Báo cáo khoa học " TẦNG CỨNG TRONG NHÀ CAO TẦNG "

Chia sẻ: Mua Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

182
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, các tòa nhà hiện đại ngày càng trở nên cao hơn, mảnh hơn, vật liệu sử dụng nhẹ hơn và cường độ cao hơn. Kết quả của sự phát triển đó dẫn đến việc các tòa nhà nhạy cảm với các kích thích động học của tải trọng gió và động đất. Ngày nay, nhà cao tầng có sử dụng tầng cứng khá phổ biến trên thế giới. Theo thống kê của hiệp hội nhà cao tầng thế giới có đến 73% các tòa nhà cao tầng được...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học " TẦNG CỨNG TRONG NHÀ CAO TẦNG "

TẦNG CỨNG TRONG NHÀ CAO TẦNG NCS. NGUYỄN HỒNG HẢI, PGS. TS. NGUYỄN XUÂN CHÍNH Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, các tòa nhà hiện đại ngày càng trở nên cao hơn, mảnh hơn, vật liệu sử dụng nhẹ hơn và cường độ cao hơn. Kết quả của sự phát triển đó dẫn đến việc các tòa nhà nhạy cảm với các kích thích động học của tải trọng gió và động đất. Ngày nay, nhà cao tầng có sử dụng tầng cứng khá phổ biến trên thế giới. Theo thống kê của hiệp hội nhà cao tầng thế giới có đến 73% các tòa nhà cao tầng được xây dựng từ đầu năm 2000 đến nay có sử dụng tầng cứng kết hợp với lõi để chịu tải trọng ngang. Vì lý do này, bài báo tổng kết và trình bày phương pháp bố trí, tính toán tầng cứng trong nhà cao tầng. 1. Đặt vấn đề 1 Trong những năm gần đây, nhà cao tầng , siêu cao tầng đang phát triển mạnh mẽ. Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao tầng và siêu cao tầng đang là sự lựa chọn tất yếu. Ngoài ra, các tập đoàn kinh tế lớn trên thế giới thường khẳng định tiềm lực kinh tế, tài chính thông qua việc đầu tư xây dựng những tòa nhà có quy mô lớn, cao tầng, siêu cao tầng như tháp Burj Khalifa ở Dubai, tòa nhà Tapei 101 ở Đài Loan, tháp đôi Petronas Tower ở Malaysia và một số công trình cao tầng khác. Việt Nam là nước đang phát triển, hệ thống cơ sở hạ tầng chưa đồng bộ, các dự án cao tầng, siêu cao tầng là những thách thức đối với lĩnh vực kết cấu công nghệ xây dựng trong nước. Điển hình cho các dự án trên như tòa nhà Bitexco Tower (68 tầng, cao 262m), Keangnam Hanoi Landmark Tower (70 tầng, cao 330m), phần lớn được thiết kế, thi công, quản lý bởi các tổ chức và các công ty nước ngoài. Các đơn vị trong nước thường đóng vai trò giúp đỡ hoặc thầu phụ. Nguyên nhân căn bản là các kiến trúc sư và kỹ sư của Việt Nam chưa có cơ hội tiếp xúc và trải nghiệm các giải pháp kết cấu hiện đại, tiên tiến cho nhà siêu cao tầng đã được, thậm trí đang phát triển trên thế giới. Sự phát triển về công nghệ xây dựng cũng tạo ra nhiều thách thức cho môn khoa học kết cấu công trình. Các tòa nhà cao tầng ngày càng mảnh hơn, cường độ vật liệu ngày càng cao hơn. Đặc biệt, việc sử dụng tầng cứng cho nhà siêu cao tầng ngày càng phổ biến hơn. Theo thống kê 73% các tòa nhà siêu cao tầng trên thế giới được xây dựng từ năm 2000 trở lại đây sử dụng hệ lõi và tầng cứng để chịu tải trọng ngang (CTBUH [1]). Với những lý do trên, bài báo phân tích sự làm việc của nhà cao tầng có tầng cứng, tác dụng của nó đối với việc tăng cứng cho công trình và làm giảm chuyển vị ngang ở đỉnh công trình. 2. Cơ chế làm việc của tầng cứng Tầng cứng trong nhà cao tầng thông thường được thiết kế như một hệ dầm ngang, rất cứng (thường gọi là dầm cứng) hay tầng cứng kết nối lõi với các tường và cột ở phía ngoài (hình 1). Theo đó, lõi thường được bố trí ở giữa các cột và dầm cứng phát triển ra các hướng để liên kết lõi và cột. Tầng cứng (Outrigger) Belt Truss (dàn đai biên) Or Panel Column (cột) Core Element (lõi) Hình 1. Hệ kết cấu được bố trí tầng cứng 1 Chú thích: Trong bài báo này nhà cao tầng và siêu cao tầng được hiểu theo phân loại của Taranath (2010): (i) Nhà cao tầng (tall building) cao hơn 100 m, (ii) Nhà siêu cao tầng (super-tall building) có chiều cao hơn 300 m, và (iii) nhà cực cao (ultra-tall building) là nhà có chiều cao hơn 500 m.
