intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Bài giảng Kết cấu nhà cao tầng: Chương 3 - TS. Nguyễn Hữu Anh Tuấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

2
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kết cấu nhà cao tầng: Chương 3 Các hệ thống kết cấu chịu tải trọng ngang, cung cấp cho người học những kiến thức như: Hệ sàn phẳng và cột; hệ sàn phẳng, vách cứng và cột; hệ khung cứng; hệ vách đôi coupled shear walls; hệ ống với cột bố trí thưa;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kết cấu nhà cao tầng: Chương 3 - TS. Nguyễn Hữu Anh Tuấn

  1. 21/11/2014 BÀI 3 CÁC H TH NG K T C U CH U T I TR NG NGANG M đ u Chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng: • Với tải trọng đứng: ngoài việc dùng vật liệu nhẹ thì khó có cách nào khác để giảm ảnh hưởng của tải trọng đứng. • Với tải trọng ngang: có thể giảm ảnh hưởng của tải trọng ngang bằng cách áp dụng một số nguyên lý khi bố trí kết cấu: Để chịu tốt moment lật do tải ngang, bố trí các cấu kiện thẳng đứng càng xa tâm hình học của công trình càng tốt. Lợi dụng các cấu kiện chịu moment lật đó để chịu tải trọng đứng luôn Giảm thiểu khả năng xuất hiện lực kéo dọc trục trong các cấu kiện BTCT khi chịu tải ngang Liên kết các cấu kiện đứng để tận dụng tối đa khả năng chịu tải ngang của các khung biên theo chu vi công trình. Ví dụ, kết cấu ống (Tube structures) gồm có các cột đặt gần nhau theo chu vi nhà, liên kết với nhau bởi các dầm có chiều cao lớn, gần như đáp ứng các các nguyên lý trên. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 19
  2. 21/11/2014 M đ u Gợi ý lựa chọn hệ thống kết cấu cho nhà cao tầng BTCT H SÀN PH NG VÀ C T • Sàn phẳng hai phương được đỡ bởi cột, không có dầm, chiều cao nhà thường không quá 10 tầng để bảo đảm chuyển vị ngang, ít được dùng trong vùng chịu động đất mạnh. • Ứng xử của sàn phẳng khi chịu tải ngang: Phân phối tải ngang đến các cấu kiện đứng, tỷ lệ với độ cứng của chúng. Hạn chế chuyển vị dọc trục và góc xoay của cột và tường. Lúc này sàn làm việc như dầm bẹp bản rộng. Tương thích biến dạng giữa sàn và tường khi chịu tải trọng ngang. Khó cấu tạo cốt thép sàn khi có tập trung ứng suất lớn. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 20
  3. 21/11/2014 H SÀN PH NG VÀ C T Flat plate Flat slab with drop panels Two-way waffle system H SÀN PH NG VÀ C T Phương pháp khung tương đương: Thay sàn bằng hệ dầm hai phương. w1 w2 Tiêu chuẩn ACI cho phép lấy chiều rộng hiệu quả (effective width) w của dầm tương đương bằng ½(w1 + w2) cho cả tải đứng và tải ngang. Các kỹ sư đề nghị lấy w = ¼ (w1 + w2) khi tính khung-sàn chịu tải trọng ngang thì an toàn hơn. Khi giải khung, cần xem xét ảnh hưởng của vết nứt trong sàn, sự tập trung và phân bố cốt thép trong bề rộng dải sàn,vv… đến độ cứng của các cấu kiện. Tuy nhiên, việc tính chính xác sự suy giảm độ cứng là vấn đề khó khăn. Việc chỉ kể ¼ bề rộng dải sàn vào độ cứng của dầm tương đương thường là chấp nhận được. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21
  4. 21/11/2014 H SÀN PH NG, VÁCH C NG và C T Với nhà cao hơn 10 tầng có thể dùng hệ sàn phẳng được đỡ bởi vách cứng và cột. Các vách cứng có thể có dạng phẳng, hở , kín hoặc kết hợp giữa các dạng đó. Vách phẳng sẽ làm việc tương tự như thanh công-xon mảnh, vách hở thì có ứng xử phức tạp hơn. Trong hầu hết các công trình căn hộ và khách sạn cao tầng thì phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ khung (sàn-cột) chỉ bằng khoảng 10-20% phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ vách cứng. H KHUNG C NG • Hệ khung cứng gồm cột liên