Hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tẩng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẶNG BÁ LIÊN HẠN CHẾ ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG CO NGẮN CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẶNG BÁ LIÊN HẠN CHẾ ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG CO NGẮN CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Hạn chế ảnh hưởng tượng co ngắn cột bê tông cốt thép thiết kế nhà cao tầng” công trình nghiên cứu thân nghiên cứu, tính toán hướng dẫn khoa học thầy giáo TS Trần Anh Thiện Các số liệu luận văn có nguồn trích dẫn, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đặng Bá Liên ii HẠN CHẾ ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG CO NGẮN CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG Học viên: Đặng Bá Liên Mã số: 60.58.02.08 Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Khóa: K32, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt–Hiện tượng co ngắn cột, đặc biệt độ vênh co ngắn, gây nhiều vấn đề cho nhà cao tầng Để hạn chế ảnh hưởng co ngắn cột, giá trị co ngắn cần tính tốn xác Luận văn so sánh kết tính tốn phương pháp phân tích theo giai đoạn thi cơng, có xét khơng xét đến co ngót từ biến, với phương pháp phân tích thơng thường cho cơng trình nhà cao 30 tầng bê tông cốt thép, sử dụng phần mềm ETABS Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng việc sử dụng hệ tầng cứng đến hạn chế co ngắn cột Kết phân tích cho thấy độ vênh co ngắn tầng đỉnh theo phân tích thơng thường lớn gấp 10 lần giá trị phân tích theo giai đoạn thi công, giá trị momen uốn liên kết dầm-lõi cứng lớn lần giá trị phân tích theo giai đoạn thi cơng Nghiên cứu sử dụng hệ tầng cứng giúp giảm đáng kể độ vênh co ngắn cột vách .Từ khóa: co ngắn cột, độ vênh co ngắn, bê tông cốt thép, nhà cao tầng REDUCTION OF DIFFERENTIAL COLUMN SHORTENING IN DESIGN OF REINFORCED CONCRETE TALL BUILDINGS Abstract –Column shortening, especially differential column shortening, can cause several problems for tall buildings To minimize the effect of differential column shortening, the column shortening values should be accurately estimated This thesis compares the construction sequence analysis (CSA), with and without creep and shrinkage, with regular analysis of a 30-story reinforced concrete building using ETABS.Thestudyalso investigates the effectiveness of using outrigger systemsin controlling column shortening The results show that the differential column shortening from regular analysis is almost ten times as that from CSAat the top story, and the bending moment at the top floor beam-core wall connection approximately doubles that from CSA The study also indicates that using outriggers help reduce significantly the differential column shortening between columns and adjacent shear walls Keywords:column shortening, differential column shortening, reinforced concrete, tall building, highrise building iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung chương mục trình bày luận văn .2 CHƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆU ỨNG CO NGẮN CỘT ĐẾN NỘI LỰC NHÀ CAO TẦNG 1.1 Khái niệm nhà cao tầng 1.2 Lịch sử phát triển nhà cao tầng 1.2.1 Nhà cao tầng Hoa Kỳ .4 1.2.2 Nhà cao tầng Châu Âu 1.2.3 Nhà cao tầng Mỹ La tinh, Trung Đông Châu Á 1.2.4 Nhà cao tầng Việt Nam 1.3 Các hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng 1.3.1 Đặc điểm chịu lực nhà cao tầng 1.3.2 Đặc điểm sử dụng vật liệu .10 1.3.3 Các hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng 11 1.3.3.1 Hệ khung chịu lực 12 1.3.3.2 Hệ tường chịu lực 13 