Tài liệu Nghiên cứu bố trí khung vách hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng bê tông cốt thép

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 CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG 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 công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN QUANG TÙNG Đà Nẵng – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công 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, 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. 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 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................ 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................3 4. Nội dung thực hiện ................................................................................................ 3 5. Bố cục đề tài..........................................................................................................4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .........5 1.1. Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển ...........................................................5 1.1.1. Hệ kết cấu của nhà cao tầng ............................................................................5 1.1.2. Sự làm việc của hệ kết cấu ..............................................................................8 1.1.3. Xu hướng phát triển của nhà cao tầng ............................................................ 9 1.2. Ảnh hưởng của chuyền vị ngang đến sự làm việc của công trình .......................... 11 1.3. Các phương pháp hạn chế chuyển vị ngang công trình ..........................................12 1.3.1. Bố trí Outrigger ............................................................................................. 12 1.4 Phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý (tăng độ cứng cho bản thân công trình)......................................................................................................................15 1.5. Kết luận chương 1 ..................................................................................................16 CHƢƠNG 2. CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CÔNG TRÌNH CÓ SƠ ĐỒ KHUNG – GIẰNG DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG ...................17 2.1. Sự làm việc của công 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 trong hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang .......................... 27 2.4. Phương pháp tính toán gần đúng 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 của tải trọng ngang lên công trình ........................................33 iv 2.5.2. Tăng mô men quán tính của vách cứng ........................................................33 2.5.3. Thay đổi tỷ số độ cứng  H ..........................................................................34 2.6. Cắt vách cứng ở những tầng cao và bố trí độ cứng khung tại những tầng đó ........34 2.7. Tăng lực tương tác đỉnh công trình QH ..................................................................35 2.8. Kết luận chương 2 ..................................................................................................35 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG CÔNG TRÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN PHỐI ĐỘ CỨNG KHUNG - VÁCH....36 3.1. Mô hình phân tích ...................................................................................................36 3.1.1. Chọn sơ bộ 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 có thể hạn chế thể tích vách cứng ......................................41 3.1.4. Phân tích chuyển vị ngang của công trình bằng 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 CÔNG 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 một số công trình cao tầng ở Việt Nam 10 