Nguyễn Hùng Phong Các số liệu luận văn có trích dẫn, kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả Nguyễn Văn Hùng LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành TS NGUYỄN HÙNG PHONG tận tình giúp đỡ, hướng dẫn đưa nhiều ý kiến quý báu, tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu động viên tác giả q trình hồn thành luận văn Tác giả xin trân thành cảm ơn thầy giáo, cán mơn Cơng trình bê tông cốt thép, thầy cô giáo, cán khoa sau đại học, khoa xây dựng dân dụng trường Đại học xây dựng đồng nghiệp giúp đỡ, dẫn trình học tập nghiên cứu Tác giả Nguyễn Văn Hùng MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt…………………………………………… i Danh mục bảng………………………………………………………… …….iii Danh mục hình vẽ, đồ thị………………………………………………… ….iv MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN………………………………………………… .…3 1.1 Tình hình sử dụng nhà cao tầng Việt Nam giới……………… 1.1.1 Lịch sử phát triển tình hình sử dụng nhà cao tầng giới…… 1.1.2 Tình hình sử dụng nhà cao tầng Việt Nam………………………… 1.2 Các giải pháp kết cấu sử dụng cho nhà cao tầng siêu cao tầng…… ….…8 1.2.1 Hệ kết cấu khung sàn phẳng………………………………………………8 1.2.2 Hệ kết cấu khung sàn kết hợp vách…………………………………… 10 1.2.3 Hệ tường ghép……………………………………… .………………11 1.2.4 Hệ kết cấu khung cứng………………………………………………… 12 1.2.5 Hệ kết cấu ống với lưới cột đặn…………………………………….13 1.2.6 Hệ kết cấu khung cứng có hệ dầm vát………………………………… 15 1.2.7 Hệ kết cấu lõi……………………………………………………….……16 1.2.8 Hệ kết cấu khung – vách………………………………………… ….…17 1.2.9 Hệ khung ống……………………………………………………… ….18 1.2.10 Kết cấu ống với hệ giằng chéo bên ngoài……………………… … 20 1.2.11 Kết cấu ống ghép………………………………………………….… 22 1.2.12 Kết cấu dạng sống tường…………………………………… ….….….23 1.2.13 Hệ outrigger tường đai biên……………………………… ……….25 1.3 Tình hình sử dụng giải pháp kết cấu nhà cao tầng Việt Nam giớ…………………………………………………… …………… 28 1.3.1 Tình hình sử dụng giải pháp kết cấu nhà cao tầng giới……… 28 1.3.2 Tình hình sử dụng giải pháp kết cấu nhà cao tầng Việt Nam……… 28 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT VỀ CỘT SIÊU LỚN MEGACOLUMNS…… … 30 2.1 Tổng quan cột siêu lớn (Megacolumns):……………………………… 30 2.1.1 Định nghĩa:………………………………………………………… …30 2.1.2 Các dạng kết cấu có chứa megacolumn………………………….….… 33 2.2 Các dạng liên kết megacolumn với kết cấu khác………… ………… 34 2.2.1 Liên kết megacolumn với Outrigger………………… ……… 34 2.2.2 Liên kết megacolumn với Belt-truss Mega-Diagonal………… 36 2.3 Lý thuyết tính tốn cột Composite…………….…………………… …… 40 2.3.1 Phương pháp tính tốn……………………………………………….… 40 2.3.2 Điều kiện để đảm bảo điều kiện ổn định cục lõi thép….…….… 41 2.3.3 Tính cột liên hợp chịu nén tâm…………………………….………42 2.3.4 Tính cột liên hợp chịu nén lệch tâm, nén uốn ………………………… 45 2.3.5 Sự làm việc chịu trượt thành phần thép bê tông cột (tại chỗ liên kết cột - dầm)………………………………………………………… ….53 2.3.6 Các nút liên kết khung……………………………………….…… 55 CHƯƠNG III: SO SÁNH KẾT CẤU CHỨA CỘT SIÊU LỚN VỚI CÁC DẠNG KẾT CẤU KHÁC………………………………………………………………….68 3.1 So sánh mặt kết cấu…………………………………………… 68 3.1.1 Sơ đồ kết cấu………………………………………………………… 68 3.1.2 Kết so sánh…………………………………………………….