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

1 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 Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng, Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp với đề tài: ‘‘Nghiên cứu khống chế dao động sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn thiết kế” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Bùi Thanh Nhiên MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu .1 Phương pháp nghiên cứu .1 Cơ sở khoa học thực tiễn luận văn Bố cục đề tài: .2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG .3 1.1 Quá trình hình thành phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông giới .4 1.1.2 Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông Việt Nam 1.2 Một số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.2.1 Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông giới .6 1.2.2 Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông Việt Nam 1.3 Đặc tính kết cấu liên hợp thép – bê tông 11 1.3.1 Kiến trúc 11 1.3.2 Kinh tế 11 1.3.3 Chịu nhiệt chống ăn mòn 11 1.3.4 Thi công 12 1.4 So sánh tính ưu việt kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác .12 1.5 Tổng quan sàn liên hợp thép - bê tông 15 1.5.1 Yêu cầu cấu tạo sàn liên hợp thép - bê tông 15 1.5.2 Sự làm việc sàn liên hợp thép - bê tông 17 1.6 Kết luận chương 18 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG 19 2.1 Giới thiệu rung động sàn liên hợp thép – bê tông .19 2.2 Lý thuyết thiết kế rung động sàn liên hợp thép – bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) 20 2.2.1 Nguyên lý rung động sàn 20 2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá việc với tần số thấp tầng số cao 22 2.2.3 Tần số tự nhiên hệ thống sàn liên hợp 27 2.3 Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn hoạt động 29 2.3.1 Tiêu chuẩn áp dụng 29 2.3.2 Các thông số yêu cầu bắt buộc 29 2.4 Kết luận chương 34 CHƯƠNG KIỂM SOÁT VÀ KHỐNG CHẾ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN 35 3.1 Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn hoạt động 35 3.1.1 Sơ đồ khối thuật toán đánh giá dao động hệ thống sàn liên hợp 35 3.1.2 Ví dụ tính tốn đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông dựa AISC DG11 37 3.1.3 Đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông phần mềm SAP2000 V20 44 3.2 Khống chế dao động sàn liên hợp thép bê tông thiết kế 47 3.2.1.Tăng chiều dày sàn bê tông 48 3.2.2.Tăng kích thước dầm chính, dầm phụ 48 3.3 Kết luận chương 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ Học viên: Bùi Thanh Nhiên Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Nhờ vào ưu điểm bật mặt kết cấu tốc độ thi công, sàn liên hợp thép bê tông sử dụng ngày phổ biến hàng loạt cơng trình từ thương mại, công nghiệp đến nhà Việt Nam Tuy nhiên, vấn đề khống chế dao động sàn hoạt động người gây chưa quan tâm đầy đủ thiết kế sàn liên hợp Hạn chế rung động để đáp ứng tiêu chí thoải mái người yêu cầu quan trọng thiết kế sàn Luận văn xây dựng qui trình thuật toán để đánh giá ảnh hưởng hoạt động