kết cứng với dầm theo cả hai phương, chịu toàn bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang. So với hệ vách cứng, hệ khung nói chung là không cứng bằng, nhưng có độ dẻo cao hơn và do đó mức độ bị phá hoại do động đất có thể ít hơn. • Hệ khung có ưu điểm về mặt kiến trúc là thuận tiện bố trí không gian bên trong nhà cũng như các ô trống ở mặt ngoài nhà, vì không có các tường cứng chịu lực. • Hệ khung cứng thuần túy có thể dùng cho nhà cao đến 25 tầng. Khi khung được kết hợp với vách cứng để tăng độ cứng ngang và giảm chuyển vị thì nhà có thể cao đến 50 tầng. • Độ cứng ngang của khung phụ thuộc vào khả năng chống uốn của dầm, cột và nút khung; và cả độ cứng dọc trục của cột khi khung có chiều cao lớn. • Với công trình có yêu cầu kháng chấn, cần đặt cốt đai ngang với khoảng cách nhỏ trong vùng nút khung_ là vùng chịu lực cắt lớn, để khống chế vết nứt nghiêng và sự tách bóc bê tông, cũng như để tăng độ dẻo cho khung. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 22
  5. 21/11/2014 H KHUNG C NG Nội lực và biến dạng trong khung cứng H KHUNG C NG Đặc trưng biến dạng của khung Do liên kết giữa dầm và cột là cứng, khung sẽ không thể có chuyển vị ngang nếu không có sự uốn của dầm và cột. Do đó, độ cứng ngang của khung phụ thuộc phần lớn vào độ cứng chống uốn của các cấu kiện, và phụ thuộc một ít vào độ cứng dọc trục (kéo/nén) của cột. Để đơn giản, ta hãy so sánh: - Một cây cột công-xon: chuyển vi ngang của cột chủ yếu là do biến dạng uốn, chỉ một phần nhỏ của chuyển vị ngang là do biến dạng cắt. Trong tính toán, thậm chí có thể bỏ qua biến dạng cắt, trừ khi cột khá ngắn. - Một khung cứng: cả hai thành phần biến dạng do uốn (cantilever bending component) và do cắt (frame racking component) đều quan trọng. Với khung không quá cao, chuyển vị ngang do hiệu ứng uốn thường không vượt quá 10%–20% chuyển vị do hiệu ứng cắt. Do đó biểu đồ biến dạng tổng thể của khung thường sẽ gần giống với biểu đồ biến dạng cắt. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 23
  6. 21/11/2014 H KHUNG C NG Tương tự hóa biến dạng uốn trong khung cứng với biến dạng uốn của vách cứng: Moment lật sẽ được chịu bởi lực dọc trong các cột Tương tự hóa chuyển vị ngang do biến dạng cắt của khung cứng với chuyển vị ngang do biến dạng cắt của vách cứng (một tầng điển hình) H KHUNG C NG Chuyển vị ngang tổng của một khung cứng thường gồm các thành phần sau: - biến dạng công-xon do biến dạng dọc trục cột (15%–20%). - Biến dạng cắt của khung do uốn dầm (50%–60%). - Biến dạng cắt của khung do uốn cột (15%–20%). Biến dạng của nút khung cũng có đóng góp vào chuyển vị ngang tổng, nhưng thành phần này thường không đáng kể. Thông thường, giải pháp hiệu quả và kinh tế nhất để giảm chuyển vị ngang là tăng độ cứng chống uốn của dầm. Để xem xét nên điều chỉnh tiết diện dầm hay cột để giảm chuyển vị ngang thì có thể dựa vào tỷ số độ cứng đơn vị của dầm và cột tại một nút điển hình: • ψ >> 0.5, điều chỉnh dầm ூ೎ộ೟ ⁄௛ ߰=∑ • ψ
  7. 21/11/2014 H KHUNG C NG 131mm 82mm 114mm 67mm KHUNG CƠ BẢN TĂNG CHIỀU CAO TĂNG MỖI CẠNH TĂNG TIẾT DIỆN CẢ DẦM THÊM 100mm CỘT THÊM 100mm DẦM VÀ CỘT Ví dụ (SAP2000): chuyển vị ngang của khung BTCT 15 tầng, cao 45m, 3 nhịp × 6m H KHUNG C NG Nguyên tắc cột khỏe-dầm yếu Nếu khung có cột yếu thì chuyển vị ngang lớn do tác động động đất có xu hướng tập trung ở một hay một số ít tầng, dễ dẫn đến cơ cấu sụp đổ. Cần thiết kế cột khỏe-dầm yếu để có thể dàn trải biến dạng không đàn hồi ra nhiều tầng nhà. Khi cột khỏe thì chuyển vị lệch tầng cũng có xu hướng phân bố đều đặn theo chiều cao nhà. Nếu xét thêm tải trọng đứng thì cột phải gánh trọng lượng của các tầng bên trên trong khi dầm chỉ gánh một tầng thôi. Do đó, cột bị phá hoại sẽ nguy hiểm hơn nhiều hơn so với dầm bị phá hoại. Theo ACI, tại một nút khung, khả năng chống uốn của cột nên lớn hơn khả năng chống uốn của dầm ít nhất là 20%. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 25