2.1: Giá trị hệ số ứng xử q0 cho hệ có sự đều đặn theo mặt đứng 26 3.1: Bảng tổng hợp thể tích bê tông 39 3.2: Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y(H) 41 3.3: Tổng hợp chu kỳ T(s) và chuyển vị ngang cơ bản yH (mm) 45 3.4: Tải trọng gió động và khối lượng công trình 45 3.5: Tải trọng gió động và khối lượng công trình 46 3.6: Tải trọng gió - Trường hợp 1 47 3.7: Tải trọng gió - Trường hợp 2 48 3.8: Tải trọng gió - Trường hợp 3 49 3.9: Tải trọng gió - Trường hợp 4 50 3.10: Tải trọng động đất - Trường hợp 1 51 3.11: Tải trọng động đất - Trường hợp 2 53 3.12: Tải trọng động đất - Trường hợp 3 55 3.13: Tải trọng động đất - Trường hợp 4 57 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1: Sự tương tác của khung và tường cứng 6 1.2: Hệ kết cấu bên trong 7 1.3: Hệ kết cấu bên ngoài 8 1.4: Hệ kết cấu khung - vách 9 1.5: Tải trọng và sơ đồ chịu lực của nhà 11 1.6: Chuyển vị nằm ngang của ngôi nhà 12 1.7: Outtrigger và Belt wall 13 1.8: Thực tế đa dạng của hệ kết cấu 14 1.9: Outtrigger phát huy hiệu quả khác nhau khi bố trí ở các cao độ 14 1.10: Sự tương tác giữa khung – vách 15 2.1: Hệ kết cấu khung giằng 17 2.2. Sơ đồ tính toán gió động của công 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 của 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 do cho khung và vách 30 2.6: Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang 34 3.1: Hệ kết cấu khung giằng 36 3.2: Diện tích chịu tải của cột 38 3.3: Biểu đồ quan hệ giữa yH   H 40 3.4: Mặt bằng khung giằng (cột 800x800) 42 3.5: Mặt bằng khung giằng (cột 750x750) 43 3.6: Mặt bằng tầng 1-13(vị trí chuẩn bị cắt vách) 43 3.7: Mặt bằng tầng 14 - 20 (vị trí đã cắt vách và tăng tiết diện dầm) 44 3.8: Mô hình 3D công trình đã cắt vách 44 3.9: Chuyển vị ngang yz(mm) tại từng mức sàn của công trình 59 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 1.1. Đặt vấn đề Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự bùng nổ dân số, trong khi diện tích xây dựng lại có hạn, việc lựa chọn giải pháp nhà cao tầng là xu thế tất yếu. Ngày càng nhiều nhà cao tầng mọc lên ở các thành phố lớn trên thế giới và trong nước. Mặt khác cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các công trình xây dựng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp. Tại Việt Nam do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và xã hội dẫn đến tại một số thành phố lớn dân số tập trung ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn, … tăng lên đánh kể, trong khi đó quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng. Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đấy phát triển kinh tế, giảm chi phí vận hành … Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển nhà cao tầng. Đặc trưng chủ yếu của nhà cao tầng là số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động của tải trọng ngang. Khi chiều cao của công trình càng tăng thì mức độ phức tạp khi tính toán thiết kế cũng gia tăng theo. Đặc biệt là việc xác định phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng do gió, động đất, …. Đối với nhà cao tàng, ngoài việc chọn phương án kết cấu đủ đảm bảo khả năng chịu lực cho công trình, một vấn đề thường phải đối diện khi thiết kế nhà cao tầng là giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang. Chuyển vị ngang của công trình nếu lớn không chỉ gây cảm giác khó chịu cho người sử dụng mà còn làm hư hỏng các hạng mục phụ như của kính, lan can... 2 Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng Int.Commerce Centre – Hong Kong Tòa nhà Bitexco – TP HCM World Financial Center – Shanghai Hình 1: Một số nhà cao tầng 3 1.2. Thực trạng nghiên cứu về việc hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng Hạn chế chuyển vị ngang công trình nhà cao tầng hiện nay đã được nhiều tác giả nghiên cứu với nhiều phương pháp khác nhau như tác giả Hồ Việt Hùng đã nghiên