người lên sàn liên hợp thép bê tông dựa Hướng dẫn thiết kế kết cấu thép số 11 Viện Thép xây dựng Hoa kỳ Đề tài so sánh kết tính tốn gia tốc theo phương pháp phân tích lý thuyết với kết tính tốn dựa phương pháp phần tử hữu hạn Các yếu tố khác ảnh hưởng đến dao động sàn liên hợp thép - bê tông khảo sát đánh giá Từ khóa – sàn liên hợp; dao động; gia tốc; độ võng; hoạt động VIBRATION CONTROL IN DESIGN OF LARGE-SPAN COMPOSITE CONCRETE-STEEL FLOORS Abstract: Composite concrete-steel floors have been popular structural elements in a wide range of building types including commercial, industrial and residential buildings in Vietnam, due to their remarkable advantages in structural efficiency and speed of construction However, vibration of floors is not sufficiently considered during the design of composite concrete-steel floors Limiting the vibration to meet the criteria of human comfort is one of important requirements in floor design The thesis developed the analytical procedure to evaluate the influence of human induced walking excitation on the composite concrete-steel floors based on the Steel Design Guide 11 of the American Institute of Steel Construction The research also compared the acceleration calculated from the analytical theory with that from the finite element method Other parameters having impact on vibration of composite concrete-steel floors were also investigated and assessed Key words - composite floor; vibration; acceleration; deflection; walking excitation DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh kích thước dầm liên hợp với dầm không liên hợp khả chịu lực 13 Bảng 1.2 So sánh kích thước dầm cột liên hợp với dầm cột bê tông cốt thép thường khả chịu lực 14 Bảng 1.3 So sánh trọng lượng thép giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng, nhịp 14 Bảng 1.4 So sánh trọng lượng thép giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng, ba nhịp 14 Bảng 1.5 So sánh trọng lượng thép dầm sàn 15 Bảng 2.1 Tần số hoạt động hệ số động 24 Bảng 2.2 Khuyến nghị gia tốc giới hạn thiết kế sàn 29 Bảng 3.1 Kết đánh giá dao động sàn tăng chiều dày sàn với khoảng cách dầm phụ thay đổi .42 Bảng 3.2 Kết đánh giá dao động sàn tăng độ cứng dầm dầm phụ44 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cầu Melan Arch Hình 1.2 Dầm thép thường dầm thép liên hợp Hình 1.3 One Atlantic Center, Atlanta (USA), 50 tầng .5 Hình 1.4 Tòa nhà 35 tầng Major Bank Dallas, Texas (USA) Hình 1.5 Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo) Hình 1.6 Citibank Duisburg (Germany) Hình 1.7 Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM Hình 1.8 Trung tâm thương mại tài Bitexco, TP Hồ Chí Minh .9 Hình 1.9 Vietinbank Tower, Hanoi Hình 1.10 Khách sạn JW Marriott, Hà Nội 10 Hình 1.11 Dự án nhà hoạt động đa 169 Nguyễn Ngọc Vũ .10 Hình 1.12 Sàn liên hợp với tơn thép định hình 15 Hình 1.13 Hình dạng tơn thép định hình 16 Hình 1.14 Kích thước sàn tơn thép định hình 16 Hình 1.15 Các dạng tạo liên kết điển hình sàn liên hợp 17 Hình 1.16 Sự làm việc sàn liên hợp 17 Hình 1.17 Tiết diện phá