  8. 21/11/2014 H VÁCH ĐÔI COUPLED SHEAR WALLS • Một hệ nhiều vách cứng kết hợp với nhau sẽ có độ cứng lớn hơn tổng độ cứng của các vách riêng lẽ, do hệ dầm- sàn nối giữa các vách sẽ khống chế sự uốn tự do của các vách và giúp chúng làm việc như một thể thống nhất. • Thích hợp cho nhà đến 40 tầng. Các vách có thể bố trí hai phương, hoặc tập trung thành lõi cứng xung quanh khu vực thang máy và thang bộ. Các liên kết trượt tương đương H VÁCH ĐÔI COUPLED SHEAR WALLS Chuyển vị ngang 118mm 84mm 77mm 71mm Ví dụ (ETABS2013) 15 tầng × 3m Chiều rộng mỗi thân trụ và lỗ cửa là 2m Chiều cao spandrel 400mm 800mm 1200mm Vách đặc Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 26
  9. 21/11/2014 H NG V I C T B TRÍ THƯA TUBE SYSTEM WITH WIDELY SPACED COLUMNS • Thuật ngữ “ống” thường được dùng khi nhà có các cột biên được bố trí gần nhau (2.4÷4.6 m) và được liên kết bởi các dầm có chiều cao lớn. • Với công trình có mặt bằng nhỏ gọn thì vẫn có thể dùng các cột với khoảng cách khá xa cùng với các dầm cao để tạo ra hiệu ứng “ống”. Ví dụ: nhà 28 tầng ở New Orleans có hệ thống chịu lực ngang bao gồm khung chu vi với cột có chiều rộng tiết diện là 1.5m đặt cách khoảng 7.62m, được giằng với nhau bởi dầm cao 1.53m. H NG V I C T B TRÍ THƯA TUBE SYSTEM WITH WIDELY SPACED COLUMNS Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 27
  10. 21/11/2014 KHUNG C NG V I D M CÓ NÁCH Văn phòng cho thuê thường yêu cầu không gian không có cột giữa với chiều rộng khoảng 12m. Để vượt nhịp 12m thì dầm cần có chiều cao khoảng 760mm nếu dùng BTCT thường. Lúc đó có thể phải tăng chiều cao tầng nhà, tăng thể tích của công trình, dẫn đến tăng các chi phí liên quan đến vách ngăn và hệ thống điều hòa, vv… Một phương án hiệu quả để giảm chiều cao hệ dầm sàn và các chi phí liên quan là dùng dầm có nách với chiều cao tiết diện thay đổi. KHUNG C NG V I D M CÓ NÁCH Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 28
  11. 21/11/2014 LÕI C NG Lõi cứng được tạo thành từ hệ các vách cứng bố trí xung quanh khu vực thang máy, thang bộ và dịch vụ. Đây là một hệ không gian có khả năng chịu moment uốn và lực cắt theo hai phương, và cả moment xoắn; đặc biệt khi có dầm lanh tô ở các lỗ trống. Lõi cứng có thể có dạng hình chữ nhật đơn giản hoặc là tổ hợp phức tạp hơn của các vách phẳng, tùy vào yêu cầu bố trí thang máy và thang bộ. LÕI C NG Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 29
  12. 21/11/2014 TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG Hệ thống vách kết hợp với khung cứng là dạng kết cấu được dùng phổ biến cho công trình cao 10÷50 tầng, và có thể cao tới 70÷80 tầng nếu dùng dầm có nách. Hình vẽ sau đây minh họa mô hình cổ điển của sự tương tác vách-khung khi chịu tải trọng ngang. Khung thuần túy có chuyển vị do biến dạng cắt là chủ yếu (shear mode, linear sway) trong khi vách thuần túy thì có biến dạng uốn kiểu như công-xon (bending mode, parabolic sway). Khi kết hợp vách và khung, chúng sẽ tương tác với nhau để bảo đảm sự tương thích về chuyển vị ngang. VÁCH KHUNG Tương tác vách-khung TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG • Do vách biến dạng giống công-xon nên nó khá cứng ở tầng dưới, chuyển vị lệch tầng tại đó sẽ nhỏ hơn phân nửa của tầng gần đỉnh nhà. Chuyển