Phân tích hiệu quả của hệ outrigger và belt wall trong nhà cao tầng

Bài viết nghiên cứu chuyển vị ngang tại đỉnh và mômen của vách tại móng bằng cách phân tích một số mô hình công trình 40 tầng bằng bê tông cốt thép có bố trí hệ outrigger và belt wall hoặc không có.

Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 76 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA HỆ OUTRIGGER VÀ BELT WALL TRONG NHÀ CAO TẦNG (ANALYSIS THE EFFECTS OF OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM FOR HIGH-RISE BUILDINGS ) KS Võ Văn Nam Bộ môn Kết cấu, Khoa Xây dựng, trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Hệ outrigger belt wall dùng phổ biến hệ kết cấu để điều khiển hiệu độ lệch mức tải trọng ngang tải trọng gió, tải trọng động đất…Trong trường hợp nhà cao tầng, tải trọng ngang trở nên nguy hiểm nhiều Trong báo cáo nghiên cứu chuyển vị ngang đỉnh mơmen vách móng cách phân tích số mơ hình cơng trình 40 tầng bê tơng cốt thép có bố trí hệ outrigger belt wall khơng có Abstract: The outrigger and belt wall system is commonly used as one of the structural systems to effectively control the excessive drift due to lateral loads such as wind, earthquake load… In case of high-rise buildings, lateral loads become much more dangerous This paper studies the deflection at the top, and the moment in core at basement by analysising some 40storey models with the outrigger and belt wall system or not Keywords: Outriggers, belt wall, high-rise buildings, wind load, earthquake load, optimum outrigger location, deflection Mở đầu: Hiện nay, việc thị hóa phát triển mạnh dẫn đến cơng trình xây dựng ngày nhiều Các cơng trình nhà cao tầng trở thành lựa chọn đặc biệt; thể ưu điểm tiết kiệm diện tích lịng thành phố chật hẹp thể nét thẩm mỹ, đại phát triển đô thị Với nhu cầu ngày nhiều, số lượng chiều cao cơng trình khơng ngừng tăng mạnh; yêu cầu đặt cho kết cấu nhà cao tầng đứng vững tác dụng tác động bên động đất, gió,…; đặc biệt kết cấu cơng trình có chiều cao lớn, cơng trình siêu cao tầng Đáp ứng yêu cầu thực tế, nhiều phương án kết cấu đưa phạm vi báo cáo này, xin giới thiệu hệ “outrigger and belt wall” Hệ outrigger belt wall hệ thống giúp cơng trình chống lại tải trọng ngang mà cột biên liên kết với vách lõi trung tâm qua belt wall outrigger cứng Cơ chế làm việc hệ tương đối đơn giản, cơng trình chịu tải trọng ngang, cụ thể tải trọng gió động đất, hệ thống giúp cản trở chuyển vị xoay lõi, lúc mômen tịa nhà chuyển vị đỉnh cơng trình nhỏ trường hợp cơng trình bố trí lõi cứng trung tâm Hình 1, 2 Nội dung Trong báo xét trường hợp bố trí hệ outrigger belt wall vị trí tiêu biểu theo chiều cao cơng trình; có tương ứng mơ hình tính tốn Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 Để đơn giản cho việc phân tích tính toán chấp nhận giả thiết sau: - Sơ đồ tính cơng trình mơ hình dạng console với đầu tự đầu ngầm mặt móng cơng trình; - Xem tải trọng ngang cơng trình (ở ta xét tải trọng gió) coi phân bố theo chiều cao cơng trình 77 P: lực dọc cột A: diện tích tiết diện ngang cột E: mođun đàn hồi vật liệu d: khoảng cách hai trục cột biện đối diện nhau; L: chiều cao cột biên tính từ mặt ngàm tới vị trí đặt outrigger - Dùng khái niệm K để độ cứng kết cấu bị xoay, ta nhận thấy độ cứng K liên quan đến hàng cột tương đương đối diện qua vách cứng trung tâm Ta thay hàng cột gối tựa lị xo có độ K1 , K cứng tương đương với K1  K  EA Xét góc xoay đơn vị L   1, lúc hàng cột số chịu kéo số chịu nén ta có độ cứng chống xoay O: Hình A' O A K1 B O' B' P K2 P   Hình 2.1 Trường hợp 1: hệ outrigger belt wall đỉnh cơng trình Center axial of core W External columns Central core wall Hình z=L Outrigger L Hình Xét quan hệ góc xoay vách cứng trung tâm với lực dọc cột biên: - Gọi d/2 khoảng cách trục vách cứng trung tâm trục cột biên Giả sử vách cứng trung tâm xoay góc  ta có cột biên khu vực kéo nén biến dạng dọc trục lượng là: d C    d - Nếu   đơn vị  C  lực dọc tương ứng cột biên lúc là: EA d P L Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 78 Gọi: z: khoảng cách mặt ngàm cơng trình đến vị trí đặt hệ outrigger theo chiều cao tòa nhà Trường hợp ta có z  L ;  w : góc xoay console vị trí z  L tải trọng ngang phân bố W gây ra; Với sơ đồ tính console chịu tải trọng phân bố ta có góc xoay đỉnh WL3 cơng trình là:  w  EI  S : góc xoay mơmen kháng uốn Hình 2.2 Trường hợp 2: hệ outrigger belt wall vị trí 0,75L Center axial of core vị trí z=L ta có: w  S   L Outrigger 3 WL /6 EI  M1  / K1  L / EI Kết mômen thu vách lõi W L WL M 1L M    EI EI K1 Belt wall External columns Central core wall z=0,75L console (ngược chiều với góc xoay tải trọng ngang gây ra)  L : góc xoay cuối console trung tâm: M f  M load  M1 Kết chuyển vị đỉnh tòa nhà thu  f theo tính tốn ngun lý cộng tác dụng:  WL4 M1L2 L2  WL2    M1   8EI 2EI 2EI   Kết tính tốn thể Hình (a, b, c):  f  load  1  Hình Phương trình đường đàn hồi cho chuyển vị y khoảng cách x tính từ đỉnh console: W y x  L3 x  3L4   24 EI Ta xét góc xoay đỉnh tải trọng ngang gây ra: dy W 3 y'    x L  dx 6EI W  3  y ' z  0,75L  y ' x  0,25L   L L  6EI  43   63 WL    64  EI Gọi M , K mômen chống xoay, độ cứng hệ outrigger belt wall gây trường hợp 2, M tạo góc xoay ngược với góc xoay tải trọng gây Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 79 (z=0,75l) Khi đó, ta có cân góc xoay:  63  WL M M        L  64  6EI K2 EI   Ta nhận thấy độ cứng hai dãy cột biên tương ứng đối diện qua vách lõi trung tâm, mà độ cứng cột tỷ lệ nghịch với chiều cao cơng trình nên ta có: K1 z2  K z1  K2  z1 L K1  K1  K1 z2 3L / Hình 2.3 Trường hợp 3: hệ outrigger belt wall vị trí z=0,5L Center axial of core Như ta xác định M : Outrigger W External columns f2 Xác định chuyển vị  f :   load   Central core wall Belt wall z=0,5L L  WL3 /6EI 63/64  WL3 /6EI  M2    1,313M1 1,313 1/ K1 L/ EI  3/4  1/ K1 L/ EI  WL4 15 M 2 WL4 15  1,313M  Hình 10  L    L EI 32 EI EI 32  EI  Tương tự, ta có phương trình xác định góc xoay tải trọng mômen chống  L2  WL2   1, 23M   xoay gây ra: EI   WL3 M  L  M    48 EI EI   K3 Với M , K3 mômen độ cứng Kết mômen trường hợp 2: tương ứng vị trí z=0,5L M f  M load  M  M load  1,313M1 Kết tính tốn thể Ta nhận thấy độ cứng dãy cột hình vẽ sau: biên tương ứng đối diện qua vách lõi trung tâm, mà độ cứng cột tỷ lệ nghịch với chiều cao cơng trình nên ta có: K1 z3  K3 z1   K3  z1 L K1  K1  K1 z3 L/2  WL3 / EI   M3     / K1  L / EI  Như vậy: M3  1,75M1 Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 Kết mômen thu chân vách lõi trung tâm: M f  M load  M  M load  1,75M1 Các chuyển vị tương ứng trường hợp là: WL4 f3   M L2 8EI  L2  WL2   1,31M1   2EI   Kết thu sau: Deflection with outrigger Moment due to outrigger M3 (b) z1 L K1  K1  K1 z4 L/4 37  WL3 / EI   M4    64  / K  L / EI  Như vậy:  K4  M4  2,3M1 Kết mômen chân vách lõi trung tâm:  Moment in core with outrigger Mf =Mload-1,75M1 (a) K1 z4  K4 z1 M f  M load  M  M load  2,3M1 Các chuyển vị tương ứng trường hợp là: Moment in core without outrigger Mload Deflection without outrigger 80 (c) f W L4 M  L2 8E I 32 EI  L2  W L2   M   2E I    Kết trường hợp thể hình 13 (a, b, c): 2.4 Trường hợp 4: hệ outrigger belt wall vị trí z=0,25L Center axial of core Central core wall L W Belt wall External columns z=0,25L Outrigger Hình 12 Tương tự, ta có phương trình xác định góc xoay tải trọng mômen chống xoay gây ra: 37 WL3 M L M   64 EI EI K Với M , K mơmen độ cứng tương ứng vị trí z=0,5L Ta nhận thấy độ cứng dãy cột biên tương ứng đối diện qua vách lõi trung tâm, mà độ cứng cột tỷ lệ nghịch với chiều cao cơng trình nên ta có: Hình 13 Vị trí tối ưu: Đối với nhà cao tầng chuyển vị đỉnh thành phần quan trọng nhất, ảnh hưởng đến tâm lý người sử dụng tiêu chí đánh Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 W M M x3  L3   x  L  x   x  EI EI Kx Như ta có chuyển vị đỉnh mômen M x gây ra:  3 Mx (L  x)(L  x) W  x  L   L  x L  x top   2EI 6EI  L  x / EI 1/ Kx    W  x3  L3   L  x L  x Outrigger Belt wall W External columns Central core wall z=0,545L L x=0,455L giá độ cứng kết cấu Như vậy, tìm vị trí đặt tầng cứng dọc theo chiều cao cơng trình để có chuyển vị tối ưu Như phân tích tính tốn trường hợp ta có: Góc xoay đỉnh console tải trọng gây ra: W w  x  L3   EI Góc xoay mơmen chống xoay gây cho console: M L  x  L  x EI Phương trình quan hệ góc xoay:  w   L  s 81 Center axial of core Hình 14 Những ví dụ tính tốn Nghiên cứu vào khảo sát số mơ hình tịa nhà 40 tầng bêtơng cốt thép trường hợp bố trí vách cứng khơng bố trí Phân tích so sánh giá trị chuyển vị đỉnh, mômen vách lõi trung tâm a Mặt bố trí tầng cứng Khơng có tầng cứng Có tầng cứng b Mặt đứng bố trí tầng cứng 6EI  L  x / EI   L  x / LK1  W  x3  L3   L  x 6EI 1/ EI 1/ LK1   W  x4  Lx3  xL3  L4  6EI 1/ EI 1/ LK1  top đạt cực trị  '   4x  3Lx  L3  W  4x  3Lx  L   Khơng có tầng cứng Tầng cứng z=L    4x3  3Lx2  L3   6EI 1/ EI 1/ LK1  Phương trình có nghiệm x  0, 455 L Như vậy, bố trí tầng cứng với khoảng cách x = 0,445L tính từ đỉnh console chuyển vị đỉnh nhỏ Tầng cứng z=0.75L Tầng cứng z=0.5L Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 