Tài liệu Thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển trong nhà nhiều tầng một só ứng dụng thực tế

NGUYỄN THÀNH CÔNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN THÀNH CÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG – MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP KHOÁ K32.TV Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN THÀNH CÔNG THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG – MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN QUANG HƯNG Đà Nẵng – Năm 2018 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. Tác giả luận văn Nguyễn Thành Công THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG – MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ Học viên: Nguyễn Thành Công Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K32.TV Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN Tóm tắt – Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép không ứng lực trước, đã, đang được ứng dụng để thiết kế kết cấu trong nhà cao tầng ngày càng nhiều. Vì dầm chuyển đã chứng minh được nó là một giải pháp kết cấu tối ưu để thiết kế công trình có kiến trúc theo chiều đứng thay đổi. Nội dung luận văn đã vận dụng lý thuyết tính toán kết cấu dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo, quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 31814, để thực hành tính toán dầm chuyển đỡ cột, dầm chuyển đỡ vách cứng, dầm công sôn của các công trình cụ thể trong thực tế. Trọng tâm của phương pháp giàn ảo là vấn đề lực chọn được một mô hình giàn ảo tối ưu với các thanh chống, thanh giằng, các vùng nút hợp lý với từng loại dầm chuyển. Các phân tích, kết quả đạt được trong các ví dụ thiết kế dầm chuyển thực tế mà tác giả thực hiện sai lệch ít và nhỏ hơn với hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công công trình. Từ đó, tác giả đã đưa ra các lời khuyên khi thiết kế kết cấu dầm chuyển và các hướng phát triển đề tài tiếp theo. Từ khóa - dầm chuyển, phương pháp giàn ảo, thanh chống, thanh giằng, vùng nút. DESIGN OF STRUCTURAL TRANSFER BEAMS IN HIGH RISE BUILDINGS - SOME PRACTICAL EXAMPLES Abstract - Non prestressed reinforced concrete transfer beams have been used more and more in designing structures in high rise buildings. Transfer beams have demonstrated that they are optimum structural solutions for buildings with architectural design varied along the vertical direction. This thesis employs a design method for transfer beams relying on the Strut-and-Tie Method, as specified in the American Standard ACI 318-14, which is for designing transfer beams supporting columns, transfer beams supporting shear walls, cantilever beams in practical projects. The objective of the Strut-and-Tie Method is to select an optimum Strut-and-Tie Model with struts, ties, and reasonable nodal zones corresponding to the types of transfer beams. Results from practical examples associated with transfer beams that were analyzed by the author show that the difference is small compared to the design results used in the construction. As a consequence, the author provides recommendations for designing transfer beams and for further development relating to this subject. Key words - Transfer beam, Strut-and-Tie Method, strut, tie, nodal zone. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: Cover Lớp bê tông bảo vệ dv Khoảng cách thông thủy giữa 2 lớp thép P Lực tập trung M Mô men W Lực phân bố đều V Lực cắt & Và CÁC CHỮ VIẾT TẮT: B Vùng liên tục D Vùng không liên tục S Thanh chống T Thanh giằng Z Chiều cao của khối bê tông chịu nén MỤC LỤC MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................ 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................................... 2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................... 