cứu đề tài: "Hạn chế chuyển vị ngang cho nhà cao tầng bằng cách sử dụng Outtrigger (dầm gánh)". Tác giải Nguyễn Hồng Hải nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu sự làm việc của nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tải trọng động đất ở Việt Nam"... Nhìn chung các đề tài này đều đưa ra giải pháp tăng độ cứng của công trình mà cụ thể là khung và vách chịu tác dụng của tải trọng ngang và tải trọng thẳng đứng. Hệ kết cấu chịu lực ngang và lực đứng trong các công trình cao tầng này chủ yếu là hệ khung và vách/lõi. Tuy nhiên, các nhà cao tầng hiện nay tại Việt Nam thường có bước cột tương đối lớn trong khi chiều cao của dầm tương đối nhỏ nhằm đảm bảo chiều cao thông thủy với một chiều cao tầng thấp nhất. Tuy nhiên, không thể tùy tiện tăng kích thước vách lõi do ảnh hưởng bởi sơ đồ công năng và kiến trúc công trình. Vậy nên, cần phải có một sự tính toán, phân phối khối lượng khung - vách/lõi hợp lý để vừa đảm bảo độ cứng ngang cho kết cấu, vừa đảm bảo tiết kiệm diện tích sử dụng cũng như chi phí cho công trình. Đó chính là mục tiêu của đề tài luận văn: “Nghiên cứu bố trí khung - vách hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng bê tông cốt thép” 2. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu đặt ra là sử dụng cùng một tổng thể tích Khung và Vách được xác định dựa theo các công thức tính toán sơ bộ, cần phải phân phối hợp lý cho Khung và vách một cách hợp lý để chuyển vị ngang ở đỉnh công trình là bé nhất. Một cách chi tiết, cần phải chọn kích thước tiết diện hệ khung và chiều dày vách cứng, cũng như vị trí có thể cắt giảm vách cứng để bố trí cột nhằm mục đích tăng độ cứng ngang cho công trình và từ đó có thể giảm chuyển vị đỉnh cho công trình. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn trong các công trình cao tầng bê tông cốt thép sử dụng hệ chịu lực Khung - Vách/lõi. Trong hệ Khung - Vách chịu lực này, hoàn toàn có thể xác định được tổng thể tích của hệ Khung (cột+dầm) và Vách được sử dụng để làm kết cấu chịu lực cho công trình. 4. Nội dung thực hiện  Lý thuyết: - Nghiên cứu lý thuyết tính toán độ cứng của hệ khung và vách trong công trình bê tông cốt thép. - Nghiên cứu ảnh hưởng hệ khung và hệ vách đến chuyển vị tổng thể của công trình. 4 - Đưa ra nhận định sơ bộ về việc bố trí hệ khung-vách nhằm hạn chế chuyển vị đỉnh của công trình.  Tính toán: - Nghiên cứu bố trí tỷ lệ khung - vách nhằm hạn chế chuyển vị đỉnh công trình bằng phần mềm Etabs. - Nhận xét, đánh giá kết quả. 5. Bố cục đề tài Chương 1: Tổng quan về nhà cao tầng bê tông cốt thép. Chương 2: Chuyển vị ngang của công trình có sơ đồ khung giằng dưới tác dụng của tải trọng ngang. Chương 3: Nghiên cứu hạn chế chuyển vị ngang công trình bằng phương pháp phân phối độ cứng khung - vách. Kết luận và kiến nghị. 5 CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trong chương này, tác giả đề cập đến sự làm việc của hệ chịu lực trong nhà cao tầng, cụ thể là sự tương tác giữa khung và vách trong kết cấu khung giằng chịu lực của toàn công trình. Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đó việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được thực hiện. Đối với nhà cao tầng, chuyển vị ngang của nhà gây ra nhiều tác động có hại đến kết cấu và đến sự làm việc của công trình, do đó một số phương pháp hạn chế chuyển vị ngang cũng được nghiên cứu trong chương này. 1.1 . Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển 1.1.1 . Hệ kết cấu của nhà cao tầng Hệ kết cấu của các nhà cao tầng được chia thành hai nhóm chính: Kết cấu bên trong và kết cấu bên ngoài. Phân loại này được dựa trên sự phân bố phần tử của hệ kết cấu chính chịu tải ngang lên toà nhà. Một hệ được phân loại như là một kết cấu bên trong khi phần chính của hệ chịu tải trọng ngang nằm bên trong của tòa nhà. Tương tự như vậy, nếu các phần chính của công trình chịu tải trọng ngang nằm tại đường bao ngoài toà nhà thì hệ đó được phân loại là một kết cấu bên ngoài.  