82 + Tải trọng ngang dạng phân bố theo chiều cao nhà mà biến đổi theo dạng hình thang tam giác; trước dùng thể tải trọng gió gần tải trọng động đất + Thực tế cơng trình chịu tác dụng nhiều loại tải trọng, phạm vi nghiên cứu ta xét đến tác động tải trọng gió Tầng cứng z=0.25L c Kết - Sau nghiên cứu trường hợp bố trí tầng cứng kết luận sau: vị trí tầng cứng đỉnh giảm 29,31% chuyển vị ngang đỉnh, tầng cứng vị trí gần chiều cao tòa nhà (z=0,545L) chuyển vị ngang đỉnh giảm đến 36,42% Như vậy, vị trí tốt đặt tầng cứng gần vị trí chiều cao tịa nhà Biểu đồ so sánh giá trị mơmen vách lõi trung tâm Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang cơng trình Nhận xét - Kết luận - Trong tính tốn, số giả định cần thiết để đơn giản hóa vấn đề tính tốn tay Tuy nhiên, tính tốn cơng trình thực tế, nhiều giả định thỏa mãn, cụ thể là: - Về vị trí bố trí tầng cứng vấn đề quan tâm cịn liên quan đến kiến trúc, bố trí khơng gian tịa nhà; thế, kiến trúc sư kỹ sư kết cấu cần hợp tác với để lựa chọn giải pháp tốt  Phạm vi mở rộng đề tài: - Phạm vi 1: Ta mở rộng nghiên cứu tính tốn trường hợp đặt nhiều tầng cứng theo chiều cao cơng trình: Đối với trường hợp ta xác định giá trị mơmen cuối sau bố trí tầng cứng phương pháp cộng tác dụng trường hợp riêng rẽ M f  M load   M i Kết thể hình vẽ (Hình 16) Vấn đề quan trọng chuyển vị đỉnh, vị trí tầng cứng nằm vị trí thích hợp Để có kết tốt trường hợp sử dụng phương pháp tính trường hợp bố trí tầng cứng vẽ biểu đồ so sánh để tìm vị trí tốt Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 Hình 15 83 Hình 16 -Phạm vi 2: Nghiên cứu phương án bố trí tầng cứng nhà cao tầng Kết cấu thép với hệ outrigger belt wall hệ dàn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bungale S Taranath 2010 Reinforced concrete design of tall buildings, New York, Lon Don, CRC Press [2] Bungale S Taranath 1998 Analysis and Design of Tall Buildings, New York, McGrawHill Book Company [3] Po Seng Kian, Frits Torang Siahaan 2001 The use of outrigger and belt truss system for high-rise concrete, National University of Singapore [4] S Fawzia and T Fatima Deflection 2010 Control in Composite Building by Using Belt Truss and Outriggers Systems, World Academy of Science [5] TCXDVN 2737-1995 - Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế [6] TCXDVN 198 - 1997 - Tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép toàn  ... 1-2013 Hình 15 83 Hình 16 -Phạm vi 2: Nghiên cứu phương án bố trí tầng cứng nhà cao tầng Kết cấu thép với hệ outrigger belt wall hệ dàn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bungale S Taranath 2010 Reinforced... hình 13 (a, b, c): 2.4 Trường hợp 4: hệ outrigger belt wall vị trí z=0,25L Center axial of core Central core wall L W Belt wall External columns z=0,25L Outrigger Hình 12 Tương tự, ta có phương... x Outrigger Belt wall W External columns Central core wall z=0,545L L x=0,455L giá độ cứng kết cấu Như vậy, tìm vị trí đặt tầng cứng dọc theo chiều cao cơng trình để có chuyển vị tối ưu Như phân