Đối với việc thiết kế kết cấu nhà cao tầng bài toán hạn chế chuyển vị ngang công trình luôn đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo độ bền cũng như sự làm việc bình thường của công trình Bài báo này đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang công trình từ việc phân bổ độ cứng khung vách một cách hợp lý tạo ra sự tương tác lý tưởng nhất giữa hai bộ phận chịu lực chính của công trình Từ một thể tích bê tông nhất định sự phân bổ độ cứng khung vách được thực hiện thông qua việc lựa chọn tiết diện hợp lý cho dầm và cột cũng như bố trí hệ vách cứng ở những vị trí nào để đảm bảo có lợi nhất cho công trình Nghiên cứu cho thấy cần phải có sự tương quan độ cứng nhất định giữa dầm và cột thì mới đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang công trình Tại một chiều cao nhất định có thể cắt bỏ vách cứng nhằm tiết kiệm vật liệu và cũng góp phần hạn chế chuyển vị ngang công trình Các kết quả được phân tích sơ bộ từ công thức giải thích và phân tích số bằng phần mềm phần tử hữu hạn
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN VĂN QUANG NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 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 - NGUYỄN VĂN QUANG NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG TÙNG Đà Nẵng – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Nguyễn Văn Quang ii NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Nguyễn Văn Quang Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Đối với việc thiết kế kết cấu nhà cao tầng, toán hạn chế chuyển vị ngang cơng trình ln đóng vai trị quan trọng nhằm đảm bảo độ bền làm việc bình thường cơng trình Bài báo đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang cơng trình từ việc phân bổ độ cứng khung-vách cách hợp lý, tạo tương tác lý tưởng hai phận chịu lực cơng trình Từ thể tích bê tơng định, phân bổ độ cứng khung-vách thực thông qua việc lựa chọn tiết diện hợp lý cho dầm cột, bố trí hệ vách cứng vị trí để đảm bảo có lợi cho cơng trình Nghiên cứu cho thấy cần phải có tương quan độ cứng định dầm cột đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang cơng trình Tại chiều cao định, cắt bỏ vách cứng nhằm tiết kiệm vật liệu góp phần hạn chế chuyển vị ngang cơng trình Các kết phân tích sơ từ cơng thức giải thích phân tích số phần mềm phần tử hữu hạn Từ khóa - Chuyển vị ngang, phân bổ độ cứng, cắt vách cứng, phần tử hữu hạn STUDYING AND ARRANGEMENT OF FRAME AND PARTITION TO LIMIT HOROZONTAL TRANSPOSITION OF ARMORED CONCRETE BUILDINGS Abstract - For the concept of high-rise buildings, the problem of decreasing the horizontal displacement plays an important role to ensure the resistance of the building This paper proposes a solution to decrease the horizontal displacement from the distribution of frame-wall rigidity, creating the most ideal interaction between the two main bearing components of the building From a certain volume of concrete, the distribution of the frame-wall rigidity is realized by choosing the appropriate cross section for the beam and column, as well as the position of the shear wall Research shows that a good correlation between the beam and the column stiffness contribute to decrease the horizontal displacement of the building At a certain height, it is possible to remove the shear wall to save material and also to limit the horizontal displacement of the building The results were analyzed using the analytical solution and the finite element method Key words - Horizontal displacement, distribution of the rigidity, remove the shear wall, finite element method iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung thực Bố cục đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Kết cấu nhà cao tầng xu hướng phát triển 1.1.1 Hệ kết cấu nhà cao tầng 1.1.2 Sự làm việc hệ kết cấu 1.1.3 Xu hướng phát triển nhà cao tầng 1.2 Ảnh hưởng chuyền vị ngang đến làm việc cơng trình 11 1.3 Các phương pháp hạn chế chuyển vị ngang cơng trình 12 1.3.1 Bố trí Outrigger 12 1.4 Phân phối bố trí độ cứng khung - vách hợp lý (tăng độ cứng cho thân cơng trình) 15 1.5 Kết luận chương 16 CHƢƠNG CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CƠNG TRÌNH CĨ SƠ ĐỒ KHUNG – GIẰNG DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG 17 2.1 Sự làm việc cơng trình cao tầng có sơ đồ khung – giằng 17 2.1.1 Kết cấu khung – giằng 17 2.2 Tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng 19 2.2.1 Tải trọng gió 19 2.2.2 Tải trọng động đất 22 2.3 Sự tương tác hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang 27 2.4 Phương pháp tính tốn gần cho hệ khung - vách chịu tải trọng ngang 29 2.5 Đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng 33 2.5.1 Giảm tác dụng tải trọng ngang lên cơng trình 33 iv 2.5.2 Tăng mơ men qn tính vách cứng 33 2.5.3 Thay đổi tỷ số độ cứng H 34 2.6 Cắt vách cứng tầng cao bố trí độ cứng khung tầng 34 2.7 Tăng lực tương tác đỉnh cơng trình QH 35 2.8 Kết luận chương 35 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG CƠNG TRÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN PHỐI ĐỘ CỨNG KHUNG - VÁCH 36 3.1 Mơ hình phân tích 36 3.1.1 Chọn sơ tiết diện dầm, cột, vách cứng .37 3.1.2 Lựa chọn kích thước tiết diện khung hợp lý 39 3.1.3 Xác định cao độ hạn chế thể tích vách cứng 41 3.1.4 Phân tích chuyển vị ngang cơng trình phương pháp phần tử hữu hạn 42 3.2 Kết luận 59 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GİẢ QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) v DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1: Thống kê số cơng trình cao tầng Việt Nam 10 2.1: Giá trị hệ số ứng xử q0 cho hệ có đặn theo mặt đứng 26 3.1: Bảng tổng hợp thể tích bê tơng 39 3.2: Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y(H) 41 3.3: Tổng hợp chu kỳ T(s) chuyển vị ngang yH (mm) 45 3.4: Tải trọng gió động khối lượng cơng trình 45 3.5: Tải trọng gió động khối lượng cơng trình 46 3.6: Tải trọng gió - Trường hợp 47 3.7: Tải trọng gió - Trường hợp 48 3.8: Tải trọng gió - Trường hợp 49 3.9: Tải trọng gió - Trường hợp 50 3.10: Tải trọng động đất - Trường hợp 51 3.11: Tải trọng động đất - Trường hợp 53 3.12: Tải trọng động đất - Trường hợp 55 3.13: Tải trọng động đất - Trường hợp 57 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1: Sự tương tác khung tường cứng 1.2: Hệ kết cấu bên 1.3: Hệ kết cấu bên 1.4: Hệ kết cấu khung - vách 1.5: Tải trọng sơ đồ chịu lực nhà 11 1.6: Chuyển vị nằm ngang nhà 12 1.7: Outtrigger Belt wall 13 1.8: Thực tế đa dạng hệ kết cấu 14 1.9: Outtrigger phát huy hiệu khác bố trí cao độ 14 1.10: Sự tương tác khung – vách 15 2.1: Hệ kết cấu khung giằng 17 2.2 Sơ đồ tính tốn gió động cơng trình 19 2.3: (a) Vách chịu tải trọng ngang phân bố đều; (b) Khung chịu tải trọng ngang; (c) Sự tương tác khung - vách 28 2.4: Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang 29 2.5: (a) Kết cấu khung - vách phẳng; (b) Phân tích liên tục cho kết cấu khung - vách; (c) Sơ đồ tự cho khung vách 30 2.6: Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang 34 3.1: Hệ kết cấu khung giằng 36 3.2: Diện tích chịu tải cột 38 3.3: Biểu đồ quan hệ yH H 40 3.4: Mặt khung giằng (cột 800x800) 42 3.5: Mặt khung giằng (cột 750x750) 43 3.6: Mặt tầng 1-13(vị trí chuẩn bị