hoại dạng phá hoại khác 18 Hình 2.1 Bệnh viện Plymouth Derriford 19 Hình 2.2 Một dạng dao động điển hình sàn .21 Hình 2.3 Phản ứng cộng hưởng 22 Hình 2.4 Giới hạn cho phép tần số gia tốc đỉnh 23 Hình 2.5 Sơ đồ đơn giản phản ứng dao động .23 Hình 2.6 Mơ hình tải trọng thẳng đứng người 24 Hình 2.7 Hệ số động, α, so với tần số tự nhiên 25 Hình 2.8 Phản ứng xung bước chân 26 Hình 2.9 Tổng trọng lượng hệ thống sàn 30 Hình 2.10 Chiều rộng tham gia làm việc dầm phụ 31 Hình 2.11 Chiều rộng tham gia làm việc dầm 33 Hình 3.1 Diện tích sàn xét tính tốn 37 Hình 3.2 Mặt cắt ngang sàn 38 Hình 3.3 Mặt sàn mơ 45 Hình 3.4 Chi tiết ô sàn (2-3)/(B-C) xem xét dao động 45 Hình 3.5 Gia tốc sàn vị trí điểm a 46 Hình 3.6 Gia tốc sàn vị trí điểm b 46 Hình 3.7 Giao thoa gia tốc sàn vị trí điểm a điểm b 47 Hình 3.8 So sánh phản ứng sàn trước sau thay đổi chiều dày sàn 47 Hình 3.9 Gia tốc tính toán tăng độ cứng dầm 48 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Sàn liên hợp thép bê tông công nghệ hàng đầu ngành xây dựng giới nói chung Việt Nam nói riêng Trước kia, sử dụng kết cấu bê tơng cốt thép thơng thường, cơng trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước cấu kiện kết cấu lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng giảm tính thẩm mỹ Để khắc phục nhược điểm trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông sử dụng phổ biến cho cơng trình nhà nhiều tầng nhà khung nhịp lớn Kết cấu tận dụng ưu điểm riêng đặc trưng lý vật liệu thép bê tông để tạo kết cấu liên hợp có khả chịu lực độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả chống cháy Cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp đáp ứng công sử dụng cao, hiệu kinh tế đảm bảo tính thẩm mỹ Bên cạnh ưu việt mà sàn liên hợp thép bê tơng mang lại có vấn đề đặt ra: sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn trước yếu tố tác động dao động nào, cách để kiểm soát hạn chế rung động cần quan tâm nghiên cứu điều cần thiết Vậy nên đề tài “Nghiên cứu khống chế dao động sàn liên hợp thép bê tơng nhịp lớn thiết kế” có ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu đề tài a) Mục tiêu tổng quát: Nhận dạng dao động sàn liên hợp - thép bê tông nhịp lớn biện pháp hạn chế dao động b) Mục tiêu cụ thể: - Nghiên cứu dao động sàn liên hợp thép bê tông hoạt động người - Nghiên cứu biện pháp kiểm soát khống chế dao động kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn Đối tượng nghiên cứu: - Sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn Phạm vi nghiên cứu: - Hạn chế dao động kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông hoạt động người Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu sở lý thuyết dao động sàn liên hợp thép - bê tông - Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 V20 để mô dao động hệ kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông Cơ sở khoa học thực tiễn luận văn: Nghiên cứu luận văn dựa sở Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) biên soạn xuất tháng năm 2016 số tài liệu tham khảo liên quan Ngồi luận văn áp dụng kiến thức sức bền