Khi có tải trọng ngang tác dụng vào công trình, các cột được liên kết với tầng cứng có thể ngăn cản góc xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyển vị ngang trên đỉnh của lõi so với trường hợp lõi đứng tự do. Nguyên lý làm việc của hệ thống này là sử dụng lõi để chịu hầu hết tải trọng ngang, đồng thời phân khả năng chịu cắt theo phương đứng từ lõi ra cột ngoài thông qua cánh đòn của tầng cứng. Những dầm cứng này được phát triển ra dàn đai biên (belt truss) cho phép các cột biên tham gia vào chịu mômen lật. Do đó, khi tải trọng ngang tác động lên công trình, tầng cứng, các cột biên kết hợp cùng với đai biên ngăn cản góc xoay và làm giảm chuyển vị theo phương ngang của kết cấu. Hệ tầng cứng trong nhà cao tầng làm tăng độ cứng của công trình so với hệ kết cấu không dùng tầng cứng. Tầng cứng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối lõi và các cột ngoài cùng chịu lực. Hệ thống này còn có tác dụng hạn chế sự khác nhau về việc co ngắn lại giữa cột ngoài và lõi do tác động môi trường và lực dọc gây ra. Hình 2 mô tả sự làm việc của tầng cứng trong nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng ngang. (Lõi kết cấu) (Lõi tự do) (cột) (tầng cứng) (kéo)) (mô men của lõi tự do) (nén)) (mô men khi có dầm cứng) Hình 2. (a) Tầng cứng trong nhà cao tầng, (b) Phản ứng của công trình, (c) Mô men trong lõi (Smith và Salim [4]) Cơ chế làm việc trên chỉ ra rằng, sự làm việc của hệ kết cấu phụ thuộc vào số lượng tầng cứng và các đai biên (belt truss). Vì vậy, vị trí của tầng cứng bố trí trong nhà cao tầng ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc tổng thể của tòa nhà. Ngoài ra, giá trị của việc làm giảm chuyển vị và mô men của lõi phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa độ cứng của lõi và cột tính theo phương đứng đối với trọng tâm của lõi (Smith và Salim [4]). 3. Vị trí của tầng cứng Vị trí của tầng cứng có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của nhà cao tầng. Có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của vị trí tầng cứng đối với hệ kết cấu. 3.1 Nhà cao tầng có 1 tầng cứng Đối với nhà cao tầng có 1 tầng cứng, dựa trên các giả thiết sau đây: - Tầng cứng được liên kết ngàm với lõi; - Lõi được liên kết ngàm với cột; - Bỏ qua ảnh hưởng của lực kéo; - Đặc trưng mặt cắt của lõi, cột và dầm cứng không thay đổi trên toàn bộ chiều cao của công trình; - Kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính. Taranath [6] đã đưa ra công thức xác định vị trí tầng cứng tối ưu là: (1) trong đó: w - tải trọng gió tác dụng lên công trình theo chiều cao; M x - mô men tại vị trí x (vị trí tầng cứng); I - mô men quán tính của lõi; E - mođun đàn hồi của lõi;
K x - độ cứng đàn hồi tại vị trí x được xác định như sau: (2)  - chiều cao công trình; d - khoảng cách giữa các cột ngoài; A - diện tích tiết diện của các cột biên Chuyển vị ở đỉnh của công trình (Δ) được xác định theo công thức sau: (3) Từ công thức (3) lấy đạo hàm theo x có thể xác định vị trí có Δ nhỏ nhất tại x = 0,445  3.2 Nhà cao tầng có 2 tầng cứng McNabb và Muvdi [3] nghiên cứu sự làm việc của nhà cao tầng có 2 tầng cứng với mục đích tìm ra vị trí tầng cứng tối ưu sao cho chuyển vị đỉnh công trình là nhỏ nhất. Kết quả nghiên cứu của 2 nhà khoa học này cho thấy vị trí tối ưu của tầng cứng là 0,312 và 0,685 chiều cao nhà tính từ trên đỉnh công trình. Cũng theo kết quả nghiên cứu của các tác giả này thì chuyển vị đỉnh và độ lệch tầng phụ thuộc vào đặc trưng của lõi, khoảng cách và đặc trưng của cột ngoài. 