cắt vách) 43 3.7: Mặt tầng 14 - 20 (vị trí cắt vách tăng tiết diện dầm) 44 3.8: Mơ hình 3D cơng trình cắt vách 44 3.9: Chuyển vị ngang yz(mm) mức sàn cơng trình 59 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài 1.1 Đặt vấn đề Trong bối cảnh nay, với bùng nổ dân số, diện tích xây dựng lại có hạn, việc lựa chọn giải pháp nhà cao tầng xu tất yếu Ngày nhiều nhà cao tầng mọc lên thành phố lớn giới nước Mặt khác với tiến không ngừng khoa học cơng nghệ, cơng trình xây dựng giới nói chung Việt Nam nói riêng phát triển với cấp tiến chiều cao độ phức tạp Tại Việt Nam phát triển mạnh mẽ kinh tế xã hội dẫn đến số thành phố lớn dân số tập trung ngày đông đúc, nhu cầu nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn, … tăng lên đánh kể, quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ cơng tác, việc bố trí nhiều văn phịng cơng ty gần yếu tố thúc phát triển kinh tế, giảm chi phí vận hành … Điều thúc đẩy hình thành phát triển nhà cao tầng Đặc trưng chủ yếu nhà cao tầng số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động tải trọng ngang Khi chiều cao cơng trình tăng mức độ phức tạp tính tốn thiết kế gia tăng theo Đặc biệt việc xác định phản ứng cơng trình trước yếu tố tác động điều kiện bên tải trọng gió, động đất, … Đối với nhà cao tàng, ngồi việc chọn phương án kết cấu đủ đảm bảo khả chịu lực cho cơng trình, vấn đề thường phải đối diện thiết kế nhà cao tầng giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang Chuyển vị ngang cơng trình lớn khơng gây cảm giác khó chịu cho người sử dụng mà cịn làm hư hỏng hạng mục phụ kính, lan can Trung tâm Hành - TP Đà Nẵng Int.Commerce Centre – Hong Kong Tòa nhà Bitexco – TP HCM World Financial Center – Shanghai Hình 1: Một số nhà cao tầng SCIENTIFIC RESEARCH Lê Trường Duy, Nguyễn Anh Thư Applying buiding information modelling (bim) and common data environment (cde) in construction schedule management Phạm Anh Đức, Đào Uyên Nhi, Trần Thị Hồng Nhung Using game theory for analyzing negotiation strategies for bot projects Đàm Thu Trang 15 Identifications of the Vietnamese urban landscape architectural identities Ông Hoàng Trúc Giang, Lê Hoàng Phương, Đinh Xuân Thắng 18 The effect of two salt ion cl- and mg2+ to soil – cement strength in Viet Nam Phạm Đình Long, Nguyễn Thị Thủy Tiên 22 solutions for Ho Chi Minh city urban renewal by social capital Trần Cao Thanh Ngọc 26 Seismic behavior of reinforced concrete beam-wide column joints Văn Viết Thiên Ân, Trần Đức Hiếu 29 Effect of mixing on fresh and hardened ultra-high performance concrete Trần Thanh Dương, Phan Vũ Phương, Nguyễn Minh Long 33 prediction of flexural capacity of frp-strengthened unboned post-tensioned t-beams Vũ Ngọc Quang, Thân Thế Hùng 39 Survey of surface waves and high water levels for the inside and the government of the structure containing liquid side of wave Nguyễn Thị Kim Tú 43 Identifying green values in the southern traditional housing architecture Nguyễn Thị Tâm Đan 52 The use of building information model in green building design Nguyễn Thị Tuyết Dung 56 The experience of China and India in mobilizing capital for road construction and maintenance, lessons for Vietnam Võ Tấn Duy, Nguyễn Trọng Phước 60 The influence of higher modes to a dynamic component of the wind load on multi-storey structures Nguyễn Thanh Phong 65 Applied Geometric Brownian Motion to develop a compensation model for public private infrastructure projects Phạm Vũ Hồng Sơn, Châu Quang Đạt, Trần Đức Học 68 Production Scheduling For Dispatching Ready Mixed Concrete Trucks Using Hyper Multiple Object Grey Wolf Optimizer Algorithm