vật liệu, học kết cấu phần mềm SAP2000 V20 để tính toán dao động theo AISC DG11 Bố cục đề tài: Chương 1: Tổng quan sàn liên hợp thép - bê tơng 1.1 Q trình hình thành phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.2 Một số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tơng 1.3 Đặc tính kết cấu liên hợp thép - bê tơng 1.4 So sánh tính ưu việt kết cấu liên hợp thép - bê tông so với kết cấu khác 1.5 Tổng quan sàn liên hợp thép - bê tông 1.6 Kết luận chương I Chương 2: Một số vấn đề dao động sàn liên hợp thép bê tông 2.1 Giới thiệu rung động sàn liên hợp thép - bê tông 2.2 Lý thuyết thiết kế rung động sàn liên hợp thép - bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) 2.3 Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tơng nhịp lớn cho kích thích 2.4 Kết luận chương Chương 3: Kiểm soát hạn chế dao động sàn liên hợp thép bê tơng nhịp lớn 3.1 Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn cho kích thích 3.2 Khống chế dao động sàn liên hợp thép bê tông thiết kế 3.3 Kết luận chương Kết luận kiến nghị Moment quán tính chuyển đổi: y= 0,22 (m) Ij = 6,48E+08 (mm ) Tải phân bố tác dụng lên dầm phụ: wj = 6,36 (kN/m) Tính độ võng dầm phụ: ∆j = 12,63 (mm) Tần số dầm phụ : fj = 5,02 (Hz) Ta có: de = 75 (mm) Ds = 5424,107 (mm3 ) Dj = 287901,13 (mm3 ) Chiều rộng hiệu dầm: Cj = 2,00 ≤ Bj = 8,89 Lj/Bj = 1,35 Wj = 452,47 > 18 (m) 0,70 nên: (kN) (lưu ý: công thức W j nhân thêm 1,5 dầm liên tục L j /B j > 0,7) Tính tốn dầm chính: Chiều rộng sàn BT hiệu = 3,60 (m) Chiều rộng sàn BT thay đổi = 0,56 (m) (Vùng bê tông sàn) Chiều rộng sàn BT thay đổi = 0,28 (m) (Vùng bê tông thép định hình) Diện tích mặt cắt BT thay đổi = Diện tích mặt cắt BT thay đổi = Moment quán tính chuyển đổi: y= 0,26 (m) Ig = 1,24E+09 (mm ) 0,03 0,01 (m2 ) (m ) Tải tập trung tương đương tác dụng lên dầm chính: wg = 34,65 (kN/m) Tính độ võng dầm chính: ∆g= 11,33 (mm) Tần số Dầm : fg= 5,30 (Hz) Cg = 1,80 (Vùng bê tông sàn) (Vùng bê tông thép định hình) + trọng lượng dầm đơn vị chiều dài Cg = 1,80 Dg = 103734,88 (mm3 ) Bg = 20,91 ≤ 24 (m) Lg/Bg = 0,43 < 0,7 Wg = 543,46 (kN) (lưu ý: công thức W g nhân thêm 1,5 dầm liên tục L g /B g > 0,7) Sự làm việc liên hợp: Tần số tự nhiên bản: fn= 3,64 (Hz) Ta có: 0,5 ≤ 7,00 ≤1 Tính độ lệch giảm: 11,46 (mm) Khối lượng sàn liên hợp: W= 495,77 (kN) Đánh giá dao động sàn hoạt động bộ: Gia tốc đỉnh: 0,005431 0,50% → 0,54% Không đạt yêu cầu dao động - Các trường hợp hợp lại với S 3,00m 4,50m tương ứng với chiều dày sàn,h, 0,11m; 0,12m; 0,13m; 0,14m; 0,15m có quy trình tính tốn tương tự trường hợp S=2,25m Bảng tính đánh giá dao động sàn hoạt động gây ví dụ Trường hợp 1: Như tính tốn ví dụ luận văn, có dầm W530x74, dầm phụ W460x52 Trường hợp 2: Thay kích thước dầm trường hợp thành W530x82 Số liệu đầu vào Theo ASTM A992, bảng 2-4 Stell Construction Manual (ASIC, 2011): Fy = 345 MPa Giới hạn đàn hồi chịu kéo thép Fu = 450 MPa Giới hạn bền chịu kéo thép Theo ASTM A992, bảng 1-1 Stell Construction Manual (ASIC, 2011): Dầm phụ W18x35(W460x52): Dầm W21x55 (W530x82): 2 Aj = 6645,15 mm A g = 