3.3 Nhà cao tầng có nhiều tầng cứng Đối với nhà cao tầng có nhiều tầng cứng (n tầng cứng), sự làm việc của kết cấu phụ thuộc vào tỉ số độ cứng của lõi – cột, lõi – tầng cứng, số lượng tầng cứng và vị trí tầng cứng. Tuy nhiên, theo các kết quả nghiên cứu của Smith và Salim [4] cho thấy, nhà càng có nhiều tầng cứng thì chuyển vị ngang càng giảm đi. Mặc dù vậy, nhà cao tầng có đến 4 tầng cứng được xem là tối đa và thích hợp, với số tầng cứng hơn 4 thì tác dụng của nó thấp đi. Một cách tổng quát, tầng cứng nên thiết kế tại các vị trí: 1 x λ /(n+1), 2 x λ /(n+1),... n x λ /(n+1). 4. Sự làm việc của nhà cao tầng có 2 tầng cứng Tầng cứng trong nhà cao tầng làm tăng độ cứng chống uốn của hệ kết cấu một cách hiệu quả. Smith và Coull [5] đã đưa ra phương pháp phân tích sự làm việc của kết cấu có tầng cứng. Dựa theo giả thuyết về sự cân bằng giữa góc xoay của lõi tại vị trí có tầng cứng và góc xoay tương ứng của tầng cứng. Dưới đây là một số giả thiết trong phương pháp này: - Kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính; - Chỉ có lực dọc tác dụng vào cột; - Tầng cứng được liên kết ngàm với lõi và khớp với cột; - Đặc trưng mặt cắt của lõi, cột và dầm cứng không thay đổi trên toàn bộ chiều cao của công trình; - Chỉ mô men uốn được xét đến với lõi và dầm cứng. Ảnh hưởng của lực cắt bỏ qua.
(Lõi hoặc tường chịu lực) (Tầng cứng) (Chiều cao của kết cấu) (Kết cấu với 2 tầng cứng) (Biểu đồ mô men uốn) Hình 3. Cơ chế làm việc của nhà cao tầng có tầng cứng (Smith và Coull [5]) Góc xoay của lõi tại vị trí 1 và 2 lần lượt là: (4) (5) Góc xoay của dầm cứng tại vị trí 1 và 2 lần lượt là:
(6) (7) Đồng nhất công thức (4) với (6), (5) và (7) dẫn đến phương trình sau: Đối với góc xoay 1: (8) Đối với góc xoay 2: (9) Đặt: (10) (11) Viết lại công thức (8), (9) ta được: (12) (13) Từ công thức (12) và (13) tìm được: (14) (15) Một cách tổng quát, mô men của lõi tại vị trí x được xác định như sau: (16) Trong đó, được tính khi x > x1 , M2 được tính khi x  x 2 . Từ kết quả trên, chuyển vị ngay tại đỉnh của lõi (Δ) được xác định nhờ vào biểu đồ mô men của lõi và được xác định như sau:
(17) 5. Sự làm việc của nhà cao tầng có nhiều tầng cứng Smith và Coull [5] đã đưa ra công thức tổng quát xác định các giá trị mô men cản tại các vị trí tầng cứng theo ma trận sau: (18) Nhận xét: Chuyển vị ngang của công trình cao tầng dưới tác động của tải trọng ngang (gió, động đất) ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của hệ kết cấu. Việc sử dụng hệ kết cấu lõi-tường-cột kết hợp chịu lực chỉ phù hợp với công trình có độ cao vừa phải (theo một số tài liệu tổng kết kinh nghiệm < 45 tầng). Thực tế trên thế giới việc sử dụng tầng cứng đã trở thành phổ biến. Ở Việt Nam, khu phức hợp Keangnam Hanoi Landmark Tower đã thành công trong việc áp dụng tầng cứng đối với tòa Khách sạn 70 tầng (2 tầng cứng) và tòa Chung cư 48 tầng (1 tầng cứng). Trong những năm tới, có thể ở nước ta sẽ còn xây dựng nhiều công trình cao tầng. Với đặc điểm khí hậu và điều kiện đất nền của Việt Nam, cần có những nghiên cứu về sự làm việc và hiệu quả của việc sử dụng tầng cứng trong nhà cao tầng. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. CTBUH, Case study – Shanghai tower. The Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 2010. 2. HERATH. N, HARITOS .N, T. NGO & P. MENDIS. Behaviour of outrigger beam in high rise buildings under eathquake loads. Australian Earthquake Engineering Society 2009 Conference, 2009. 3. MCNABB, J. W. and MUVDI, B. B. Drift reduction factors for belted high rise structures, 1975. 4. SMITH, S. B and SALIM, I. Parameter study of outrigger braced tall buiding structures, 1981. 5. SMITH, S. B and COULL, A. Tall building structures: Analysis and Design, 1991. 6. TARANATH, B. S. Optimum belt truss locations for high rise structures. The structural engineer, 53, 345-348, 1975. 7. WU. J. R and LI* Q. S, Structural performence of multi-outrigger braced tall buildings.