1.3.3.3 Hệ lõi chịu lực 14 1.3.3.4 Hệ hộp chịu lực 15 1.3.3.5 Hệ hỗn hợp: khung – tường (Vách) chịu lực 17 1.3.3.6 Hệ khung – lõi chịu lực 18 1.3.3.7 Hệ khung – hộp chịu lực 19 1.3.3.8 Hệ hộp – tường chịu lực 19 1.3.3.9 Hệ hộp - lõi chịu lực (ống ống) 19 1.3.3.10 Hệ tường - lõi chịu lực 20 iv 1.3.3.11 Hệ khung - vách – lõi .21 1.3.3.12 Hệ kết cấu nhà cao tầng dạng tầng cứng .21 1.4 Tải trọng tác động nhà cao tầng 22 1.4.1 Tải trọng thẳng đứng .22 1.4.2 Tải trọng ngang 22 1.4.3 Các loại tải trọng khác 22 1.5 Một số vấn đề thiết kế nhà cao tầng 22 1.5.1 Thỏa mãn yêu cầu kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng 22 1.5.2 Đảm bảo độ bền ổn định 22 1.5.3 Chống cháy 23 1.6 Hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép 23 1.7 Các nhân tố ảnh hưởng co ngắn cột 25 1.7.1 Biến dạng đàn hồi cột vách chịu tải trọng nén, phụ thuộc vào .25 1.7.2 Co ngót bê tơng, phụ thuộc vào 25 1.7.3 Từ biến, phụ thuộc vào 25 CHƢƠNG MỘT SỐ MƠ HÌNH TÍNH TỐN BIẾN DẠNG CỦA CỘT VÀ VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG NHÀ CAO TẦNG 27 2.1 Một số mơ hình tính tốn biến dạng cột bê tơng cốt thép 27 2.1.1 Mơ hình ACI 209R-92 27 2.1.2 Mơ hình Bazant-Baweja B3 28 2.1.3 Mơ hình CEB MC90-99 29 2.1.4 Mơ hình GL2000 30 2.2 Tính biến dạng co ngắn cột theo giai đoạn thi công 31 2.2.1 Nguyên tắc chung trình tự giai đoạn thi cơng 31 2.2.1.1 Xét biến dạng cột tầng 31 2.2.1.2 Xét biến dạng cột tầng 32 2.2.2 Phương pháp phân tích nội lực chuyển vị cấu kiện mơ hình tính tốn nội lực sử dụng phần mềm Etabs 33 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO GIAI ĐOẠN THI CƠNG 34 3.1 Giới thiệu chung mơ hình hóa kết cấu, thuyết minh tính tốn 34 3.1.1 Thiết lập mơ hình tính tốn .34 3.1.2 Cơ sở lập thuyết minh tính tốn 36 3.1.3 Áp dụng công thức ACI 209R-92 vào tính tốn biến dạng 36 3.2 Xây dựng mơ hình phân tích 36 v 3.2.1 Khảo sát mơ hình khơng sử dụng tầng cứng 36 3.2.2 Khảo sát mơ hình có sử dụng tầng cứng tầng 15 36 3.2.3 Khảo sát mơ hình có sử dụng hai tầng cứng tầng 10 tầng 20 36 3.3 Kết tính tốn nội lực, biến dạng co ngắn cột cho mơ hình ứng với ba trường hợp .37 3.3.1 Tính tốn, phân tích mơ hình khơng sử dụng tầng cứng 37 3.3.1.1 Kết nội lực dầm liên kết lõi vách cột biên 38 3.3.1.2 Phân tích xét chuyển vị cho khung trục lõi vách (nút 14) cột (nút 5) 41 3.3.2 Khảo sát mơ hình sử dụng tầng cứng tầng 15 45 3.3.2.1 Xét nội lực dầm liên kết lõi vách cột biên ứng với trường hợp 46 3.3.2.2 Phân tích xét chuyển vị cho khung trục lõi vách (nút 14) cột (nút 5) 49 3.3.3 Khảo sát mơ hình có sử dụng hai tầng cứng tầng 10 tầng 20 53 3.3.3.1 Xét nội lực dầm liên kết lõi vách cột biên ứng với trường hợp 54 3.3.1.2 Phân tích xét chuyển vị cho khung trục lõi vách (nút 14) cột (nút 5) 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 Một số cơng trình nhà cao tầng Việt Nam 1.2 Chiều cao lớn thích hợp cho nhà BTCT liền khối (m) 10 3.1 Tổng hợp giá trị momen dầm liên kết lõi vách (2C) cột (2D) số tầng điển hình: 40 3.2 So sánh vênh co ngắn cột 43 3.3 Tổng hợp giá trị nội lực dầm liên kết cột (2D) lõi vách (2C) số tầng điển hình tầng cứng 48 3.4 So sánh vênh co ngắn cột 51 3.5 Tổng hợp giá trị nội lực dầm liên kết cột (2D) lõi vách (2C) số tầng điển hình tầng cứng 56 3.6 So sánh vênh co ngắn cột 59 3.7 So Sánh co ngắn cột mơ hình trường hợp 61 3.8 So Sánh co ngắn cột mô hình trường hợp 62 3.9 So Sánh co ngắn cột mơ hình trường hợp 64 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Một số hình ảnh nhà cao tầng Chicago 1.2 Một số hình ảnh nhà cao tầng New York 1.3 Một số hình ảnh nhà cao tầng Châu Âu 1.4 Chiều cao tòa