Khảo sát vị trí của hệ outrigger để đạt hiệu quả cao nhất trong việc hạn chế hiệu ứng biến dạng co ngắn không đều của cột nhà cao tầng bê tông cốt thép

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, việc đặt hệ outrigger tại ½ chiều cao công trình trong nhà cao tầng sẽ mang lại hiệu quả cao nhất trong việc hạn chế co ngắn không đều của cột bê tông c[r]

KHẢO SÁT VỊ TRÍ CỦA HỆ OUTRIGGER ĐỂ ĐẠT HIỆU QUẢ CAO NHẤT TRONG VIỆC HẠN CHẾ HIỆU ỨNG BIẾN DẠNG CO NGẮN KHÔNG ĐỀU

CỦA CỘT NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

INVESTIGATING THE LOCATION OF AN OUTRIGGER SYSTEM TO REACH THE HIGHEST EFFECTIVENESS IN REDUCING UNEVEN SHORTENING DEFORMATION OF

COLUMNS IN HIGH-RISE REINFORCED CONCRETE BUILDINGS

Lê Cao Tuấn1, Trần Quang Hưng1, Lê Cao Vinh2

1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; lctuan@dut.udn.vn; tqhung@dut.udn.vn 2Trường Đại học Duy Tân; caovinhdtu@gmail.com

Tóm tắt - Co ngắn cột bê tơng cốt thép làm tăng nội lực đáng kể cấu kiện dầm nhà cao tầng Để hạn chế tượng sử dụng hệ outrigeer Tuy nhiên cần phải xác định vị trí hệ outrigeer đạt hiệu cao việc hạn chế co ngắn không cột vấn đề quan tâm Bài báo nghiên cứu vị trí đặt hệ outrigger theo chiều cao cơng trình để mang lại hiệu cao việc hạn chế phát sinh nội lực biến dạng không cột vách Sự co ngắn chênh lệch cột vách tượng từ biến đàn hồi tuân theo quy định ACI 209R - 92 (1997) Quá trình diễn biến theo thời gian bao gồm giai đoạn thi cơng giai đoạn sử dụng Một ví dụ số với nhà 30 tầng cho thấy ảnh hưởng co ngắn không đến nội lực dầm, đồng thời chứng minh vị trí hệ outrigger có ảnh hưởng đáng kể việc hạn chế tượng

Abstract - Shortening reinforced concrete columns helps to considerably increase internal forces for girder structures in high-rise buildings However, it is necessary to locate the outrigger system to reach the highest effectiveness in reducing the uneven shortening of columns, which is currently a matter of concern This article examines the position to place the outrigger system in line with the height of a building in order to yield the highest effectiveness in reducing internal forces that may arise due to uneven deformation of columns and walls The difference between columns and walls in shortening results from creep and elasticity in conformity with the regulations of the ACI 209R - 92 (1997) code This process happens in the flow of time and consists of the construction stage and the operation stage An example of a 30-storey building shows the effect of uneven shortening on the internal forces in girders, thereby proving that the position of the outrigger system exerts noticeable influence on the task of overcoming the above phenomenon Từ khóa - Nhà cao tầng; từ biến; co ngắn cột; hệ outrigger; giai

đoạn thi công

Key words - High-rise building; creep; column shortening; outrigger system; construction stage

1.Đặt vấn đề

Co ngắn cấu kiện thẳng đứng (cột, vách) tượng cần lưu ý nhà cao tầng bê tông cốt thép Các cột khác cơng trình có độ co ngắn khác dẫn đến hiệu ứng nội lực tăng thêm kết cấu dầm liên kết cột-vách, gây nghiêng sàn nhà mức cho phép, làm nứt phận phi kết cấu [1, 2, 4, 8, 9, 10] Sự co ngắn chủ yếu gây biến dạng đàn hồi tượng từ biến Các yếu tố lại phụ thuộc vào giai đoạn thi cơng giai đoạn thi cơng cho giá trị tải trọng đứng khác Ngoài từ biến phụ thuộc thời gian tác dụng Việc đưa yếu tố vào tính tốn kết cấu vấn đề tương đối khó khăn nhiều thời gian

Một số nghiên cứu rằng, ảnh hưởng tượng co ngắn rõ nhà nhiều tầng Đối với nhà khoảng 20 tầng, co ngắn không cột vách gây nội lực tăng thêm dầm ngang có giá trị lên đến ¾ giá trị nội lực tải trọng thẳng đứng gây nên [8, 9, 10]