And Discrete Event Simulation Trang Thu Dam 74 Solutions for preserving and developing cultural landscapes Đào Thị Như 79 Community participation issues and assessment in urban architectural heritage preservation in Hanoi Duong Diep Thuy, Le thiet Trung 83 Study the relationship between the settlement of single pile and pile group Lê Bảo Quốc 88 Design underground structure affected earthquake by using artificial accelerograms in soft soil Mai Chánh Trung, Nguyễn Duy Nhật 92 The influence of cement paste volume to rheological properties of freshly-mixed concrete by the time Nguyễn Anh Dũng, Phạm Thu Hiền 96 Effect of inside temperature rises on the mechanical characteristics of high damping rubber bearings Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Thành Đạt 99 The application deep soil mixing columns method to reinforce soft ground due to tunnelling metro line 1, Ben Thanh - Suoi Tien, HCMC Nguyễn Ngọc Phương, Nguyễn Thị Phương Thịnh 104 Shear resistance evaluation of reinforced concrete beam Nguyễn Văn Quang, Nguyễn Quang Tùng 108 Decrease the horizontal displacement basing on distributing of the structure rigidity Nguyễn Tấn Bảo Long 112 The method to calculate the settlement as function of time for the soft soil improved by soil cement columns “Trần Quốc Thái, Nguyễn Thị Thanh Mai, Nguyễn Thị Bích Phương 115 Viet Nam Urbanization and Urban Infrastructure Development in the New Context Chairman: Minister Pham Hong Ha Editor-in-Chief: Tran Thi Thu Ha Office: 37 Le Dai Hanh, Hanoi Editorial Board: 04.39740744; 0983382188 Design: Thac Cuong, Quoc Khanh Publication: No: 372/GP-BTTTT date 5th, July/2016 Account: 113000001172 Joint Stock Commercial Bank of Vietnam Industrial and Commercial Branch, Hai Ba Trung, Hanoi Printed in: Nhandan printing HCMC limited Company Editorial commission: Le Quang Hung, Ph.D (Chairman of Editorial commission) Assoc Prof Pham Duy Hoa, Ph.D Assoc Prof Nguyen Minh Tam, Ph.D Le Trung Thanh, Ph.D Tran Van Khoi, Ph.D Assoc Prof Ho Ngoc Khoa, Ph.D Scientific commission: Prof Nguyen Van Lien, Sc.D (Chairman of Scientific Board) Prof Phan Quang Minh, Ph.D Secretary of Scientific Council Prof Nguyen Thi Kim Thai, Ph.D Prof Nguyen Huu Dung, Ph.D Prof Cao Duy Tien, Ph.D Prof Hiroshi Takahashi, Ph.D Prof Chien Ming Wang, Ph.D Prof Ryoichi Fukagawa, Ph.D Prof Nguyen Quoc Thong, Ph.D 1.2018 Giảm chuyển vị ngang nhà cao tầng nhờ phân bổ hợp lý độ cứng khung-vách Decrease the horizontal displacement basing on distributing of the structure rigidity Ngày nhận bài: 17/11/2017 Ngày sửa bài: 16/12/2017 Ngày chấp nhận đăng: 4/01/2018 Nguyễn Văn Quang, Nguyễn Quang Tùng TÓM TẮT Đối với việc thiết kế kết cấu nhà cao tầng, toán hạn chế chuyển vị ngang cơng trình ln đóng vai trị quan trọng nhằm đảm bảo độ bền làm việc bình thường cơng trình Bài báo đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang công trình từ việc phân bổ độ cứng khung-vách cách hợp lý, tạo tương tác lý tưởng hai phận chịu lực cơng trình Từ thể tích bê tơng định, phân bổ độ cứng khung-vách thực thông qua việc lựa chọn tiết diện hợp lý cho dầm cột, bố trí hệ vách cứng vị trí để đảm bảo có lợi cho cơng trình Nghiên cứu cho thấy cần phải có tương quan độ cứng định dầm cột đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang cơng trình Tại chiều cao định, cắt bỏ vách cứng nhằm tiết kiệm vật liệu góp phần hạn chế chuyển vị ngang cơng trình Các kết phân tích sơ từ cơng thức giải thích phân tích số phần mềm phần tử hữu hạn Từ khóa: chuyển vị ngang, phân bổ độ cứng, cắt vách cứng, phần tử hữu hạn ABSTRACT For the concept of high-rise