Tài liệu Tính toán vách cứng trong kết cấu nhà cao tầng

TÍNH TOÁN VÁCH CỨNG TRONG NHÀ CAO TẦNG SV. Nguyễn Anh Tuấn _51k5XD Khoa Xây Dựng_Đại học Vinh 1. Đặt vấn đề Đất nước ngày càng phát triển thì đặt ra yêu cầu ngày càng cao về xây dựng nhà cao tầng, nó đòi hỏi sinh viên chúng ta phải mạnh dạn, dám đương đầu với những khó khăn trong việc thiết kế và thi công nhà cao tầng. Đặc biệt là vấn đề tính toán thiết kế vách cứng trong nhà cao tầng. Qua đề tài này chúng em muốn khẳng định rằng sinh viên của trường chúng ta có thể làm được tất cả những gì mà các bạn sinh viên trường khác có thể làm, để sau khi ra trường không phải bỡ ngỡ khi gặp vấn đề vách cứng trong nhà cao tầng. Chính thực trạng này, để hiểu sâu hơn và rõ ràng hơn quá trình tính toán cốt thép của vách cứng trong các nhà cao tầng, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “ Tính toán vách cứng trong kết cấu nhà cao tầng”. 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu. Các công trình xây dựng vừa và nhỏ thì không cho thấy hết khả năng làm việc của bê tông và cốt thép khi chúng chịu ảnh hưởng không đáng kể của gió và động đất. Nhưng các yếu tố này ảnh hưởng rất nhiều đối với nhà cao tầng khi độ cao của ngôi nhà lên cao thì gió càng mạnh làm cho công trình bị chuyển vị ngang lớn đồng thời nội lực sẽ lớn theo. Để tính toán cốt thép công trình phù hợp với vấn đề trên các kỹ sư đã đưa ra các phương pháp tính vách phẳng trong kết cấu nhà cao tầng, kết hợp với hệ khung với sàn tạo thành hệ làm việc ổn định. Nghiên cứu tính toán cốt thép dọc của vách phẳng chữ nhật trong kết cấu nhà cao tầng phù hợp với điều kiện xây dựng hiện nay ở nước ta. 2.2 Các bước nghiên cứu. Trong phần nghiên cứu này, nhóm xây dựng cách tính toán vách cứng bê tông cốt thép được làm tuần tự theo các bước sau :  Bước 1 : Tìm hiểu các phương pháp về hỗ trợ tính toán bố trí thép cho vách cứng tại Việt Nam .  Bước 2 : Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm thiết kế mô hình xây dựng Etabs trong tính toán vách phẳng.  Bước 3 : Từ các phương pháp tính kết hợp với những dữ liệu thu thập được tiến hành tính toán cốt thép cho trường hợp cụ thể. 2.3 Điểm mới của đề tài. Các phần mềm hiện có hỗ trợ thiết kế và tính toán xây dựng thường sử dụng tiêu chuẩn của nước ngoài, vì vậy nếu áp dụng các tiêu chuẩn này vào các bản tính toán cho các công trình ở Việt Nam chưa được chính xác. Các công trình hiện nay đang bố trí theo cách tính toán gần đúng và an toàn, việc tiết kiện cốt thép chưa có, như nói trên việc tiêu chuẩn tính toán đối với vách bê tông cốt thép Trang 1 chưa được Bộ Xây dựng và Nhà nước ta quy định cụ thể trong các tiêu chuẩn về Xây dựng. (Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Việt Nam như TCXDVN 356-2005 chưa đề cập cụ thể đến cách tính toán cấu kiện vách phẳng bê tông cốt thép này). 