nhà tiếng giới 1.5 Sơ đồ tổ hợp hệ chịu lực nhà cao tầng 11 1.6 Sơ đồ hệ khung chịu lực 12 1.7 Sơ đồ hệ tường chịu lực 13 1.8 Hình dạng vách cứng 14 1.9 Các hệ lõi chịu lực 14 1.10 Các hệ hộp chịu lực 15 1.11 Cơng trình “JinMao Tower” Thượng Hải 16 1.12 Hệ hỗn hợp Khung – Tường (Vách) chịu lực 17 1.13 Sơ đồ giằng 17 1.14 Sơ đồ khung – giằng 18 1.15 Hệ khung – lõi chịu lực 18 1.16 Nhà có vách cứng dạng dàn 19 1.17 Các giải pháp lõi - ống, ống ống 20 1.18 Kết cấu khung – vách – lõi 21 1.19 Sự làm việc hệ kết cấu nhà cao tầng dạng tầng cứng 21 1.20 Độ vênh co ngắn ảnh hưởng đến khả chịu lực dầm sàn gây nứt vỡ tường kính, vách ngăn, nứt dầm, sàn 25 1.21 Biến dạng bê tông theo thời gian từ biến, co ngót 25 1.22 Hàm số co ngót theo thời gian dựa tiêu chuẩn ACI 26 1.23 Hàm số cường độ nén theo thời gian dựa tiêu chuẩn ACI 26 2.1 Hàm số từ biến theo thời gian dựa tiêu chuẩn ACI 28 2.2 Biến dạng cột tầng theo giai đoạn thi công 32 2.3 Biến dạng cột tầng theo giai đoạn thi cơng 33 3.1 Mặt điển hình nhà cao tầng 34 3.2 Mơ hình khung tính tốn 35 3.3 Sơ đồ khơng gian chuyển vị 37 viii Số hiệu hình Tên hình Trang 3.4 Biểu đồ momen ứng với trường hợp 39 3.5 Sơ đồ chuyển vị ứng với trường hợp 42 3.6 Biểu diễn co ngắn cột cho trường hợp 44 3.7 Sơ đồ không gian chuyển vị 45 3.8 Biểu đồ momen ứng với trường hợp 47 3.9 Sơ đồ chuyển vị ứng với trường hợp 50 3.10 Biểu diễn co ngắn cột cho trường hợp 52 3.11 Sơ đồ không gian chuyển vị 53 3.12 Biểu đồ momen ứng với trường hợp 55 3.13 Sơ đồ chuyển vị ứng với trường hợp 58 3.14 Biểu diễn co ngắn cột cho trường hợp 60 3.15 Biểu diễn co ngắn cột cho trường hợp 62 3.16 Biểu diễn co ngắn cột cho trường hợp 63 3.17 Biểu diễn co ngắn cột cho trường hợp 65 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - So sánh độ vênh co ngắn trường hợp với nhau: Kết phân tích cho thấy; + Phân tích theo trường hợp 1: Độ chênh co ngắn cộng dồn từ tầng lên tầng có giá trị lớn tầng 30 với mơ hình khơng sử dụng tầng cứng có giá trị 10,59mm, lớn so với mơ hình sử dụng tầng cứng khoảng 33% so với mơ hình sử dụng hai tầng cứng khoảng 54% + Phân tích theo trường hợp 2: Độ chênh co ngắn có giá trị lớn tầng 15 với mơ hình khơng sử dụng tầng cứng có giá trị 6,55mm, lớn so với mơ hình sử dụng tầng cứng khoảng 60% so với mơ hình sử dụng hai tầng cứng khoảng 56% + Phân tích theo trường hợp 3: Độ chênh co ngắn có giá trị lớn tầng 15 với mơ hình khơng sử dụng tầng cứng có giá trị 10,0mm, lớn so với mơ hình sử dụng tầng cứng khoảng 75% so với mơ hình sử dụng hai tầng cứng khoảng 71% - So sánh độ vênh co ngắn mơ hình với nhau: Kết phân tích cho thấy + Mơ hình khơng sử dụng tầng cứng: Khi phân tích theo trường hợp độ chênh co ngắn cộng dồn từ tầng lên tầng có giá trị lớn tầng 30 có giá trị 10,59mm, lớn so với trường hợp khoảng 92% so với trường hợp khoảng 90% + Mơ hình sử dụng tầng cứng: Khi phân tích theo trường hợp độ chênh co ngắn cộng dồn từ tầng lên tầng có giá trị lớn tầng 30 có giá trị 7,0mm, lớn so với trường hợp khoảng 90% so với trường hợp khoảng 88% + Mơ hình sử dụng hai tầng cứng: Khi phân tích theo trường hợp độ chênh co ngắn cộng dồn từ tầng lên tầng có giá trị lớn tầng 30 có giá trị 4,84mm, lớn so với trường hợp khoảng 90% so với trường hợp khoảng 80% Như vậy, qua phân tích, so sánh kết mơ hình với trường hợp cho thấy: - Độ vênh co ngắn tầng đỉnh, theo phân tích thơng thường lớn gấp 10 lần so với trường hợp phân tích theo giai đoạn thi cơng phân tích theo giai đoạn thi cơng có kể đến từ biến co ngót - Nghiên cứu sử dụng hệ tầng cứng làm giảm đáng kể độ vênh co ngắn cột vách cụ thể : Khi sử dụng mơ hình hai tầng cứng, độ vênh co ngắn giảm khoảng 50% so với mô hình khơng sử dụng tầng cứng Khi sử dụng mơ hình 67 tầng cứng độ vênh co ngắn giảm khoảng 30% so với mơ hình khơng sử dụng tầng cứng - Nghiên cứu giá trị momen uốn liên kết dầm-lõi, phân tích theo trường hợp khác nhau, cụ thể: Đối với tầng đỉnh theo phân tích thơng thường lớn gấp đơi giá trị phân tích theo giai đoạn thi cơng có kể đến từ biến co ngót Từ kết phân tích trên, thân đề xuất tính tốn thiết kế nhà cao tầng cần phân tích theo giai đoạn thi cơng có xét đến từ biến co ngót kết tính tốn co ngắn tương đối xác với thực tế Đồng thời, sử dụng hệ tầng cứng cho nhà cao tầng, nhằm hạn chế tượng co ngắn cột bê tông cốt thép thiết kế nhà cao tầng 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Thanh Huấn (2009) Kết cấu nhà cao tầng Bêtông cốt thép, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, tr.10-20 [2] Cao Duy Khơi, Ngơ Hồng Qn (2012), 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 [3] Hồ Việt Hùng (2012), ETABS – Kiến thức sử dụng, biên soạn KetcauSoft – Phát triển phần mềm thiết kế kết cấu Việt Nam Hà Nội, 2014 [4] Ngô Thế Phong, Lý Trần Cường, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh (2000), Kết cấu bê tông cốt thép (Phần cấu kiện bản), NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Ngô Thế Phong, Lý Trần Cường, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh, Kết cấu bê tông cốt thép (Phần kết cấu nhà cửa), NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] TCVN 2737-1995 Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế [7] TCVN 5574:2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế [8] Bộ Xây dựng - Viện KHCN Xây dựng (2004), Tập huấn KHCN sau đại học: Thiết kế nhà cao tầng [9] W.Sullo (1976), Kết cấu nhà cao tầng (Phạm Ngọc Khánh, Lê Mạnh Lân, Trần Trọng Chi dịch từ tiếng Nga), NXB Xây Dựng, Hà Nội, 1995 Tiếng Anh [10] ACI 318-08, Building code requirements for structural concrete and commentary, 2008 [11] ACI 209R – 92(1997), Prediction of Creep, Shrinkage, and temperature Effects in Concrete Structures, Reported by ACI Committee 209, tr.26-31 [12] Arthur H Nilson (1997), Design of Conrete Structures, twelfth edition, McGrawHill Company, Printed in Singapore [13] Bryan Stafford Smith, Alex Coull (1991), Tall building Structures – Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc [14] F Mola, L M Pellegrini (2010), Effects of column shortening in Tall Buildings, 35th Conference on Our world in concrete & structures: 23-25 August 2010, Singapore [15] Fintel M, Ghosh S.K., Iyengar H – Column shortening in tall structures Prediction and compensation, PCA, 1987 [16] M Hassanien Serror and A Essam El-Din (2012), Assessment of internal Forces Induced due to Differential Shortening of Vertical Elements in Typical Medium – to 69 High – Rise Buildings , Journal of American Science 2012 [17] Smith, Bryan Stafford Tall Building Structures: Analysis and Design McGrawHill, 1991 ... trình thiết kế 1.6 Hiện tƣợng co ngắn cột bê tông cốt thép Co ngắn cột tượng bê tông cốt thép chịu lực theo phương thẳng đứng (cột, lõi, vách) bị biến dạng co ngắn tác dụng tải trọng, co ngót... trình nhà cao tầng bê tông cốt thép Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu tìm hiểu nguyên nhân tượng co ngắn cột bê tông cốt thép thiết kế nhà cao tầng - Nghiên cứu phương pháp để hạn chế tác hại tượng. .. trúc ảnh hưởng đến tâm lý người sử dụng, nhiều đơn vị tư vấn thiết kế chưa quan tâm đến tượng Vì thế, đề tài nghiên cứu ? ?Hạn chế ảnh hưởng tượng co ngắn cột bê tông cốt thép thiết kế nhà cao tầng”