buildings, the problem of decreasing the horizontal displacement plays an important role to ensure the resistance of the building This paper proposes a solution to decrease the horizontal displacement from the distribution of framewall rigidity, creating the most ideal interaction between the two main bearing components of the building From a certain volume of concrete, the distribution of the frame-wall rigidity is realized by choosing the appropriate cross section for the beam and column, as well as the position of the shear wall Research shows that a good correlation between the beam and the column stiffness contribute to decrease the horizontal displacement of the building At a certain height, it is possible to remove the shear wall to save material and also to limit the horizontal displacement of the building The results were analyzed using the analytical solution and the finite element method Key words: Horizontal displacement, distribution of the rigidity, remove the shear wall, finite element method Nguyễn Văn Quang BQL Dự án Đầu tư Xây dựng huyện Tư Nghĩa, tỉnh Quảng Ngãi Nguyễn Quang Tùng Khoa Xây dựng DD&CN, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Giới thiệu chung Trong bối cảnh nay, với bùng nổ dân số, diện tích xây dựng lại có hạn, việc lựa chọn giải pháp nhà cao tầng xu tất yếu Ngày nhiều nhà cao tầng mọc lên thành phố lớn giới nước Mặt khác với tiến không ngừng khoa học cơng nghệ, cơng trình xây dựng giới nói chung Việt Nam nói riêng phát triển với cấp tiến chiều cao độ phức tạp Đặc trưng chủ yếu nhà cao tầng độ cao lớn, trọng lượng lớn, chịu ảnh hưởng lớn tải trọng ngang Khi chiều cao cơng trình tăng mức độ phức tạp tính tốn thiết kế gia tăng theo Đặc biệt việc xác định phản ứng cơng trình trước yếu tố tác động điều kiện bên ngồi tải trọng gió động đất Đối với nhà cao tầng, việc chọn phương án kết cấu đủ đảm 108 01.2018 bảo khả chịu lực cho cơng trình, vấn đề thường phải đối diện thiết kế nhà cao tầng giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang Chuyển vị ngang công trình lớn khơng gây hiệu ứng phụ lên kết cấu mà cịn cảm giác khó chịu cho người sử dụng làm hư hỏng hạng mục phụ cửa, lan can Hệ kết cấu chịu lực ngang lực đứng cơng trình cao tầng chủ yếu hệ khung vách/lõi Để hạn chế chuyển vị ngang cơng trình, nhóm nghiên cứu Bành Nguyễn [1] đề xuất phương án phân tích dao động cơng trình để bố trí kết cấu chịu lực Trong nghiên cứu này, nhóm đề xuất việc bố trí lõi cứng hợp lý nhằm giảm chuyển vị ngang cơng trình Nghiên cứu Nguyễn [2] Hồ [3] dựa việc bố trí dầm gánh (outtriger) nhằm liên kết cấu kiện chịu lực cơng trình, tăng độ cứng ngang cho cơng trình từ giảm chuyển vị Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương án phân phối vật liệu, cụ thể thể tích bê tơng cho cấu kiện dầm, cột, vách cứng hợp lý để làm tăng tương tác khung vách Thông qua việc lựa chọn kích thước tiết diện dầm cột hợp lý, bố trí vách cứng hợp lý nhằm tăng hiệu sử dụng vật liệu Cùng lượng vật liệu ban đầu, tìm phương án bố trí tối ưu nhằm tăng độ cứng cơng trình từ giảm chuyển vị cơng trình Sự tương tác hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang Sự tương tác vách khung kết cấu thông qua chuyển vị ngang vách khung Chuyển vị ngang vách với dạng uốn có độ dốc lớn đỉnh, chuyển vị ngang lớn khung có dạng cắt với độ dốc lớn đáy cơng trình Sự biến dạng khơng đồng điệu kết cấu khung, vách kết hợp tạo tương tác Khi vách khung liên kết với liên kết khớp chịu tải trọng ngang, hình dạng uốn kết cấu phức hợp có dạng uốn phần dạng cắt phần (Hình 1a) b) Dạng cắt Điểm đảo uốn 1.0 ݖ ܪ 0.120 Điểm đảo uốn ݖ ܪ Dạng uốn 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 Chuyển vị ngang 0.000 Moment uốn Hình 1: a) Sự biến dạng kết cấu khung-vách; b) Biểu đồ biến dạng mô men Những minh họa tác động tương tác khung - vách đưa đường cong chuyển vị ngang, momen lực cắt cho kết cấu khung - vách điển hình, thể hình 1b Ta thấy đường cong biến dạng kết cấu khung vách có điểm đảo uốn, vị trí mà từ trở chuyển vị riêng vách lớn so với kết cấu phức hợp khung-vách Từ trở lên ta giảm bớt vách cứng để tiết kiệm vật liệu góp phần hạn chế chuyển vị ngang cơng trình Một số phương pháp hạn chế chuyển vị ngang cơng trình Theo làm việc kết cấu khung vách nhà cao tầng, T.P Ngo [4] đưa cơng thức giải tích cho chuyển vị ngang cao trình z cơng trình cao tầng có độ cứng khơng đổi theo chiều cao, chịu tải trọng ngang sau: Hsinh H cosh H (cosh z 1) wH y(z) (1) z z EI H 4 Hsinh z H H H đó: H H Quan hệ y(H) H 0.140 Chuyển vị đỉnh y(H) a) việc tăng độ cứng chống uốn cho hệ vách cứng chịu lực, cụ thể tăng mơ men qn tính I giải pháp hàng đầu cho việc giảm chuyển vị ngang cơng trình Ngồi ra, việc tăng độ cứng chống uốn cho cơng trình cịn góp phần làm giảm chu kỳ dao động chuyển vị dao động cơng trình, qua làm giảm ảnh hưởng giá trị tải trọng động (gió động, động đất) lên cơng trình Điều góp phần làm giảm hiệu ứng tiêu cực lên cơng trình 3.2 Tăng hiệu tương tác khung - vách Sự tương tác kết cấu chịu lực khung-vách thể (GA) qua tham số H Xét chuyển vị đỉnh cơng trình H EI y(H) chịu tải trọng ngang có giá trị w đơn vị tải trọng, từ phương trình (1), ta nhận thấy chuyển vị cơng trình cịn phụ thuộc vào tham số H Tỷ số H lớn chuyển vị đỉnh nhỏ Vì vậy, tăng giá trị H góp phần làm giảm chuyển vị ngang cơng trình (GA) ; EI độ cứng chống uốn vách cứng; EI 12E coi độ cứng chống cắt khung; Igi Ici h li hi Ici ;Igi ;hi ;li mơ men qn tính cột, mơ men qn tính (GA) dầm, chiều cao cột chiều dài dầm; H chiều cao tòa nhà 3.1 Tăng độ cứng chống uốn vách cứng Từ phương trình chuyển vị (1) này, ta nhận thấy chuyển vị ngang cơng trình tỷ lệ nghịch với độ cứng chống uốn EI vách cứng Vậy 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 H Hình 2: Quan hệ chuyển vị đỉnh y(H) H Việc tăng tương tác khung vách thực cách tạo tỷ lệ độ cứng khung vách thích hợp nhất, nhằm nâng cao hiệu giảm chuyển vị cho cơng trình Có thể tăng H cách giữ nguyên độ cứng khung giảm độ cứng chống uốn vách Điều không phù hợp với phương pháp giảm chuyển vị nêu mục 3.1 Vậy phương án đưa chọn kích thước tiết diện dầm cột hợp lý cho độ cứng khung (GA) cao nhất, từ tăng H 3.3 Giảm vách cứng kể từ độ cao định Từ dạng biến dạng điển hình kết cấu khung-vách chịu lực (Hình 1a), nhận thấy từ vị trí điểm đảo uốn lên trên, vách khơng cịn hỗ trợ nhiều cho việc giảm chuyển vị cơng trình Vậy từ vị trí trở lên, ta giảm bớt vách cứng để tiết kiệm vật liệu Phần vật liệu sử dụng để tăng độ cứng cho hệ khung kể từ vị trí trở lên Vị trí điểm uốn xác định từ phương trình sau: y wH2 Hsinh H cosh z Hsinh z 1 (2) EI ( H)2 cosh H z Giải phương trình này, ta độ cao z mà trở lên cắt giảm khối lượng vách cứng: e H/2 H e H e H cosh2 H He H H2 e H 1/2 e H cosh H z log (3) H H e Bài toán áp dụng Cơng trình sử dụng ví dụ phân tích giả định có n=20 tầng bê tơng cốt thép Chiều cao tầng h 3.6m ,tổng chiều 01.2018 109 cao cơng trình H 72m , nhịp 6m , xem Hình Cơng trình chịu trọng lượng thân, hoạt tải sử dụng p 3kN / m2 tải trọng gió cơng trình chọn theo cơng thức sơ T.P Ngo [4] cho cơng trình cao tầng bê tơng cốt thép: tiết diện dầm bh 300x650 mm2 , tiết diện cột b h 800x800 mm2 , chiều dày khung phức tạp: - tiết diện cột lớn tiết diện