2 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 2 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................................................. 2 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN ......................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 – KHÁI QUÁT VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG ..................................... 4 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHÀ NHIỀU TẦNG ........................................................... 4 1.2. PHÂN LOẠI NHÀ NHIỀU TẦNG ................................................................................ 4 1.3. SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN NHÀ CAO TẦNG ................................... 5 1.4. TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG .............................................................................................. 5 1.5. CÁC VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ NHÀ NHIỀU TẦNG ............................................ 6 1.6. SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG ................................................. 7 1.6.1. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản của nhà cao tầng ..................................................... 7 1.6.2. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang ......................................................... 7 1.7. CÁC HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG ........................................ 8 1.7.1. Kết cấu cao tầng kiểu khung giằng (braced frames) ................................................ 8 1.7.2. Kết cấu cao tầng kiểu khung cứng (rigid frames) .................................................... 8 1.7.3. Kết cấu cao tầng kiểu vách ngang (shear wall) ........................................................ 8 1.7.4. Kết cấu cao tầng có vách ngang tương tác (coupled shear wall structures) ............. 9 1.7.5. Kết cấu nhà cao tầng Outtriger ................................................................................. 9 1.7.6. Kết cấu nhà cao tầng kiểu khung-vách (wall-frame structures) ............................. 10 1.7.7. Kết cấu nhà cao tầng dạng lõi ................................................................................. 10 1.7.8. Kết cấu nhà cao tầng dạng ống (frame-tube structures) ......................................... 10 1.8. NHÀ CAO TẦNG CÓ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN .............................................. 11 1.8.1. Khái quát về nhà cao tầng có hệ kết cấu dầm chuyển ............................................ 11 1.8.2. Khái niệm và phân loại dầm chuyển ...................................................................... 11 1.8.3. Sơ lược về sự phát triển của nhà nhiều tầng có hệ kết cấu dầm chuyển ................ 12 1.8.4. Đặc điểm thi công dầm chuyển .............................................................................. 13 1.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .............................................................................................. 14 CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO ..................................................................................... 15 2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM CHUYỂN .............................................................................. 15 2.2. PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO THIẾT KẾ HỆ DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG ................................................................................................................................... 16 2.2.1. Tính toán hệ dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo ............................................. 