10451,59 mm I x = 2,12E+08 mm d= 449,58 mm wt = 52,08 kG/m Kích thước hình học sàn: Số bước cột Chiều rộng sàn Chiều dài sàn I x = 4,74E+08 mm d= 528,32 mm wt = 81,84 kG/m Khoảng cách Lg = Lj = 12 Tổng cộng 27 36 β= Ec = 0,03 24000 MPa Hệ số cản Môđun đàn hồi bê tông Es = 210000 MPa Môđun đàn hồi thép hc = 0,08 m Chiều cao phần bê tơng phía sóng tole hd = 0,05 m Chiều cao sóng tole TT = HT = P0 = S= wc = wd = Tĩnh tải Hoạt tải Tải trọng Khoảng cách dầm phụ 0,20 kN/m 0,50 kN/m 0,289 kN 3,00 m 2400 kg/m 10 kg/m Khối lượng riêng bê tông Trọng lượng phần sàn thép định hình Trọng lượng sàn (slab+deck) = Tính tốn dầm phụ: Tính tỷ lệ chuyển đổi: n= 6,48 2,62 kN/m Chiều rộng sàn BT hiệu = Chiều dày sàn BT hiệu = Chiều rộng sàn BT thay đổi = 3,00 0,08 0,46 (m) (m) (m) Diện tích mặt cắt BT thay đổi = 0,04 (m2 ) Đơn vị m m Moment quán tính chuyển đổi: y= 0,27 (m) Ij = 7,9E+08 (mm ) Tải phân bố tác dụng lên dầm phụ: wj = 10,47 (kN/m) Tính độ võng dầm phụ: ∆j = 17,03 (mm) Tần số dầm phụ : fj = 4,32 (Hz) Ta có: de = 105 (mm) Ds = 14883,75 (mm3 ) Dj = 263441,05 (mm3 ) Chiều rộng hiệu dầm: Cj = 2,00 Bj = 11,70 ≤ Lj/Bj = 1,03 > Wj = 735,11 18 (m) 0,70 nên: (kN) (lưu ý: công thức W j nhân thêm 1,5 dầm liên tục L j /B j > 0,7) Tính tốn dầm chính: Chiều rộng sàn BT hiệu = 3,60 (m) Chiều rộng sàn BT thay đổi = 0,56 (m) (Vùng bê tông sàn) Chiều rộng sàn BT thay đổi = 0,28 (m) (Vùng bê tơng thép định hình) Diện tích mặt cắt BT thay đổi = Diện tích mặt cắt BT thay đổi = Moment quán tính chuyển đổi: y= 0,29 (m) Ig = 1,56E+09 (mm ) 0,04 0,01 (m2 ) (m ) Tải tập trung tương đương tác dụng lên dầm chính: wg = 42,69 (kN/m) Tính độ võng dầm chính: ∆g= 11,12 (mm) Tần số Dầm : fg = 5,35 (Hz) (Vùng bê tơng sàn) (Vùng bê tơng thép định hình) + trọng lượng dầm đơn vị chiều dài Cg = 1,80 Dg = 130163,26 (mm3 ) Bg = 19,32 ≤ 24 (m) Lg/Bg = 0,47 < 0,7 Wg = 618,61 (kN) (lưu ý: công thức W g nhân thêm 1,5 dầm liên tục L g /B g > 0,7) Sự làm việc liên hợp: Tần số tự nhiên bản: fn= 3,36 (Hz) Ta có: 0,5 ≤ 7,00 ≤1 Tính độ lệch giảm: 8,55 (mm) Khối lượng sàn liên hợp: W= 696,17 (kN) Đánh giá dao động sàn hoạt động bộ: Gia tốc đỉnh: 0,00427 0,50% → 0,43% Sàn đạt yêu cầu dao động - Các trường hợp đánh giá dao động sàn hoạt động gây tăng độ cứng dầm dầm phụ ví dụ có quy trình tính toán tương tự ` 1)/oUHOC DA TRlf(')'NG Di).lllQC HO CONG llOA xA HOl CUU NGHIA VJ~~T NAM NANG BAcH KIIOA sa 1-101 DONG DQc Iftp - Tu' - l lanh phuc DANI-I CIA LU~N VAN TH~C llQc vicn: Bili Thanh Bien ban HQi d6ng Bang c1iSm cua hoc vicn cao hoc Ly lich khoa hoc cua hoc vien Bien ban kiSm phieu Nhan xet Sy Nhicn ~ NII~N lIQ VATEN TT PGS.IS TS , , J GS.TS P1Wll1 Van HQi Truong l loai Chinh Le Khanh TO~lI1 TRAcn Nlll~M TRONG nor DONG 13it 11 1111(III xet Clnt tich H(3i dong X Tint' 101 H(Ji dong « Pllidll t1idll1 X < t< Phon bien ~ I - xnr PGS.IS Triln Quang I-Tung Phon bien - t>< '-"' ~-~. -~ TS Hoang Tut1n Nghla TS Tr5n Anh Thi¢n U)! vien ~ ~ Nguoi huong don Do Nfll1g, ~, ~ O;:r- th611$ Thl\' ky l-iQi dong t 201.y 110m xi\ CONG UOA GAl HOC DA NANG TRlfONG DAI HOC BAcH 1