…….74 3.2 So sánh khung phẳng…………………………………………….….….75 3.2.1 Sơ đồ kết cấu…………………………………………………………….75 3.2.2 Kết so sánh………………………………………………… … ….78 3.3 So sánh khung không gian……………………………………………….….79 3.3.1 Sơ đồ kết cấu………………………………………………… …… ….80 3.3.2 Kết so sánh………………………………………………………….86 KẾTLUẬN………………………………………………………………….… ….89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .90 i DANH MUC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT d: Đường kính tiết diện tròn h: Chiều cao tiết diện b: bề rộng tiết diện t: chiều dày tiết diện cột hình hộp chữ nhật tf: Chiều dày cánh tiết diện chữ I Aa: Diện tích tiết diện ngang lõi thép Ac: Diện tích tiết diện ngang bê tơng As: Diện tích tiết diện ngang thép thường fy: Giới hạn đàn hồi lõi thép fck: Cường độ chịu nén đặc trưng bê tông fsk: Giới hạn đàn hồi cốt thép γMa: Hệ số an toàn vật liệu lõi thép γc: Hệ số an toàn vật liêu bê tơng γs: Hệ số an tồn vật liệu thép Ecd: Mômem đàn hồi bê tông Ecm: Mômen ban đầu bê tông γc: Hệ số an tồn tính độ cứng bê tơng Ia: Moomen quán tính tiết diện lõi thép với trục trung hòa tiết diện ii Ic: Moomen quán tính tiết diện bê tơng với trục trung hòa tiết diện Is – Moomen quán tính tiết diện thép với trục trung hòa tiết diện (EI)c: Độ cứng cột liên hợp Ncr: Lực tới hạn cột L: Chiều dài tính tốn cột NSd: Lực nén ngoại lực gây NG.Sd: Phần dài hạn lực nén NSd Npl.Rd: Khả chịu nén dọc trục tối đa cột (theo điều kiện bền); MRd: Khả chịu mơmen tính tốn cột; Mpl.Rd: Khả chịu mơmen tơì đa cột; NRd: Khả chịu nén dọc trục tính tốn cột χd: Thông số thể tác động dọc trục (khi có ảnh hưởng mơ men MRd); χn: Thông số thể giá trị NSd ứng với khả chịu mô men lớn tiết diện: Rb : Khả chịu kéo bulông mối nối F s : Khả chịu lực cốt thép sàn R f : Hợp lực cánh chịu nén R w : Hợp lực phần bụng chịu nén có chiều cao x w iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Nhà cao tầng khu vực (năm 1982)…………………… … …….3 Bảng 1.2 Nhà cao tầng khu vực (năm 2006)……………………… … ….4 Bảng 2.1 Loại mối nối giả thiết phân tích tổng thể………………… … …58 Bảng 3.1 Kết so sánh hiệu suất kết cấu dạng hình chữ nhật…….………… 74 Bảng 3.2 Kết so sánh hiệu suất kết cấu dạng hình bát giác………….…… ….75 Bảng 3.3 Kết so sánh hiệu suất kết cấu dạng hình tam giác……………….….75 Bảng 3.4 Kết so sánh chuyển vị khung phẳng…………………… ….… …79 Bảng 3.5 Kết so sánh khối lượng vật liêu chuyển vị đỉnh…………… ……86 76 Hình 3.10 sSo đồ kết cấu TH1 Hình 3.11: Sơ đồ kết TH2, TH3, TH4 77 TH1: Khung phẳng có cột biên khung với tiết diện giảm dần theo chiều cao: Hình 3.12: Mặt kết cấu khung phẳng TH1 TH2: Khung phẳng gồm cột với tiết diện cột: Hình 3.13: Mặt kết cấu khung phẳng TH2 Từ tầng đến tầng 27: cột biên bxh = 1000x1670; cột bxh = 1100x1900 Từ tầng 27 đến tầng 45: cột biên bxh = 1000x1200; cột bxh = 1080x1400 Từ tầng 45 đến tầng 72: cột biên bxh = 600x1000; cột bxh = 800x1200 TH3: Khung phẳng gồm cột với tiết diện cột: Hình 3.14: Mặt kết cấu khung phẳng TH3 Từ tầng đến tầng 27: cột biên bxh = 1100x1900; cột bxh = 1000x1670 Từ tầng 27 đến tầng 45: cột biên bxh = 1080x1400; cột bxh = 1000x1200 78 Từ tầng 45 đến tầng 72: cột biên bxh = 800x1200; cột bxh = 600x1000 TH4: Khung phẳng gồm cột với tiết diện cột: Hình 3.15: Mặt kết cấu khung phẳng TH4 Từ tầng đến tầng 27: cột biên bxh = 1300x2000; cột bxh = 830x1400 Từ tầng 27 đến tầng 45: cột biên bxh = 1250x1550; cột bxh = 800x1000 Từ tầng 45 đến tầng 72: cột biên bxh = 900x1300; cột bxh = 500x800 3.2.2 Kết so sánh Kết thống kê qua bẳng sau: 79 Bảng 3.4: Kết so sánh chuyển vị khung phẳng TH1 TH2 TH3 TH4 Mặt kết cấu Chuyển vị (mm) 608.8 663.4 643.2 621.0 Từ kết thấy kêt cấu có chứa megacolumn, kết cấu có tiết diện cột đưa biên cơng trình cho chuyển vị đỉnh bé so với trường hợp chia thành nhiều cột có tiết diện nhỏ nên việc lựa chọn kết cấu megacolumn kết cấu nhà siêu cao tầng có lợi mặt kết cấu 3.3 So sánh khung không gian Xét khung khơng gian kích thước 54.86x54.86m cao 386m gồm 105 tầng Diện tích mặt 3010.7m2, diện tích khu vực lõi 655.8m2 80 Việc so sánh dựa tiêu chí nguyên tắc sau: − Hệ kết cấu cho khu vực dịch vụ/lõi giống cho tất trường hợp − Vật liệu thép, bê tông tương tự cho tất trường hợp − Kết cấu sàn dầm tương tự cho tất trường hợp − Giới hạn chuyển vị tương tự cho tất trường hợp − Do thời gian có hạn nên việc tính tốn tiết diện bê tơng cốt thép cho dàm cột khó, nên ví dụ sử dụng kết cấu thép để so sánh Đối với trường hợp cột composite dùng hệ số quy đổi từ bê tông cấp độ bền B70 sang thép sau: khối lượng thép (tấn) = thể tích bê tơng (m3) x1.8/16 Các giả định tính tốn − Sàn coi tuyệt đối cứng mặt phẳng ngang − Thân lõi liên kết với qua sàn cứng tuyệt đối − Các giằng coi chịu kéo − Khối lượng cấu kiện phụ sàn, kết cấu lõi, bulong đinh tán không đưa vào tính tốn Kết so sánh mức độ tiêu tốn vật liệu chuyển vị tải trọng gió gây 3.3.1 Sơ đồ kết cấu TH1: Kết cấu khung ống (Framed Tube) Hệ kết cấu gồm hệ thống cột dọc dầm liêm kết với nhau, dầm cột liên kết với chu vi tòa nhà Khoảng cách cột chu vi 3.66m Kết cấu lõi bao gồm ống khung với khoảng cách cột 3.66m 81 Hình 3.16: Mặt mặt đứng TH1 Hình 3.17: Hình khơng gian TH1 TH2: Hệ kết cấu khung ống kết hợp Belt-Truss outrigger Hệ kết cấu gồm cột dọc dầm liên kết với nhau, dầm cột liên kết với chu vi cơng trình Khoảng cách cột chu vi tòa nhà 3.66m Có belt-truss cao tầng chu vi tòa nhà tầng 27, 51, 79, 105, dàn outrigger với chiều cao tầng bố trí tầng 27, 51, 79, 105 82 để liên kết lõi kết cấu chu vi nhà Kết cấu lõi bao gồm ống khung với khoảng cách cột 3.66m Hình 3.18: Mặt mặt đứng TH2 Hình 3.19: Hình khơng gian TH2 83 TH3: Kết cấu khung lớn (mega frame) Hệ kết cấu gồm miếng cứng tập trung góc tòa nhà kết nối với qua dàn với chiều cao tầng chu vi toàn nhà với khoảng cách theo chiều cao 15 tầng dàn Kết cấu lõi bao gồm ống khung với khoảng cách cột 3.66m Hình 3.20: Mặt mặt đứng TH3 84 Hình 3.21: Hình khơng gian TH3 TH4: Cột thép lớn với khung biên (Steel super columns with portals) Hệ kết cấu gồm cột lớn nằm góc cơng trình, cột liên kết với dàn với