vị của vách tăng rất nhanh ở các tầng trên cùng. • Khung cứng thì lại có biến dạng cắt là chủ yếu, chuyển vị tầng phụ thuộc vào giá trị lực cắt tại tầng đó. Mặc dù so với vách thì khung sẽ có chuyển vị lớn hơn ở tầng dưới và nhỏ hơn ở tầng trên, nhưng chuyển vị lệch tầng của nó thì lại phân bố khá đều theo chiều cao. • Khi khung và vách kết hợp với nhau thông qua hệ thống sàn thì ứng suất cắt không đều sẽ phát sinh giữa khung và vách, hình thành nên một hệ kết cấu kinh tế hơn. Sự tương tác này làm gia tăng độ cứng của hệ vì khung sẽ làm giảm chuyển vị của vách ở các tầng trên trong khi vách sẽ cản trở chuyển vị của khung ở các tầng dưới. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 30
  13. 21/11/2014 TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG • Tuy nhiên sự kết hợp giữa shear mode của khung và bending mode của vách không phải lúc nào cũng rõ ràng và đơn giản như vậy. Ví dụ, nếu khung có các cột gần nhau và được liên kết bởi các dầm có chiều cao lớn thì khung có xu hướng biến dạng giống một vách với biến dạng uốn là chính. Mặt khác, nếu vách có lỗ cửa lớn thì vách sẽ làm việc gần giống như khung với biến dạng cắt là chủ đạo. • Do đó, sự tương tác giữa vách và khung tùy thuộc vào độ cứng tương đối và dạng biến dạng của chúng. Mô hình tương tác cổ điển chỉ có thể xảy ra nếu: (i) vách cứng và khung có độ cứng không đổi suốt chiều cao nhà; hoặc (ii) nếu chúng có độ cứng thay đổi, thì độ cứng tương đối giữa vách và khung phải không thay đổi suốt chiều cao nhà. Do trong thực tế việc bố trí kết cấu còn tùy thuộc vào kiến trúc nên các điều kiện (i) và (ii) thường không được thỏa mãn. Lúc đó, có thể phân tích kết cấu trên máy tính để thấy được sự tương tác phức tạp giữa vách cứng và khung. TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG 131mm 58mm 36mm 76mm Liên kết trượt KHUNG VÁCH VÁCH KHUNG + VÁCH CHỊU TẢI CHỊU TẢI CHÈN CHỊU TẢI TRỌNG TRỌNG P TRỌNG P KHUNG 2P CHỊU TẢI TRỌNG P Ví dụ (SAP2000) Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 31
  14. 21/11/2014 TƯƠNG TÁC VÁCH-KHUNG Ví dụ: Nhà 25 tầng với 4 tầng hầm Mặt bằng tầng điển hình Mô hình tính toán đơn giản hệ thống khung-vách chịu tải trọng ngang. Tổng lực cắt tích lũy Phân phối lực cắt Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 32
  15. 21/11/2014 NG KHUNG FRAME TUBE STRUCTURES Hệ cột bố trí gần nhau với các dầm cao ở chu vi nhà làm việc như một công- xon thẳng đứng với tiết diện dạng hộp rỗng. Chuyển vị ngang do biến dạng dọc trục cột, biến dạng cắt và uốn của các dầm biên và cột có thể khá lớn tùy vào dạng hình học của nhà. Nếu tỷ số hai cạnh trên mặt bằng lớn hơn 2.5 thì cần dùng thêm hệ giằng ngang để hạn chế chuyển vị công trình. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của dạng kết cấu này là khoảng cách và kích thước cột, chiều cao của dầm biên, và tỷ số các cạnh mặt bằng nhà. Hệ hộp khung có thể dùng cho nhà cao trên 40 tầng. NG KHUNG FRAME TUBE STRUCTURES Hiện tượng phân bố lực không đều (shear lag) trong kết cấu ống. Phân bố ứng suất cắt Hộp công-xon chịu Biến dạng của phần tử tải trọng ngang cánh do ứng suất cắt Phân bố ứng suất dọc trục trong hộp vuông Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 33