dầm bé ngược lại, không đảm bảo cho việc tăng độ cứng khung, không hạn chế chuyển vị ngang cơng trình; - tương quan độ cứng dầm cột hợp lý đảm bảo độ ngang cho khung giúp hạn chế chuyển vị ngang cơng trình Cụ thể, chọn tiết diện dầm b h 300x1190 mm2 , tiết diện vách t 200 mm Tổng thể tích bê tơng dùng cho cơng trình cột b h 650 650 mm2 , chuyển vị ngang đỉnh cơng trình bé V 69.6 m Qua phân tích sơ phản ứng dao động cơng trình, y H 0.05m Tuy nhiên, việc lựa chọn kích thước tiết diện khung phải đảm bảo yêu cầu kiến trúc cấu tạo cơng trình, tác giả đề xuất chọn kích thước tiết diện dầm b h 300x850 mm2 tiết diện cột W0 0.95kN / m2 Kích thước tiết diện kết cấu chịu lực nhận thấy chu kỳ dao động T 1.992 s , nằm khoảng hợp lý 0.06n T 1.992 s 0.1n Vậy việc lựa chọn kích thước tiết diện cấu kiện cơng trình hồn tồn phù hợp cho việc thiết kế cơng trình Tuy nhiên, tốn đặt việc chọn kích thước tiết diện đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang cơng trình chưa Vậy nên, mục tiêu toán từ thể tích bê tơng V 69.6 m3 từ kích thước sơ cơng trình, lựa chọn lại kích thước tiết diện dầm, cột bố trí vách hợp lý để giảm thiểu chuyển vị ngang cơng trình a) Mặt cơng trình b) Mơ hình 3D Hình Mơ hình cơng trình 4.1 Bố trí cấu kiện chịu lực hợp lý Để lựa chọn kích thước tiết diện dầm cột hợp lý, giả thiết tổng thể tích bê tơng cần thiết cho cơng trình khơng đổi V 69.6 m3 , giữ nguyên bố trí vách cứng chịu lực, muốn tăng kích thước tiết diện dầm phải giảm kích thước tiết diện cột ngược lại Giả sử tải trọng ngang tác dụng lên cơng trình phân bố có giá trị 100 kN/m, ta lập bảng khảo sát thay đổi chuyển vị ngang đỉnh y H theo bố trí kích thước tiết diện dầm cột bên Bảng 1: Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y H theo kích thước tiết diện khung STT 10 11 12 13 14 15 Tiết diện cột b(m) h(m) 0.8 0.8 0.775 0.775 0.75 0.75 0.725 0.725 0.7 0.7 0.675 0.675 0.65 0.65 0.625 0.625 0.6 0.6 0.575 0.575 0.55 0.55 0.525 0.525 0.5 0.5 0.475 0.475 0.45 0.45 Tiết diện dầm b(m) h(m) 0.3 0.65 0.3 0.75 0.3 0.84 0.3 0.94 0.3 1.03 0.3 1.11 0.3 1.19 0.3 1.27 0.3 1.35 0.3 1.42 0.3 1.49 0.3 1.56 0.3 1.63 0.3 1.69 0.3 1.74 αH 2.58 3.10 3.53 3.93 4.20 4.33 4.36 4.32 4.19 4.00 3.77 3.51 3.24 2.96 2.68 y(H) (m) 0.109 0.084 0.070 0.059 0.053 0.051 0.050 0.051 0.053 0.057 0.063 0.070 0.079 0.090 0.103 Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y H theo kích thước tiết diện 110 01.2018 bh 750x750 mm2 để tiến hành phân tích Với kích thước tiết diện khung lựa chọn bố trí vách cứng cơng trình, áp dụng phương trình (2), ta tính độ cao z 48.2 m mà từ trở lên ta hạn chế kích thước vách cứng 4.2 Phân tích chuyển vị ngang cơng trình phương pháp phần tử hữu hạn Trong phần này, tác giả mơ hình cơng trình phần mềm Etabs2015 để phân tích chuyển vị cơng trình tác dụng trọng lượng thân, hoạt tải sử dụng tải trọng gió (gió động gió tĩnh) Việc bố trí vách cứng kích thước tiết diện khung ảnh hưởng lớn đến đặc trưng dao động công trình, ảnh hưởng đến tải trọng động tác dụng lên cơng trình, gây hiệu ứng thứ cấp đến việc kiểm sốt chuyển vị ngang cơng trình Một số trường hợp phân tích sau: - Trường hợp 1: cột 800x800 mm2, dầm 300x650 mm2; - Trường hợp 2: cột 750x750 mm2, dầm 300x850 mm2; - Trường hợp 3: cột 750x750 mm2, dầm 300x850 mm2, cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên; - Trường hợp 4: cột 750x750 mm2, dầm 300x850 mm2, cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên tăng tiết diện dầm từ tầng 14 trở lên thành 350x900 mm2 Các kết phân tích thể Bảng Hình Bảng 2: Chu kỳ T(s) tổng khối lượng khung-vách M(t) Chu kỳ T(s) Khối lượng cơng