Việc hạn chế co ngắn chênh lệch vấn đề cần quan tâm, đặc biệt nhà siêu cao tầng Trong phương án kết cấu nhà cao tầng, dạng kết cấu có sử dụng hệ outrigger (tầng cứng) sử dụng muốn huy động cột xung quanh tham gia chịu lực lõi/vách bên Phương án hiệu việc tăng độ cứng ngang cho cơng trình [4] Vì hệ outrigger làm việc dầm ngang cứng nối cấu kiện thẳng đứng nên ngồi vai trị tăng cường độ cứng ngang nhà

đã đề cập trên, hệ outrigger tận dụng làm hệ kết cấu giúp cân co ngắn khơng cột mà liên kết Theo số nghiên cứu cho thấy hệ outrigger có vai trị đáng kể việc hạn chế biến dạng không cột vách [11]

Nghiên cứu giúp định lượng ảnh hưởng vị trí đặt hệ outrigger theo chiều cao cơng trình hạn chế co ngắn khơng cấu kiện thẳng đứng nhà cao tầng bê tông cốt thép

2.Từ biến bê tông phương pháp áp đặt co ngắn vào mô hình kết cấu theo giai đoạn thi cơng

2.1.Biến dạng bê tông từ biến

Nghiên cứu sử dụng mơ hình tính biến dạng ACI 209R-92 Viện Kết cấu Bê tông Cốt thép Hoa Kỳ, mơ hình nhiều tác giả khác khuyên dùng tương đối đơn giản mang tính thực tế cao [5, 6, 7]

Tổng biến dạng bê tông nằm kết cấu thời điểm t xác định bởi:

( )

0 0

( , )t t J t t, ( )t

 =  (1)

Trong đó:

• Ứng suất (t0) lực dọc tác dụng thời điểm

t0 chia cho diện tích cột

• J(t,t0) gọi hàm suất biến dạng, hiểu tổng

( )

0

0

1 ,

( , )

cmt

t t J t t

E + 

= (2)

Trong công thức (2) Ecmto môđun đàn hồi bê tông

tại thời điểm t0 (đơn vị MPa):

0

1,5 0,043

cmt c cmt

E =  f (3)

Trong đó, γc khối lượng riêng bê tông (kg/m3)

fcmto cường độ chịu nén trung bình bê tơng thời

điểm chất tải t0 (MPa), xác định sau:

0

28

cmt cm

t

f f

a bt

=

+ (4)

fcm28 cường độ chịu nén 28 ngày tuổi; a b

hằng số mà tỉ số a/b biểu diễn số ngày tuổi mà bêtơng đạt ½ cường độ cuối (xem bảng A.4 ACI 209R-92) Hệ số từ biến (t, t0) xác định sau:

0

0

( )

( , )

( ) u

t t t t

d t t

 

−

 = 

+ − (5)

d (đơn vị ngày tuổi)  hệ số [2] Có thể lấy

=1 d=f với:

-2 {1,42 10 ( / )}

26 V S

f = e  (6)

Tỉ số V/S=(thể tích cấu kiện bê tơng)/(diện tích bề mặt cấu kiện), u hệ số từ biến cực hạn, lấy gần u=2,35

2.2.Phương pháp tính biến dạng áp đặt co ngắn vào mơ hình theo giai đoạn thi cơng

Biến dạng cột tính theo phương pháp cộng biến dạng phần tải trọng thẳng đứng ứng với giai đoạn thi công [9, 10] Gọi N1, N2, N3 lực dọc tác

dụng vào cột xét thời điểm t1<t2<t3

Biến dạng cột thời điểm t3:

3

( )t (N ) (N ) (N )

 = + + (7)

Với biến dạng thành phần lực thời điểm khác gây tính theo công thức (1):

( )

1 1

(N ) J t t, ( )t

 = 

( )

2 2

(N ) J t t, ( )t

 = 

( )

3 3

(N ) J t t, ( )t

 = 

Gọi L chiều dài cột, tổng co ngắn cột thời điểm xét:

3

( ) ( )

L t  t L

 =  (8)

Giả sử ta quan tâm đến việc áp đặt biến dạng vào cột mơ hình tính tốn kết cấu Gọi chênh lệch biến dạng giai đoạn liên tiếp là:

1

( )ti ( )ti (ti )

   −

 = − (9)

Việc áp đặt biến dạng vào cột theo giai đoạn biểu diễn Hình Nội lực hệ thời điểm bẳng tổng nội lực tất mơ hình trước mơ hình thời điểm xét [9,10]