  16. 21/11/2014 NG KHUNG FRAME TUBE STRUCTURES Xét hệ như hình vẽ, lực ngang làm các cột góc chịu lực kéo T và lực nén C. Các khung bụng (web frames, song song hướng gió) còn có biến dạng uốn và trượt. Độ mềm của dầm làm tăng lực dọc ở các cột góc và giảm lực dọc ở các cột giữa. Sự tương tác giữa khung bụng với khung cánh (flange frames, vuông góc với hướng gió) chủ yếu là do chuyển vị dọc trục của các cột góc. Ví dụ, khi cột C chịu nén thì nó có xu hướng làm nén cột C1 bên cạnh vì chúng được nối với nhau bởi dầm biên. Biến dạng dọc trục của cột C1 sẽ khác với (nhỏ hơn) cột C vì dầm nối hai cột này bị uốn. Cột C1 lại làm nén cột C2, vv… Ứng suất ở các cột giữa sẽ nhỏ hơn các cột góc, gọi là hiện tượng shear lag. NG CÓ GI NG CHÉO EXTERIOR DIAGONAL TUBE • Hệ giằng chéo được đưa vào mặt ống để giảm thiểu hiện tượng shear lag trong cả khung bụng và khung cánh, tăng hiệu quả chịu tải trọng ngang của kết cấu. • Ví dụ, công trình Onterie Center cao 58 tầng ở Chicago. Tải trọng ngang được chịu bởi hệ cột biên đặt gần nhau cùng các dầm cao theo chu vi nhà. Ngoài ra, một số vị trí cửa sổ được đúc bê tông tạo thành hệ giằng chéo, tăng độ cứng ngang cho công trình. Lúc này các cột trong nhà chỉ được thiết kế để chịu tải trọng đứng, tạo sự thuận tiện khi bố trí không gian kiến trúc. Onterie Center in Chicago Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 34
  17. 21/11/2014 BÓ NG BUNDLED TUBE Kết hợp hai hay nhiều ống thành một bó để giảm hiệu ứng shear lag. Công trình One Magnificent Mile ở Chicago có ba ống khung hình lục giác có chiều cao 57, 49 và 22 tầng. BÓ NG BUNDLED TUBE Sears Tower, Chicago, Illinois Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 35
  18. 21/11/2014 VÁCH XƯƠNG S NG SPINAL WALL SYSTEMS Đây là hệ kết cấu mới, thích hợp cho nhà siêu cao. Các vách xương sống (spine walls) chạy dọc chiều dài nhà chịu tải ngang tác dụng song song với hành lang. Theo phương vuông góc hành lang có các vách ngang nối vào vách xương sống. Sàn hoặc các dầm nối sẽ liên kết hệ vách. Để tăng khả năng chống xoắn, có thể bố trí thêm vách quanh ô thang máy và thang bộ. Ví dụ: Tháp Burj Dubai (Dubai, UAE) có mặt bằng chữ Y, mỗi cánh có lõi và cột chu vi riêng, các cánh tựa vào nhau qua một lõi 6 mặt. OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM Hệ thống này gồm một lõi chính liên kết với các cột biên bởi các phần tử ngang có độ cứng lớn như các vách có chiều cao bằng 1-2 tầng nhà gọi là các outriggers. Lõi có thể nằm giữa nhà với outriggers vươn ra từ cả bốn hướng, hoặc nằm ở một bên của công trình với outriggers vươn ta theo một hướng đến các cột biên. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 36
  19. 21/11/2014 OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM Có thể dùng khung vierendeel có chiều cao bằng một vài tầng hoặc dùng dầm có nách ở tất cả các tầng, để làm outrigger. OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM Nguyên lý: Khi chịu tải trọng ngang, outriggers được giằng bởi cột sẽ hạn chế sự xoay của lõi cứng, từ đó làm giảm moment và chuyển vị ngang của lõi. Moment ngoại lực sẽ không còn được chịu bởi riêng lõi cứng, mà còn bởi lực kéo và nén trong các cột biên nối kết với lõi thông qua outrigger. Việc tham gia chịu lực ngang của cột biên cũng làm tăng chiều cao hiệu quả của cả hệ. Để huy động nhiều cột biên cùng chịu tải ngang, ta có thể dùng vách vành đai (belt wall) có chiều cao bằng 1-2 tầng nhà để liên kết các cột biên xung quanh chu vi nhà. Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 37
  20. 21/11/2014 OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM Biến dạng dọc trục của cột biên: giãn ra ở phía đón gió và co lại ở cột phía khuất gió, sẽ làm giảm góc xoay của lõi cứng giảm moment uốn và chuyển vị ngang. Hệ vách mũ (cap wall system) Tie-down action OUTRIGGER AND BELT WALL SYSTEM Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 38
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2