16 2.2.2. Cấu tạo dầm chuyển ............................................................................................... 28 2.3. CÁC DẠNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO .............................................................................. 29 2.3.1. Mô hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển dạng công sôn ..................................... 29 2.3.2. Mô hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển đỡ vách ............................................... 29 2.3.3. Mô hình giàn ảo áp dụng cho dầm chuyển đỡ cột .................................................. 30 2.4. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ..................................................................................................... 30 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .............................................................................................. 35 CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN CỦA MỘT SỐ CÔNG TRÌNH THỰC TẾ .................................................................................................................. 37 3.1. THIẾT KẾ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN CÔNG TRÌNH ÁNH DƯƠNG – SOLEIL ĐÀ NẴNG CHỊU MỘT LỰC TẬP TRUNG TỪ CỘT, KÝ HIỆU D4-1A ............................... 37 3.1.1. Giới thiệu công trình: Tổ hợp khách sạn 5 sao và căn hộ cao cấp Ánh Dương – Soleil Đà Nẵng. ................................................................................................................ 37 3.1.2. Thiết kế kết cấu dầm chuyển D4-1A ...................................................................... 38 3.2. THIẾT KẾ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN DẠNG CÔNG SÔN ĐỠ HAI VÁCH CỨNG CÔNG TRÌNH VINPEARL CONDOTEL ĐÀ NẴNG, KÝ HIỆU DVC4 ......................... 44 3.2.1. Giới thiệu công trình: Vinpearl Condotel Đà Nẵng ............................................... 44 3.2.2. Thiết kế kết cấu dầm chuyển dạng công sôn DVC4............................................... 45 3.3. THIẾT KẾ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN CÔNG TRÌNH ÁNH DƯƠNG – SOLEIL ĐÀ NẴNG ĐỠ VÁCH CỨNG, KÝ HIỆU D4-28 ..................................................................... 54 3.3.1. Khái quát về dầm chuyển D4-28 ............................................................................ 54 3.3.2. Thiết kế kết cấu dầm chuyển D4-28 ....................................................................... 54 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .............................................................................................. 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 69 1. KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 69 2. KIẾN NGHỊ...................................................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 71 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Bảng 1.1. Bảng 1.2. Bảng 2.1. Bảng 2.2. Bảng 2.3. Bảng 2.4. Bảng 2.5. Bảng 3.1. Bảng 3.2. Bảng 3.3. Bảng 3.4. Bảng 3.5. Bảng 3.6. Bảng 3.7. Bảng 3.8. Bảng 3.9. Bảng 3.10. Bảng 3.11. Bảng 3.12. Bảng 3.13. Bảng 3.14. Bảng 3.15. Bảng 3.16. Bảng 3.17. Bảng 3.18. Tên bảng Bảng nhà cao tầng theo định nghĩa của một số nước. [6]. Phân loại nhà cao tầng theo hội thảo quốc tế tại Moscow năm 1971. Bảng tra hệ số β2 khi kiểm tra khả năng chịu lực thanh chống và vùng nút. Quy đổi cường độ tính toán của bê tông Quy đổi cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép Bảng kiểm bền các thanh chống Bảng kiểm tra ứng suất tại vùng nút Kết quả kiểm tra điều kiện chịu uốn của dầm dầm D4-1A Các số liệu trong mô hình giàn ảo dầm D4-1A Bảng kiểm tra bền các thanh chống