2.4 Nội dung về đề tài. Phần 1: Thực trạng của vấn đề cần nghiên cứu Nêu ra thực trạng các phần mềm hiện có. Đưa ra những ưu – khuyết điểm các phần mềm đã có. Từ đó đưa ra các chức năng chính và mục tiêu của phần mềm. Phần 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày khái niệm nhà cao tầng và lý thuyết kết cấu nhà nhiều tầng , trình bày ưu điểm và nhược điểm của vách phẳng bê tông cốt thép . Phần 3: Tính toán bố trí cốt thép cho vách phẳng bê tông cốt thép Cách thức tính toán với công thức của khoa Kỹ thuật công trình về vách phẳng bê tông cốt thép. 2.5 Cơ sở lý thuyết. 2.5.1 Sơ lược về kết cấu nhà cao tầng và khái niệm vách cứng trong kết cấu nhà cao tầng. a. Khái niệm về vách cứng phẳng bê tông cốt thép: Vách phẳng bê tông cốt thép hay còn có tên là tường chịu cắt, tường chịu trượt, tường chống trượt. Vách là cấu kiện chịu lực đứng có chiều dài ≥ 4 lần chiều dày theo (Điều 1.3.4.1, BS 8110-1997) Kết cấu vách là hệ kết cấu chịu lực cấu thành bởi những bức tường chịu lực. Trong hệ này, tường chịu lực thay thế dầm, cột trong khung để chịu các tải trọng đứng và tải trọng ngang (gió). Do tường chịu lực của nhà cao tầng ngoài việc phải chịu lực nén thẳng đứng do tải trọng thẳng đứng gây ra, còn phải chịu lực trượt và mômen do tải trọng ngang (gió) sinh ra, cho nên ta mới gọi là kết cấu vách. b. Ưu điểm của vách cứng bê tông cốt thép: - Kết cấu vách so với kết cấu khung thì có khả năng chịu tải trọng ngang lớn hơn, độ cứng lớn và chuyển vị ngang nhỏ, do đó tác dụng chính của vách cứng là để tăng độ cứng (dùng để giảm chuyển vị ngang), tăng khả năng chịu tải ngang trong nhà cao tầng. Tảitrọng gió và tải trọng động đất là hai loại tải trọng ngang chính mà vách phải chịu. - Vách cứng vừa làm chức năng tường chịu lực, lại vừa làm chức năng tường ngăn che. Hệ này phù hợp với nhà cao tầng có nhiều bức tường như khách sạn, nhà ở... Vách cứng cũng có thể chịu tải đứng rất tốt (mà tiết diện mỏng lại có thể dùng làm vách ngăn, tiết kiệm diện tích để sử dụng). - Bố trí vách xen kẽ khung sẽ có lợi hơn nhiều so với bố trí lõi (do sự tương tác không đồng điệu). - Về sơ đồ kết cấu, theo sự phân loại chung thì nhà từ 9 – 15 tầng phương án khung vẫn là kinh tế, tuy nhiên hiện nay chủ yếu thiết kế theo sơ đồ khung kết hợp vách, vì thế công Trang 2 trình tính ra chuyển vị rất nhỏ, độ cứng công trình rất cao dẫn đến giá thành cũng bị đẩy lên cao”. c. Nhược điểm của vách cứng bê tông cốt thép: Nhà có kết cấu vách do có nhiều tường chịu lực nên không linh hoạt bằng kết cấu khung. Một trong những biện pháp để cải thiện tình trạng đó là mở rộng khoảng cách của tường chịu lực, sử dụng bước gian lớn. Ví dụ như bước gian của nhà ở từ 2, 4 đến 4, 2 m phát triển lên đến 4, 8-7, 2 m. Tường ngăn giữa các căn hộ vẫn dùng tường chịu lực. Trong nội bộ căn hộ, sử dụng vách ngăn nhẹ để ngăn che giữa các phòng sử dụng. Khách sạn có khoảng cách giữa các phòng khách từ 3, 3 m đến 4 m phát triển lên đến 6, 6-9, 0 m, cứ hai gian một ta đặt một bức tường chịu lực và một bức vách ngăn nhẹ. Biện pháp thứ hai để cải thiện tình trạng không linh hoạt nói trên là giảm bớt các bức tường dọc bên trong dùng để chịu lực, để tăng thêm tính linh hoạt trên phương chiều sâu lòng nhà. 2.5.2 Tính toán bố trí cốt thép cho vách phẳng. 