chiều cao tầng, tầng lại có dàn Kết cấu lõi bao gồm ống khung với khoảng cách cột 3.66m Hình 3.22: Mặt mặt đứng TH4 85 Hình 3.23: Hình khơng gian TH4 TH5: Cột tổ hợp với khung biên (Composite Steel super columns with portals) Hệ kết cấu gồm cột composite lớn nằm góc cơng trình, cột liên kết với dàn với chiều cao tầng, tầng lại có dàn Kết cấu lõi bao gồm ống khung với khoảng cách cột 3.66m Hình 3.24: Mặt mặt đứng TH5 86 Hình 3.25: Hình khơng gian TH5 3.3.2 Kết so sánh Từ kết tính tốn ta có kết chuyển vị đỉnh lượng vật liêu tiêu tốn cho kết cấu đứng theo chu vi sau: Bảng 3.5: Kết so sánh khối lượng vật liêu chuyển vị đỉnh Kq so sánh TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 Khối lượng thép KC đứng 1888 1867 1586 1625 1609 Chuyển vị đỉnh gió 788 763 732 706 666 87 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 TH1 TH2 TH3 Tiêu hao vật liệu TH4 TH5 Chuyển vị đỉnh Hình 3.26: Biểu đồ tương quan tiêu hao vật liệu chuyển vị đỉnh Lực cắt chân cơng trình 25000 20000 15000 Lực cắt chân cơng trình 10000 5000 Hình 3.27: Biểu đồ tương quan lực cắt chân cơng trình động đất gây 88 25000 20000 TH5 15000 TH4 TH3 10000 TH2 TH1 5000 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Hình 3.28: Biểu đồ tương quan lực cắt tầng động đất 89 KẾT LUẬN Từ ví dụ tính tốn ta đưa kết luận sau: Đối với mặt hình chữ nhật, hình bát giác, hình tam giác mặt có cột đỉnh hình có hiệu kết cấu cao mặt có cột vị trí khác Trong mặt hình tam giác, hình chữ nhật, hình bát giác có cột nằm điỉnh hình mặt hình tam giác có hiệu kết cấu cao nhất, 1.54 lần hình chữ nhật, 2.16 lần mặt hình bát giác Khung phẳng có cột nằm biên có độ cứng khung lớn Kết cấu có chứa cột siêu lớn có hiệu kết cấu cao nhất, đặc biệt kết cấu có cơt siêu lớn làm từ vật liêu tổ hợp thép bê tông Kiến nghị: Do cột siêu lớn megacolumn hiệu cho nhà siêu cao tầng nên cần có thêm đề tài nghiên cứu sâu vấn đề này, chẳng hạn dang liên kết hiêu với kết cấu khác outrigger, belt-truss ; tính tốn stud cột liên hợp 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt PGS.TS Phạm Văn Hội – Kết cấu liên hợp thép bê tông dùng nhà cao tầng, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội GS Ngô Thế Phong, Kết cấu nhà nhiều tầng bê tông cốt thép, Khoa sau đại học trường đâị học xây dựng, Hà Nội Tiếng anh Bungale S.Taranath (2010) - Reinforced Concrete Design of Tall Buildings, Taylor and Francis Group, LLC David Malott (2012)– Pioneering China’s Tallest: Form and Structure of the ping an finance centter, CTBUH Dr Oral Buyukozturk (2004)- High-Rise Buildings: Evolution and Innovations, IST group Gerasimidis, S Efthymiou, E & Baniotopoulos, C C (2009) “Optimum Outrigger Locations of High-rise Steel Buildings for Wind Loading.” EACWE Florence, Italy Hi Sun Choi (2009) - Super Tall Building Design Approach Mir M Ali and Kyoung Sun Moon (2007) - Structural Developments in Tall Buildings Current Trends and Future Prospects, University of Sydney Raymond Wong (1995) - The construction of Super High-rise Composite Structures in Hong Kong