dầm D4-1A Bảng kiểm tra bền vùng nút dầm D4-1A Bảng kiểm tra ứng suất tại gối tựa và vị trí đặt lực tập trung dầm D4-1A Kiểm tra lực cắt cho phép trong dầm D4-1A Bảng kết quả tính cốt thép các thanh giằng, thanh chống dầm D4-1A So sánh cốt thép dầm D4-1A giữa ví dụ tính toán và trong thực tế Các số liệu trong mô hình giàn ảo dầm DVC4 phương X Bảng kiểm tra bền các thanh chống dầm DVC4 phương X Bảng kiểm tra bền vùng nút dầm DVC4 phương X Bảng kiểm tra ứng suất tại vị trí đặt lực tập trung dầm DVC4 phương X Kết quả tính cốt thép các thanh giằng, thanh chống dầm DVC4 phương X Các số liệu trong mô hình giàn ảo dầm DVC4 phương Y Bảng kiểm tra bền vùng nút dầm DVC4 phương Y Bảng kiểm tra bền các thanh chống dầm DVC4 phương Y Kết quả tính cốt thép các thanh giằng, thanh chống dầm DVC4 phương Y Bảng so sánh cốt thép dầm DVC4 giữa ví dụ tính toán và trong thực tế Trang 4 5 25 27 28 32 33 39 40 40 41 42 42 42 43 47 48 48 48 49 50 51 51 52 53 Bảng 3.19. Bảng 3.20. Bảng 3.21. Bảng 3.22. Bảng 3.23. Kết quả kiểm tra điều kiện chịu uốn của dầm D4-28 Các số liệu trong mô hình giàn ảo dầm D4-28 Bảng kiểm tra bền các thanh chống dầm D4-28 Bảng kiểm tra bền vùng nút dầm D4-28 Bảng kiểm tra ứng suất tại gối tựa và vị trí đặt lực tập trung dầm D4-28 Bảng 3.24. Kiểm tra lực cắt cho phép trong dầm D4-28 Bảng 3.25. Bảng kết quả tính cốt thép các thanh giằng, thanh chống dầm D4-28 Bảng 3.25. So sánh cốt thép dầm D4-28 giữa ví dụ tính toán và trong thực tế 56 57 60 60 62 62 62 65 DANH MỤC HÌNH Số hiệu Hình 1.1. Hình 1.2. Hình 1.3. Hình 1.4. Hình 1.5. Hình 1.6. Hình 1.7. Hình 1.8. Hình 1.9. Hình 1.10. Hình 1.11. Hình 2.1. Hình 2.2. Hình 2.3. Hình 2.4. Hình 2.5. Hình 2.6. Hình 2.7. Hình 2.8. Hình 2.9. Hình 2.10. Hình 2.11. Hình 2.12. Hình 2.13. Hình 2.14. Tên hình Trang Các hệ kết cấu hỗn hợp trong nhà cao tầng [7] 7 Các dạng kết cấu cao tầng kiểu khung giằng [12] 8 Một số mặt bằng của dạng kết cấu cao tầng kiểu khung cứng [12] 8 Một dạng nhà kiểu vách ngang [12] 9 Một dạng nhà kiểu có vách ngang tương tác [12] 9 Một số mặt bằng của dạng nhà cao tầng kiểu khung-vách 10 [12] Một dạng nhà kiểu kết cấu dạng lõi [12] 10 Một dạng nhà hệ kết cấu có hệ thống dầm chuyển [9] 11 Một số nhà cao tầng có dầm chuyển trên thế giới 12 Một số nhà cao tầng có dầm chuyển ở Việt Nam 13 Một số hình ảnh về thi công dầm chuyển của tòa nhà Trump 14 Tower [9] a, b) Dạng phá hủy dầm chuyển 1 nhịp chịu tải tập trung, 15 phân bố đều c) Dạng phá hủy dầm chuyển công sôn [17] Vùng không liên tục (vùng D) [16] 17 Phân tích ứng suất một nửa dầm chịu tải đúng tâm [4] 18 Phát triển mô hình giàn ảo của dầm chuyển chịu tải trọng phân 19 bố đều [4] Một ví dụ phương pháp đường tải trọng [4] 19 Một số mô hình giàn ảo [4] 20 Mô hình giàn ảo, nút kiểu C-C-C (chịu 3 lực nén), nút kiểu C21 C-T (chịu 2 lực nén và 1 lực kéo) [5] Nút tập trung và nút phân tán [4] 21 Mô hình giàn ảo tối ưu cho dầm chuyển một nhịp chịu tải phân 22 bố đều [1] Hai vùng D thường gặp và mô hình giàn ảo tối ưu tương ứng 23 [4] Sơ đồ ứng suất biến dạng khi dầm ở trạng thái phá hoại [15] 24 Phương pháp xác định vùng nút kiểu C-C-T và kiểu C-C-C 26 [1, 18] Minh họa cấu tạo cốt thép trong dầm chuyển đỡ cột, đỡ vách 28 [4, 18] Một trường hợp cấu tạo cốt thép trong dầm chuyển dạng 29 công sôn [4] Hình 2.15. Hình 2.16. Hình 2.17. Hình 2.18. Hình 2.19. Hình 2.20. Hình 2.21. Hình 2.22. Hình 3.1. Hình 3.2. Hình 3.3. Hình 3.4. Hình 3.5. Hình 3.6. Hình 3.7. Hình 3.8. Hình 3.9. Hình 3.10. Hình 3.11. Hình 3.12. Hình 3.13. Hình 3.14. Hình 3.15. Hình 3.16. Hình 3.17. Hình 3.18. Hình 3.19. Hình 3.20. Hình 3.21. Hình 3.22. Hình 3.23. Hình 3.24. Hình 3.25. Hình 3.26. Mô hình giàn ảo của dầm chuyển dạng công sôn [4] Mô hình giàn ảo của dầm chuyển đỡ vách [1] Mô hình giàn ảo của dầm chuyển đỡ cột [1] Dầm