Hệ kết cấu bên trong Trong hệ kết cấu này, hai loại cơ bản của hệ chịu tải trọng ngang là khung chịu lực và vách. Một hệ rất quan trọng khác trong loại này là kết cấu cốt lõi, được sử dụng rất rộng rãi cho các tòa nhà siêu cao tầng hiện nay. Khung chịu lực bao gồm các phần tử ngang (dầm) và dọc (cột) liên kết cứng với nhau trong một mặt phẳng. Khung này chịu tải chủ yếu thông qua độ cứng chống uốn của các phần tử. Năng lực chịu tải trọng thẳng đứng của kết cấu khung thuần tuý là lớn, nhưng năng lực chịu tải trọng ngang của nó tương đối yếu, độ cứng phía mặt bên kém, do đó chuyển vị nằm ngang tương đối lớn. Kết cấu vách là hệ kết cấu chịu lực cấu thành bởi những bức tường chịu lực và sàn nhà. Trong hệ này, tường chịu lực thay thế dầm, cột trong khung để chịu các tải trọng đứng và tải trọng ngang. Do tường chịu lực của nhà cao tầng ngoài việc phải chịu lực nén thẳng đứng do tải trọng thẳng ứng gây ra, còn phải chịu lực trượt và mômen do tải trọng ngang sinh ra, cho nên ta mới gọi là kết cấu tường chống trượt. Khi trong hệ kết cấu khung, người ta lại bố trí một số vách thì hình thành một hệ kết cấu khác. Đó là hệ kết cấu khung - vách có tác động cộng giữa khung và vách. Do kết cấu khung - vách có được ưu điểm của cả kết cấu khung và vách nên nó nhanh 6 chóng được áp dụng rất rộng rãi trong việc xây dựng những ngôi nhà công cộng như khách sạn, nhà xưởng, kho tàng. So với kết cấu khung thuần tuý, thì hệ kết cấu này tăng cường được khả năng chịu tải trọng ngang, nâng độ cứng ngang của nhà; về cơ bản vẫn duy trì được ưu điểm linh hoạt của bố cục mặt bằng. Hình 1.1: Sự tương tác của khung và tường cứng  Hệ kết cấu bên ngoài Một trong các kết cấu bên ngoài điển hình nhất là ống, có thể được định nghĩa là một hệ kết cấu không gian sử dụng toàn bộ chu vi công trình để chịu tải ngang. Có rất nhiều công trình hiện nay vượt quá 50 tầng đã sử dụng kết cấu dạng ống này và các hình thức biến đổi khác của nó. Do đặt thù của kết cấu mà chúng có thể cho các chiều cao khác nhau. Ống giằng là một biến thể của ống khung, lần đầu tiên được áp dụng trên 100 tầng - John Hancock Trung tâm năm 1970 ở Chicago. Hệ bundled tube là một bó các ống riêng lẻ được liên kết với nhau để làm việc như một thể duy nhất. Sears Tower – 110 tầng hoàn thành vào năm 1974 là hệ bundled tube đầu tiên, hệ gồm 9 ống khung thép được nối với nhau đến móng. Một loại kết cấu bên ngoài nữa là hệ diagrid (hệ thanh xiên). Hệ diagrid có thể được so sánh với một hệ kết cấu phổ biến là kết cấu outrigger. Cơ cấu diagrid cung cấp cả độ cứng chống uốn và cắt. Như vậy, không giống như kết cấu outrigger, kết cấu diagrid cao vì không cần lõi có độ cứng chống cắt, có thể được chịu bởi diagrid nằm trên chu vi, mặc dù với các tòa nhà siêu cao tầng với một hệ diagrid có thể được tăng 7 cường và gia cố hơn nữa bằng cách tham gia cốt lõi, tạo ra một hệ thống tương tự như một ống trong ống. Các hệ chịu tải ngang trong nhóm kết cấu bên ngoài còn có hệ dàn không gian space truss, hệ siêu khung - super frames và hệ sườn ngoài - exoskeleton. Ngoài ra, hình 1.2 và 1.3 cho thấy các khái niệm sơ lược của mỗi hệ kết cấu trong mỗi nhóm. Các giới hạn chiều cao được trình bày là có cơ sở dựa trên kinh nghiệm và của các tác giả dự đoán trong phạm vi chấp nhận được. Hình 1.2: Hệ kết cấu bên trong 8 Hình 1.3: Hệ kết cấu bên ngoài 1.1.2 . Sự làm việc của hệ kết cấu Theo mục tiêu chính của đề tài, chúng ta cần nghiên cứu tính toán đối với hệ kết cấu bên trong, đó là sự kết hợp làm việc của hệ khung - vách, cách bố trí khung vách như thế nào cho hợp lý nhằm giảm chuyển vị ngang của nhà cao tầng. Để tính toán được vấn đề trên chúng ta cần nghiên cứu sự làm việc chúng của hệ khung - vách như thế nào để từ đó cần bố trí khung, vách như thế nào, khi nào cần