trình M(t) Tầng 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 Trường hợp 1.992 7720.4666 Trường hợp 48.6 46.7 44.7 42.6 40.3 37.9 35.4 32.8 30 27.2 24.2 21.2 18.2 15.2 12.3 9.5 6.8 4.4 2.4 0.8 Trường hợp 1.818 7720.4666 Trường hợp 39.1 37.6 36 34.3 32.4 30.5 28.5 26.4 24.2 21.9 19.6 17.2 14.8 12.4 10.1 7.8 5.7 3.7 2.1 0.7 Trường hợp 1.808 7510.48613 Trường hợp 39.2 37.9 36.4 34.6 32.4 30.2 27.7 26.1 23.9 21.7 19.4 17.1 14.7 12.4 10 7.8 5.7 3.7 0.7 Hình 4: Chuyển vị ngang yz(mm) mức sàn cơng trình Từ hình 4, ta nhận thấy: Trường hợp 1.817 7718.2516 Trường hợp 38.0 36.8 35.4 33.7 31.8 29.7 27.5 25.9 23.8 21.6 19.4 17 14.7 12.3 10 7.8 5.7 3.7 0.7 - Việc chọn kích thước tiết diện dầm cột hợp lý (trường hợp 2, yH=39.1mm) giúp giảm 19.5% chuyển vị ngang đỉnh cơng trình so với việc lựa chọn kích thước dầm cột theo công thức sơ (trường hợp 1, yH=48.6mm); - Việc cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên mà không bổ sung độ cứng cho khung tầng (trường hợp 3, yH=39.2mm) không làm thay đổi đáng kể chuyển vị tầng, nhiên lại giúp giảm đáng kể khối lượng cơng trình Cụ thể giảm 209t, tương đương với 2.72% tổng khối lượng khung-vách; - Việc cắt giảm vách cứng từ tầng 14 trở lên bổ sung độ cứng cho khung (trường hợp 4, yH=38mm) góp phần làm giảm thêm chuyển vị đỉnh cơng trình So với trường hợp 1, chuyển vị ngang cơng trình trường hợp giảm 21.8% Trong thực tế, để đơn giản tính tốn thiết kế thi cơng cơng trình, cần chọn kích thước khung vách hợp lý cắt giảm vách tầng cao (trường hợp 3) để đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang cơng trình tiết kiệm vật liệu Có thể khơng cần phải bổ sung độ cứng cho khung tầng trương hợp 4, điều không giúp giảm nhiều chuyển vị ngang cơng trình so với trường hợp mà gây phức tạp thi cơng, tăng khối lượng cơng trình lãng phí vật liệu Kết luận Đối với cơng trình cao tầng, tốn hạn chế chuyển vị ngang cơng trình tác dụng tải trọng ngang có ý nghĩa quan trọng Nghiên cứu đưa phân tích giải tích cho việc chọn kích thước tiết diện khung hợp lý cho cơng trình cao tầng bê tơng cốt thép Từ cao trình định, diện vách cứng khơng cịn nhiều ý nghĩa cho việc giảm chuyển vị ngang cho công trình, việc cắt giảm vách cứng cho tầng cao điều cần thiết Các phép mô phương pháp phần tử hữu hạn góp phần làm rõ cơng thức giải tích việc lựa chọn kích thước tiết diện khung bố trí vách cứng cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T.B.N Banh, H.G Nguyen, "Giải pháp làm giảm chuyển vị ngang dựa phân tích dao động nhà cao tầng", Tạp chí Xây dựng, vol 03/2017, no ISSN 0886-0762, pp 56-59, 2017 [2] V.H Ho, "Hạn chế chuyển vị ngang cơng trình cách sử dụng outtrigger" www.ketcausoft.com [3] H.H Nguyen, "Nghiên cứu làm việc nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động động đất Việt Nam", Luận án tiến sĩ kỹ thuật,2015 [4] T.P Ngo, T.C Ly, K.D Trinh, L.N Nguyen, "Kết cấu bê tông cốt thép (phần cấu kiện nhà cửa)" NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 01.2018 111 ... nhà Bitexco – TP HCM World Financial Center – Shanghai Hình 1: Một số nhà cao tầng 1.2 Thực trạng nghiên cứu việc hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng Hạn chế chuyển vị ngang công trình nhà cao. .. tài, cần nghiên cứu tính tốn hệ kết cấu bên trong, kết hợp làm việc hệ khung - vách, cách bố trí khung vách cho hợp lý nhằm giảm chuyển vị ngang nhà cao tầng Để tính tốn vấn đề cần nghiên cứu làm... cứng hệ khung vách cơng trình bê tông cốt thép - Nghiên cứu ảnh hưởng hệ khung hệ vách đến chuyển vị tổng thể công trình 4 - Đưa nhận định sơ việc bố trí hệ khung- vách nhằm hạn chế chuyển vị đỉnh