Hình Áp đặt biến dạng theo giai đoạn thi công [9] Nếu cột đứng độc lập ta áp đặt biến dạng chuyển vị cưỡng đầu cột Tuy nhiên với cơng trình cụ thể, ta áp đặt chuyển vị cưỡng vào nút đỉnh cột rõ ràng cột vách cơng trình liên kết với thơng qua dầm tạo thành hệ siêu tĩnh, biến dạng cột bị cột khác ngăn cản Để khắc phục vấn đề dùng phương pháp biến dạng nhiệt tương đương [8, 9, 10] Phương pháp tạo biến dạng tương đương cách gia lượng nhiệt âm vào cấu kiện cột xét cho co ngắn nhiệt co ngắn theo tính tốn

Gọi K hệ số giãn nở nhiệt giả định, K lượng

nhiệt biến thiên cần thiết để gia vào cột để gây biến dạng co ngắn tương đương Δε, xác định sau:

K K

L K

L

   

 =  =  (10)

3.Sự làm việc vai trò hệ outrigger hạn chế co ngắn cột

Nếu xét độ cứng kết cấu nhà nhiều tầng, hệ outrigger bố trí để tăng độ cứng ngang cơng trình Xét kết cấu Hình 2, cột xung quanh huy động tham gia chịu lực lõi bên có lực ngang tác dụng, hệ outrigger đóng vai trị địn nối cột vào lõi

Nếu coi độ cứng chống uốn hệ outrigger lớn so với cột vị trí tối ưu hệ outrigger trường hợp sau [4]:

• Khi có hệ outrigger: 1/2 chiều cao H nhà

• Khi có n hệ outrigger: đặt 1/(n+1), 2/(n+1),…, n/(n+1) chiều cao H nhà

Hình Vai trị outrigger hạn chế co ngắn chênh lệch [11]

Ngoài vai trò tăng độ cứng nhà trên, liên kết cấu kiện đứng với nên hệ outrigger giúp cân phần co ngắn không cấu kiện Thật vậy, Hình cho thấy cột bị co ngắn nhiều lõi thơng qua outrigger có độ cứng lớn, lõi giúp kéo cột lên phần

Hiện tượng co ngắn không cấu kiện thẳng đứng phụ thuộc vào giai đoạn thi công Các nghiên cứu trước [11] cho thấy dầm ngang tầng khác có ảnh hưởng khác tượng Do ta cần phải xác định hệ outrigger đặt vị trí hợp lý nhất, để chệnh lệch biến dạng cấu kiện thẳng đứng cơng trình nhỏ Khi nội lực phát sinh nguyên nhân gây bé

4.Hiệu hệ outrigger hạn chế co ngắn

4.1.Đối tượng mô

Đối tượng tính tốn khung bê tơng cốt thép 30 tầng, chiều cao cơng trình 3,6m Khung cột vách bố trí đối xứng, tiết diện cột thay đổi lần tầng 10 tầng 20 (Hình 4) Tuy nhiên để đánh giá ảnh hưởng vị trí hệ outrigger việc hạn chế co ngắn không cột cơng trình cần đặt vị trí khác (tại tầng 5, tầng 10, tầng 15, tầng 20, tầng 25, tầng 30) tương ứng theo chiều cao cơng trình (1/6H, 1/3H, 1/2H, 2/3H, 5/6H) để khảo sát

Bê tông cấp độ bền chịu nén B25, tải trọng thẳng đứng truyền vào cột chấp nhận giống tất tầng, giá trị sau:

• Cột A (cột biên): NA=198kN • Cột B (cột giữa): NB=330kN • Vách: NV=580,8kN

Hình Khung nhà 30 tầng có (phải) khơng có (trái) hệ outrigger

Với mục đích nghiên cứu hiệu hệ outrigger đến hạn chế co ngắn nên nghiên cứu khơng mơ xác kết cấu outrigger thực tế mà chấp nhận mơ hình thành kết cấu có chiều cao chiều cao tầng, bề dày bề dày vách đứng

Hình Biến dạng cột vách tầng theo thời gian Thời gian thi công tầng T=14 ngày (2 tuần) Các số liệu tính tốn tính đến thời điểm năm kể từ kết thúc thi cơng

Biểu đồ HÌNH biểu diễn tổng biến dạng chênh lệch biến dạng theo giai đoạn cột B vách tầng Từ biến dạng chênh lệch Δε tính lượng nhiệt tương ứng cần áp đặt vào cấu kiện giai đoạn Mơ hình gia nhiệt tương đương giai đoạn thi cơng tầng 10 biểu diễn HÌNH