2.5.2.1 Tính toán nội lực cho vách cứng: • Bước 1 : Lựa chọn các dữ liệu đầu vào cho tính toán • Bước 2 : Tiến hành khai báo vật liệu, tải trọng, các tiết diện rồi gán vào các cấu kiện cụ thể. • Bước 3: Kiểm tra các bước khai báo và gán tiết diện hay tải trọng vào công trình đang tiến hành tính toán rồi tiến hay chạy để lấy nội lực phục vụ tính toán. • Bước 4: Xử lý kết quả phục vụ tính toán cốt thép. 2.5.2.2 Phương pháp tính toán cốt thép cho vách cứng. a. Phương pháp 1: Phân bố ứng suất đàn hồi: Phương pháp này chia vách thành những phần tử nhỏ chịu lực kéo hoặc nén đúng tâm, coi như ứng suất phân bố đều trong mỗi phần tử. Tính toán cốt thép cho từng phần tử. Thực chất là coi vách như những cột nhỏ chịu kéo hoặc nén đúng tâm. + Các giả thiết cơ bản: - Vật liệu đàn hồi. - Ứng lực kéo do cốt thép chịu, ứng lực nén do cả bê tông và cốt thép chịu. + Các bước tính toán: - Bước 1: Xác định trục chính và mômen quán tính trung tâm. - Bước 2: Chia vách thành những phần tử nhỏ. Trang 3 - Bước 3: Tính lực dọc tác dụng vào mỗi phần tử do lực dọc và mômen trong mặt phẳng Mx - Bước 4: Tính diện tích cốt thép chịu kéo, nén. - Bước 5: Kiểm tra hàm lượng cốt thép. Nếu Asc < 0: đặt cốt thép chịu nén theo cấu tạo. b. Phương pháp 2: Giả thiết vùng biên chịu mômen Phương pháp này cho rằng cốt thép đặt trong vùng biên ở hai đầu tường được thiết kế để chịu toàn bộ mô men. Lực dọc trục được coi là phân bố đều trên toàn bộ chiều dài tường. + Các giả thiết cơ bản: - Ứng lực kéo do cốt thép chịu. - Ứng lực nén do cả bê tông và cốt thép chịu. + Các bước tính toán: - Bước 1: Giả thiết chiều dài B của vùng biên chịu mô men. Xét vách chịu lực dọc trục N và mô men uốn trong mặt phẳng Mx. Mô men Mx tương đương với một cặp ngẫu lực đặt ở hai vùng biên của tường. - Bước 2: Xác định lực kéo hoặc nén trong vùng biên: - Bước 3: Tính diện tích cốt thép chịu kéo, nén - Bước 4: Kiểm tra hàm lượng cốt thép. Nếu không thoả mãn thì phải tăng kích thước B của vùng biên lên rồi tính lại từ bước 1. Chiều dài của vùng biên B có giá trị lớn nhất là L/2, nếu vượt quá giá trị này cần tăng bề dày tường. - Bước 5: Kiểm tra phần tường còn lại giữa hai vùng biên như đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm. Trường hợp bê tông đã đủ khả năng chịu lực thì cốt thép chịu nén trong vùng này được đặt theo cấu tạo. c. Phương pháp 3: Phương pháp sử dụng biểu đồ tương tác. + Khái niệm: Phương pháp này dựa trên một số giả thiết về sự làm việc của bê tông và cốt thép để thiết lập trạng thái chịu lực giới hạn (Nu, Mu) của một vách phẳng đã biết, tập hợp các trạng thái này sẽ tạo thành 1 đường cong liên hệ giữa lực dọc N và mômen M của trạng thái giới hạn. 2.5.3 Giới thiệu công trình tiến hành nghiên cứu. Trang 4 Công trình được được chọn để nghiên cứu tính toán là công trình chung cư 12 tầng,chiều dài 22,01 m rộng 20,9 m được xây dựng ở TP Hồ Chí Minh, Tòa nhà cao 33m có 11 tầng và 1 tầng hầm, tầng hầm cao 2,55 m, tầng 1 cao 3,8 m các tầng còn lại cao 3m. Về mặt kết cấu, mỗi tầng tòa nhà 1 lõi thang máy ( dài 4,2 m, rộng 2,2 m), 4 vách cứng ( 3 vách dài 5,9 m rộng 0,3 m và 1 vách dài 4,2 m, rộng 0,3) Hình 1. Mặt Bằng Tầng Điển Hình Trang 5 Hình 2. Mô hình hóa tòa nhà băng phần mềm SAP. 3. Áp dụng tính