giảm cột, cần giảm khung, khi nào cần bố trí vách cứng nhằm giảm mô men soắn của công trình, từ đó sẽ giảm được chuyển vị ngang. Sự làm việc chung của khung và vách (lõi) là 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 tay đòn của tầng cứng (outrigger). Những dầm cứng này được phát triển ra dàn đai biên (belt truss) cho phép các cột biên tham gia vào chịu mômen lật. 9 Hình 1.4: Hệ kết cấu khung - vách 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 thểc ủa tòa nhà. Vai trò của hệ outrigger trong sự làm việc của kết cấu nhà nhiều tầng là kết nối lõi và các cột ngoài cùng chịu lực hoặc hệ khung và vách cứng cùng chịu lực, trong một ngôi nhà thì có thể có một hoặc một vài lõi cứng, càng sử dụng nhiều dải cứng ngang thì mức độ làm việc đồng thời của lõi cứng với các cột ngoài càng cao. Khi có dải cứng ngang thì ngôi nhà làm việc như một kết cấu chỉnh thể mang lại nhiều hiệu quả như sau: + Giảm mômen trong lõi. + Giảm chuyển vị đỉnh. + Phân phối tải trọng ngang. 1.1.3 . Xu hướng phát triển của nhà cao tầng Với tính năng của hệ kết cấu bên trong và bên ngoài của nhà cao tầng mà ở nước ta trong hai thập niên vừa qua, nhà cao và siêu cao đã được xây dựng nhiều tại Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác trong nước. Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao tầng, hệ thống tàu điện ngầm, tàu điện trên cao và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị khác trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa là điều khó tránh khỏi. Bảng 1-1 liệt kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam. Điển hình cho các dự án siêu cao là các tòa tháp Bitexco (68 tầng, cao 262m), Hanoi Keangnam Landmark Tower (70 tầng, cao 330m), Hanoi Lotte Center (65 tầng, cao 268m). Cả ba công trình này đều sử dụng hệ kết cấu khung lõi kết hợp với tầng 10 cứng và đều được thiết kế bởi công ty tư vấn nước ngoài. Các đơn vị trong nước thường đóng vai trò giúp đỡ hoặc thầu phụ. Nguyên nhân chính là do các kỹ sư Việt Nam chưa có cơ hội để trải nghiệm các giải pháp kết cấu hiện đại cho nhà siêu cao tầng hiện đã và đang phát triển mạnh trên thế giới. Bảng 1.1: Thống kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam Công trình Số tầng Công Địa điểm năng xây dựng Hầm Nổi Chiều Tiêu cao H Hệ kết cấu (m) Khung lõi + chuẩn thiết kế Keangnam Hỗn hợp Hà Nội 2 70 330 Lotte Center Hỗn hợp Hà Nội 5 65 268 Vietinbank Hỗn hợp Hà Nội 3 68 263 Siêu khung Bitexco Financial Hỗn hợp TP HCM Tower 3 68 262 Khung lõi + VN-Mỹ tầng cứng Hỗn hợp TP HCM 4 40 164 Khung lõi VN Hà Nội 2 38 141 Khung vách VN Hỗn hợp Hà Nội 3 37 135 Khung lõi Mỹ 2 36 167 Khung lõi VN-Mỹ Time Square Trụ sở HANDICO Indochina Plaza Trung tâm hành chính Đà Nẵng Văn phòng Văn phòng Đà Nẵng tầng cứng Khung lõi + tầng cứng VN-Mỹ VN-Mỹ VN-Mỹ Trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến nay, ở nước ta cũng có một số nghiên cứu liên quan đến nhà cao tầng như: Nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà cao tầng (Viện KHCN Xây dựng, 1993~1995), biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế công trình trong vùng có động đất (Viện KHCN Xâydựng, 1998~2000), Nghiên cứu các giải pháp thiết kế kháng chấn (Viện KHCN Xây dựng, 2000~2002), Nghiên cứu thiết kế nhà cao tầng (Trường đại học kiến trúc HàNội, 2001~2004), Nghiên cứu các cấu tạo kháng chấn (Trường đại học xây dựng, 2000~2002). Đáng chú ý là các nghiên cứu gần đây của hai đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam và Bulgaria do nhóm tác giả PGS. TS. Nguyễn Xuân Chính, GS. TSKH Nguyễn Đăng Bích, TS. Trịnh Việt Cường, TS. Nguyễn Đại Minh thuộc Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng thực hiện với nội dung “Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà caotầng bê tông cốt thép chịu động đất” năm 2008 và “Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng chấn của các chung cư nhiều tầng và đề xuất giải pháp khắc phục” năm 2011. Hai đề tài trên tập trung vào hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép chịu tác động của 11 động đất và hướng dẫn đánh giá khả năng kháng chấn của chung cư cũ cao tầng hiện hữu và các giải pháp gia cường hiệu quả khi chịu động đất. Nói chung, các nghiên cứu này phần nào cũng đóng góp nâng cao chất lượng thiết kế cho kết cấu nhà cao tầng của cả nước trong thời gian qua. 1.2 . Ảnh hưởng của chuyền vị ngang đến sự làm việc của công trình Khi tính toán chịu lực của kết cấu nhà cao tầng, ngoài việc xem xét đến tải trọng thẳng đứng ra, ta còn cần đặc biệt chú ý đến các tải trọng nằm ngang gây nên bởi lực gió và lực động đất. Tải trọng nằm ngang tác động lên ngôi nhà làm việc như kết cấu công son, chủ yếu sinh ra mômen uốn và lực trượt, mô men uốn tỷ lệ thuận với bình phương của chiều cao nhà (xem hình 1.5). Hình 1.5: Tải trọng và sơ đồ chịu lực của nhà Khi chuyển vị nằm ngang của nhà quá lớn, con người sống trong nhà sẽ cảm thấy khó chịu, ảnh hưởng không tốt đến sinh hoạt và làm việc, có thể làm biến dạng quỹ đạo của thang máy, khiến cho các tường xây lấp khung hoặc các tường trang trí bị nứt rạn, rời rạc và cũng có thể làm cho kết cấu chính của ngôi nhà xuất hiện vết nứt. Chuyển vị nằm ngang gia tăng thêm bước nữa có thể tạo nên các nội lực bổ sung trong các cấu kiện của nhà, gây ra sự phá hoại nghiêm trọng trong ngôi nhà thậm chí còn làm cho nó bị sụp đổ cục bộ hoặc toàn bộ. Chính vì lẽ đó, ta phải khống chế chuyển vị nằm ngang bao gồm chuyển vị giữa các tầng liền kề và chuyển vị tại điểm đỉnh của ngôi nhà. Tỷ số giữa chuyển vị tương đối của hai tầng liền kề của ngôi nhà trên chiều cao của tầng δ/h cũng như tỷ số giữa chuyển vị nằm ngang của điểm đỉnh của ngôi nhà trân tổng chiều cao của nó Δ /H phải khống chế trong khoảng từ 1/400 ~ 1/1200 tuỳ thuộc vào các loại hình kết cấu khác nhau và các loại tải trọng nằm ngang khác nhau (xem hình 1.6) 12 Hình 1.6: Chuyển vị nằm ngang của ngôi nhà Trong thiết kế nhà cao tầng, chuyển vị ngang của công trình là một điều kiện tiên quyết. Kết cấu cần được đảm bảo các điều kiện về chuyển vị nằm trong giới hạn cho phép, trước khi tiến hành các tính toán về độ bền. Khống chế chuyển vị ngang của nhà cao tầng là xem xét các nhân tố sau: + Đảm bảo an toàn cho kết cấu chính, chống nứt, phá hoại, mất ổn định, chống lật. Sau khi chuyển vị ngang vượt quá một giá trị nhất định, cột của khung và vách cứng sẽ nứt, chuyển vị quá lớn kết cấu có thể bị phá hoại. Dưới áp lực gió và động đất nhỏ thường gặp, kết cấu không được nứt; đối với động đất lớn ít gặp, kết cấu không bị đổ, chuyển vị có thể chấp nhận của các loại kết cấu. + Tránh tường chèn, trang trí bị phá hoại do chuyển vị quá lớn. Hiện nay, tường xây chèn được sử dụng rộng rãi, lại tường này khả năng biến dạng kém, dễ bị nứt, chuyển vị hơi lớn sẽ đổ. Sau động đất, chi phí cho phá dỡ cải tạo rất lớn, cho nên càng cần hạn chế chuyển vị của kết cấu chính. + Khi số tầng rất cao thì chuyển vị không được quá lớn, để tránh cho người ở và làm việc có cảm giác khó chịu. Vì 3 nguyên nhân trên, công trình cao tầng cần khống chế chuyển vị ngang. 1.3 . Các phương pháp hạn chế chuyển vị ngang công trình 1.3.1 . Bố trí Outrigger Theo nghiên cứu của Hồ Việt Hùng với đề tài: Hạn chế chuyển vị ngang cho nhà cao tầng bằng cách sử dụng Outtrigger (dầm gánh). Một vấn đề thường phải đối diện khi thiết kế nhà cao tầng là giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang. Các nhà cao tầng hiện nay tại Việt Nam thường có bước cột tương đối lớn trong khi chiều cao của dầm tương đối nhỏ nhằm đảm bảo chiều cao thông thủy với một chiều cao tầng thấp nhất. Điều này làm giảm tác dụng chịu tải trọng ngang của hệ khung trong kết cấu khung vách lõi (core wall). Nhà càng cao chuyển vị càng lớn trong khi việc tăng kích thước