Khơng có tầng cứng

Tầng cứng tầng Tầng cứng tầng 10

Tầng cứng tầng 20 Tầng cứng tầng 30

Tầng cứng tầng 15 Tầng cứng tầng 25 4.2.Kết

Hình biểu diễn diễn biến mômen đầu số dầm nối cột B vách theo thời gian phương án khơng có hệ outrigger đặt hệ outrigger vị trí khác cơng trình

Hình So sánh mômen đầu số dầm cột B vách theo giai đoạn thi công tương ứng với vị trí đặt hệ outrigger

Kết cho thấy, vị trí đặt hệ outrigger có ảnh hưởng nhiều việc hạn chế ảnh hưởng co ngắn không lên cấu kiện dầm Chú ý rằng, hệ outrigger phát huy vai trò kể từ thời điểm bố trí vào hệ Nếu xét dầm tầng 11 (Hình 7a) tầng cứng đặt tầng 10 mơ men dầm giảm nhiều tức vị trí tầng cứng trường hợp hiệu nhất; nhiên xét dầm tầng 16 (Hình 7b) tầng cứng đặt tầng 15

lại hiệu nhất; xét dầm tầng 21 (Hình 7c) tầng cứng đặt tầng 20 lại hiệu Vậy vị trí tầng cứng ảnh hưởng khác đến dầm tầng khác nhau, dầm gần tầng cứng mơ men dầm giảm nhiều

Hình biểu diễn giá trị chênh lệch mômen đầu dầm nối cột B vách ứng với tầng thời điểm xét cuối cho trường hợp khơng có hệ outrigger so với có hệ outrigger đặt vị trí khác Chú ý vị trí tầng đặt hệ outrigger dầm mang tính tượng trưng thay dầm hệ vách

Hình Hiệu vị trí đặt hệ outrigger việc giảm hiệu ứng dầm

Theo kết Hình cho thấy, hệ khơng đặt tầng cứng ngun nhân biến dạng khơng cột

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm

Xong tầng 30

Thời gian (tuần)

M ôm e n (T m )

Tầng cứng tầng 10

MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 11

a)

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm

Xong tầng 30

Thời gian (tuần)

M

ôm

en (T

.m

)

Tầng cứng tầng 10

MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 11

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10 M ôm en (T m )

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm

Xong tầng 30

Tầng cứng tầng 15

Thời gian (tuần) MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 16 b)

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm

Xong tầng 30

Thời gian (tuần)

M ôm e n (T m )

Tầng cứng tầng 10

MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 11

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10 M ôm e n (T m )

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm Xong tầng 30

Tầng cứng tầng 15

Thời gian (tuần)

MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 16

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10

Tầng cứng tầng 20

Sau năm Sau năm Sau năm

Sau năm Xong tầng 30

Thời gian (tuần)

MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 21

M ôm e n (T m )

c)

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 0.0 -20.0

- 40.0 50 100

Khơng có tầng cứng Tầng cứng tầng 10 Tầng cứng tầng 20 Tầng cứng tầng 30

T ần g T ần g

Mômen (T.m) Chênh lệch (%)

Khơng có tầng cứng Tầng cứng tầng Tầng cứng tầng 15 Tầng cứng tầng 25

T ần g T ần g

Mômen (T.m) Chênh lệch (%)

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 0.0 -20.0

ảnh hưởng lớn dầm tầng 16 với M = -39 (T.m) Nếu có hệ có bố trí tầng cứng giảm đáng kể mơmen dầm ngun nhân gây Tuy nhiên bố trí hệ outrigger tầng tầng 30 mơmen dầm không giảm nhiều việc bố hệ outrigger từ tầng 10 đến tầng 20 (tức từ 1/3 đến 2/3 chiều cao cơng trình)

Hình thể tổng phần trăm chệnh lệch mômen dầm tất tầng đầu nối cột B vách vị trí tầng cứng so với hệ khơng có tầng cứng Theo Hình tổng phần trăm chênh lệch mômen dầm tầng cứng đặt tầng 30 thấp tầng cứng đặt tầng 15 cao nhất, tầng cứng đặt tầng 15 đạt hiệu cao

Hình Tổng phần trăm chênh lệch mô men dầm vị trí outrigger so với hệ khơng có tầng cứng Hình 10 cho thấy, mơmen lớn dầm nối cột B vách cho phương án bố trí tầng cứng vị trí khác Khi hệ khơng có tầng cứng mơmen lớn đầu dầm nối cột B vách M= -39,2 (T.m), theo kết Hình 10 tầng cứng đặt tầng 15 mơmen lớn dầm lại M = -18 (T.m) đạt hiệu cao so với vị trị đặt tầng cứng vị trí khác