toán cho công trình thực tế: 3.1: Tính toán theo phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi: a) Số liệu đầu vào: : Rn =13 ( Mpa ) Bê tông cấp độ bền B25 : f y =270 ( Mpa ) Thép AII Từ kết quả tổ hợp (Bảng phụ lục 1) ta chọn ra cặp nội lực nguy hiểm nhất: Story STORY1 Pier V1 Load TH1 Point Bottom N(T) -985,36 V2 0,02 Trang 6 V3 2,2 T -0,009 M2(Tm) 4,043 M1 -1,772 y 1 2 3 3 2 1 x Hình 3.1: Cách chia vách thành các phần tử b) Tính toán: - Lực dọc tác dụng vào phần tử thứ 1 do lực dọc N và momen gây ra là: N1  - N M y .x1 9853,6 40, 43.1,75    1658,7 (kN) 2 2 2 2 n  xi 6 1,75 .1,05 .0,35   Diện tích cốt thép được tính bằng phương trình cân bằng:  N  1 N 0,8.c .  0,85.Rn .( Ab  Asc )  f y . Asc   Asc   0,85.Rn . Ab  .  0,8.c  f y  0,85.Rn 1  1658, 7  Asc   0,85.13.103.0, 21  . 2, 48.10  3 ( m2 ) 3 3  0,8.0, 7  270.10  0,85.13.10 Asc 24,8 (cm 2 ) - Trong đó: ∅c =0,7 : hệ số giạm độ bền khi chịu nén đối với tường Ab ( m 2 ) : tiết diện phần tử A sc ( m 2 ) : tiết diện cốt thép còn lại, kết quả tính được cho trong bảng: Điểm Thép( cm 2 ) Hàm lượng 1 24,8 0,012 2 23,3 0,011 3 22,8 0,010 Trang 7 Tính toán tương tự đối với các phần tử 3.2: Tính toán theo phương pháp giả thiết vùng biên chịu momen: a) Số liệu đầu vào: Tương tự như phương pháp 1 b) Tính toán: Đặt giả thiết vùng Btrái∧B phải theo hình vẽ y x Pk N M Pn Hình 3.2: Mặt cắt và mặt đứng vách - Lực kéo và lực nén trong vùng biên: Pk ,n  Mx N . Ab  A  L  0,5.Btr  0,5.Bph  Trong đó: Pk , n : Lần lượt là lực kéo và lực nén L : Chiều rộng của vách Btr : Bề rộng giả thiết vùng bên trái B ph : Bề rộng giả thiết vùng bên phải. Pk  9853, 6 40, 43 .  0, 7.0,3  1630,1( kN ). 0,3.4, 2  4, 2  0,5.0, 7  0,5.1, 05  9853, 6 40, 43 .  1, 05.0,3  2475,56( kN ). 0,3.4, 2  4, 2  0,5.0, 7  0,5.1, 05   Pn  1 - Tính cốtPnthép chịu 0,8. c .nén:  0,85.R n .A b  .  0,85.R n .(A b  Asc )  f y .Asc   A sc  0,8. c   f y  0,85.R n 1  2475,56  A sc   0,85.13.103.0,315  . 3,63.10  3 (m 2 ) 3 3  0,8.0,7  270.10  0,85.13.10 Trang 8 Pn  A sc 36,3 (cm 2 ) - Kiểm tra hàm lượng cốt thép:  - A sc 36,3  0,0115 A b 105.30 Tính diện tích cốt thép chịu kéo:  P  1 Pn 0,8.c .  0,85.R n .(A b  A sc )  f y .A 'sc   A 'sc  n  0,85.R n .A b  .  0,8.c  f y  0,85.R n 1  1630,1  A 'sc   0,85.13.103.0, 21 . 2, 27.10  3 (m 2 ) 3 3  0,8.0,7  270.10  0,85.13.10 A sc 22,7 (cm 2 ) - Kiểm tra hàm lượng cốt thép:  - A sc 22,7  0,011 A b 70.30 Tính phần vách còn lại ở giữa 2 vùng biên như cấu kiện chịu nén đúng tâm: N  1  9853,6 1  A sc   R b .A b  .   13.103.2, 45.0,3  . 3  270.10   R sc  1 A sc 1,1.10 3 (m 2 ) 11 (cm 2 ) 3.3 Kiểm tra hàm lượng cốt thép 1. Kiểm tra cốt hàm lượng cốt thép  p 0,85.1. fc 6000 130 6000 . 0,85.0,85. . 0, 024 f y 6000  fc 2700 6000  2700  max 0, 75. p 0, 018  min 0, 476 fc fy 0, 476. 