Hình 10 Mơmen lớn dầm cho các vị trí khác tầng cứng

5.Kết luận

Nghiên cứu rằng, việc đặt hệ outrigger ½ chiều cao cơng trình nhà cao tầng mang lại hiệu cao việc hạn chế co ngắn không cột bê tông cốt thép nhà cao tầng, mômen dầm ngang phân bố lại đặn so với vị trí tầng cứng

Ngay có outrigger mơ hình lực dọc cột tầng khơng cịn truyền trực tiếp cột tầng nữa, phần lực outrigger chịu (chuyển thành lực cắt outrigger truyền qua vách), mơ hình mơ biến dạng cịn hạn chế chưa mô tả truyền mà coi toàn lực dọc truyền trực tiếp xuống bên

Nghiên đề cặp đến hệ bố trí outrigger Tuy nhiên, cơng trình cao tầng siêu cao tầng thường bố trí nhiều hệ outrigger nên cần có khảo sát để tìm vị trí tối ưu trường hợp này, đồng thời phối hợp cách tương vị trí tối ưu xét độ cứng ngang

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Cao Duy Khơi, Ngơ Hồng Qn Hiện tượng co ngắn cột thiết

kế nhà cao tầng siêu cao tầng bê tông cốt thép Viện Khoa học công nghệ Xây dựng Hà Nội, 2012

[2] ACI 209R - 92(1997) Prediction of Creep, Shrinkage, and

temperature Effects in Concrete Structures Reported by ACI Committee 209

[3] ACI 318-08 Building code requirements for structural concrete and

commentary, 2008

[4] Bryan Stafford Smith, Alex Coull Tall building Structures -

Analysis and Design John Wiley & Sons, Inc 1991

[5] F Mola, L M Pellegrini, Effects of column shortening in Tall

Buildings. 35th Conference on Our world in concrete & structures:25 - 27 August 2010, Singapore

[6] FINTEL M., GHOSH S.K., IYENGAR H Column shortening in tall

structures Prediction and compensation PCA, 1987

[7] M Hassanien Serror and A Essam El-Din, Assessment of internal

Forces Induced due to Differential Shortening of Vertical Elements in Typical Medium - to High - Rise Buildings Journal of American Science, 2012

[8] Nguyễn Chính Nghĩa Nghiên cứu ảnh hưởng co ngắn không

đều cột vách bê tông cốt thép đến nội lực nhà cao tầng Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng, 2015

[9] Trần Quang Hưng, Lê Cao Tuấn Phương pháp đánh giá ảnh hưởng

co ngắn không cột vách đến nhà cao tầng Hội nghị Công nghệ xây dựng tiên tiến hướng đến phát triển bền vững- ATCESD 2015, trang 27-35, Đà Nẵng 8/2015

[10]Trần Quang Hưng Một phương pháp phân tích nhà cao tầng

bêtông cốt thép chịu co ngắn không cấu kiện thẳng đứng do biến dạng đàn hồi từ biến Tạp chí Xây dựng, số 12-2015, trang 144-147

[11]Lê Cao Tuấn, Trần Quang Hưng Hiệu hệ Outrigger

việc hạn chế co ngắn không cột nhà cao tầng bê tông cốt

thép Hội nghị Công nghệ xây dựng tiên tiến hướng đến phát triển

bền vững- ATCESD 2016, trang 29-33, Đà Nẵng 8/2016

(BBT nhận bài: 04/12/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/12/2018)

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm

Xong tầng 30

Thời gian (tuần)

M

ôm

e

n (T

.m

)

Tầng cứng tầng 10

MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 11

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10

M

ôm

e

n (T

.m

)

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm

Xong tầng 30

Tầng cứng tầng 15

Thời gian (tuần)

MÔ MEN TRONG DẦM TẦNG 16

0 45 90 135 180 225 270

-40 -30 -20 -10

Tầng cứng tầng 20

Sau năm Sau năm

Sau năm Sau năm

Xong tầng 30

Thời gian (tuần)

MƠ MEN TRONG DẦM TẦNG 21

M

ơm

e

n (T

.m

)

826 1355

1525 1500

1223

623

5 10 15 20 25 30

0 400 800 1200 1600

Vị trí đặt tầng cứng

T

ổng

ph

ần t

ră

m

c

hê

nh

lệ

ch (

%)

-39.2 -32.2

-24.7 -18

-23.9 -29.1

-35.7

0 10 15 20 25 30

-40 -30 -20 -10

Vị trí đặt tầng cứng

Mơ

m

en

(T

.m