130 0, 00201 2700 Sau khi tính toán cốt thép dọc trong vách bằng 2 phương pháp: PP1 là phương pháp Ứng Suất Đàn Hồi và PP2 là phương pháp Giả Thiết Vùng Biên Chịu Mômen, chúng em tiến hành so sánh hàm lượng cốt thép của 2 phương pháp tính qua bảng sau : Trang 9 Vách Phương pháp 1 Cốt thép (cm2) 1 2 3 Biên Ph Biên tr Giữa Phương pháp 2 Hàm Cốt thép Bố trí cốt Hàm Bố trí cốt thép lượng cốt thép lượng cốt (cm2) a (mm) thép a (mm) thép Hàm lượng max Hàm lượng min 24,8 36,3 150 0,012 200 0,0115 0,018 0,00201 23,3 22,7 150 0,011 150 0,011 0,018 0,00201 22,8 11 150 0,011 0,0015 0,018 0,00201 Bảng 1. Bảng so sánh hàm lượng cốt thép trong vách bằng 2 phương pháp tính + Nhận xét: Phương pháp 1: - Phương pháp này đơn giản, có thể áp dụng để tính toán không chỉ đối với vách phẳng. - Giả thiết cốt thép chịu nén và chịu kéo đều đạt đến giới hạn chảy trên toàn tiết diện vách là chưa chính xác. Chỉ tại những phần tử biên ở hai đầu vách, cốt thép có thể đạt đến giới hạn chảy, nhưng những phần tử ở giữa vách, cốt thép chưa đạt đến giới hạn chảy. Phương pháp 2: - Phương pháp này tương tự như phương pháp 1, chỉ khác ở chỗ bố trí tập trung lượng cốt thép chịu toàn bộ mômen ở hai đầu vách. - Phương pháp này khá thích hợp đối với trường hợp vách có tiết diện tăng cường ở hai đầu (bố trí cột ở hai đầu vách). - Phương pháp này thiên về an toàn vì chỉ kể đến khả năng chịu mômen của cốt thép. 4. Đề xuất và kết luận: a) Kết luận: Theo kết quả tính toán của nhóm đề tài thì có thể thấy răng việc tính toán theo phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi có phần chính xác hơn so với phương pháp giả thiết vùng biên chịu momen. Vì ở phương pháp giả thiết vùng biên chịu momen cách lấy bề rộng bên trái và bên phải còn theo kinh nghiệm tính toán là chính, còn ở phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi chia vách thành các phần tử nhỏ để tính toán. b) Đề xuất: Trang 10 Qua việc nghiên cứu đề tài này nhóm nghiên cứu đề xuất Bộ Xây dựng và các đơn vị nghiên cứu khoa học sớm ban hành tiêu chuẩn quy định cụ thể cách tính toán đối với loại cấu kiện này. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Hữu Cường khoa Xây dưng đã giúp đỡ nhóm tác giả hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Cũng xin cảm ơn khoa Xây Dựng đại học Vinh đã tạo cho chúng em một môi trường nghiên cứu, giúp chúng em tiếp xúc với những kiến thức thực tế nằm ngoài sách vở. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PSG.PTS Vũ Mạnh Hùng, Sổ Tay Thực Hành Kết Cấu Công Trình, Trường Đại Học Kiến Trúc TP.Hồ Chí Minh. [2] Nguyễn Khánh Hùng,Trần Trung Kiên, Nguyễn Ngọc Phúc, Thiết kế kết cấu nhà cao tầng bằng Etabs 9.0.4 NXB Thống kê. [3] GS.TS.Võ Bá Tằm, Kết cấu bê tông cốt thép, tập 1 cấu kiện cơ bản, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh. [4] ThS.Võ Mạnh Tùng, Ks.Nguyễn Tuấn Trung, Một số phương pháp tính cốt thép cho vách phẳng bê tông cốt thép, Bộ môn Công trình Bê tông cốt thép - Đại học xây dựng Hà Nội. [5] Tiêu chuẩn xây dựng TCVN 2737-1995, Tải trọng và tác động-Tiêu chuẩn thiết kế. [6] Tiêu chuẩn xây dựng TCVN 198-1997, Những quy định trong tính toán bê tông cốt thép toán khối. [7] Tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 356:2005, Kết cấu Bê tông và Bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế, Viện khoa học công nghệ xây dựng –Bộ xây dựng. [8] British Standard BS 8110:1997. [9] Shear Wall Design ACI 318-99. Trang 11