chuyển chịu một tải tập trung Mô hình giàn ảo của ví dụ thiết kế dầm chuyển mục 2.4 Nội lực và tiết diện các thanh giàn Hình kiểm tra độ bền vùng nút Bố trí cốt thép trong dầm của ví dụ ở mục 2.4 Khái quát công trình Ánh Dương – Soleil Đà Nẵng [2] Nội lực tính toán dầm D4-1A Sơ đồ tính dầm chuyển D4-1A Mô hình giàn ảo của dầm D4 – 1A Nội lực và tiết diện các thanh giàn dầm D4-1A Hình kiểm tra độ bền vùng nút dầm D4-1A Bố trí cốt thép dầm D4-1A Bố trí cốt thép dầm D4-1A thực tế [2] Khái quát công trình Vinpearl Condotel Đà Nẵng [11] Nội lực tính toán dầm DVC4 Sơ đồ tính dầm chuyển DVC4 Mô hình giàn ảo của dầm DVC4 phương X Nội lực, tiết diện các thanh giàn, các vùng nút dầm DVC4 phương X Sơ đồ tính dầm chuyển DVC4 phương Y Mô hình giàn ảo, nội lực, tiết diện các thanh giàn, vùng nút phương Y Bố trí cốt thép dầm DVC4 Bố trí cốt thép dầm DVC4 thực tế [11] Vị trí của dầm chuyển D4-28 Nội lực tính toán dầm D4-28 Sơ đồ tính dầm chuyển D4-28 Mô hình giàn ảo và nội lực các thanh giàn dầm D4-28 Hình kiểm tra độ bền vùng nút dầm D4-28 Biểu đồ diện tích cốt thép các trường hợp tính toán của dầm D4-28 Bố trí cốt thép trong dầm chuyển D4-28 Bố trí cốt thép dầm chuyển D4-28 thực tế [2] Các biểu đồ so sánh cốt thép giữa thiết kế và thực tế của các dầm chuyển D4 – 1A, DVC4 và D4 – 28. 29 29 30 30 31 32 33 35 37 38 38 39 40 41 43 44 44 45 46 46 47 49 50 52 53 54 55 56 58 59 64 64 65 67 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Nhà nhiều tầng là một giải pháp kiến trúc tối ưu để giải quyết vấn đề sử dụng hiệu quả quỹ đất và không gian sống cho các đô thị lớn trên thế giới. Thực tế, nhà nhiều tầng ở nước ta và các nước trên thế giới đang ngày càng được xây dựng nhiều về số lượng cũng như quy mô. Các công trình nhà nhiều tầng có thể áp dụng các dạng kết cấu chịu lực khác nhau. Do yêu cầu của sử dụng và kiến trúc, một số công trình đôi khi có kết cấu theo chiều đứng thay đổi. Giải pháp thường được áp dụng là sử dụng hệ kết cấu chuyển như dầm chuyển (transfer beam hay deep beam). Trên thế giới đã có nhiều công trình nhà nhiều tầng áp dụng giải pháp thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển như: Trump Tower (Mỹ), Burj Khalifa (UAE), The Issara Ladprao (Thái Lan),...Ở nước ta đã có nhiều công trình sử dụng hệ dầm chuyển như: tòa nhà Keangnam (Hà Nội), tòa nhà Kenton (Thành phố Hồ Chí Minh), tổ hợp khách sạn 5 sao và căn hộ cao cấp Ánh Dương - Soleil (Đà Nẵng),... Dầm chuyển có chiều cao lớn, có ứng xử khác biệt so với dầm thường và không tuân theo giả thiết dầm của Bernoulli (giả thiết mặt phẳng của tiết diện dầm vẫn phẳng sau biến dạng). Việc thiết kế do vậy cũng không thể dùng lý thuyết dầm bê tông cốt thép thông thường. Khi thiết kế dầm chuyển cần lưu ý: phương pháp mô phỏng dầm chuyển trên phần mềm kết cấu, trạng thái ứng suất phức tạp trong dầm chuyển, khả năng chịu lực, các điều kiện làm việc bình thường và độ ổn định của dầm chuyển. Hiện nay, phương pháp thiết kế dầm chuyển mà các nước trên thế giới đã áp dụng gồm: phương pháp phân tích phi tuyến trạng thái ứng suất của dầm chuyển và phương pháp giàn ảo (Strut and Tie Method) quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 318 - 14. Tuy nhiên, dầm chuyển là dạng kết cấu đặc biệt có ứng xử rất phức tạp nên các phương pháp trên không phải là tối ưu cho mọi trường hợp. Đồng thời phương pháp mô hình hóa cơ cấu làm việc của hệ dầm chuyển trong phần mềm còn tồn tại nhiều vấn đề bất cập có thể dẫn đến ứng xử của kết cấu sai lệch so với thực tế. Đối với các nước phát triển trên thế giới đã xây dựng được bộ tiêu chuẩn về thiết kế hệ dầm chuyển như tiêu chuẩn ACI 318 (Mỹ), tiêu chuẩn BS 8110 (Anh),...Ở nước ta, các nghiên cứu tập trung vào việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của dầm chuyển, nghiên cứu phương pháp mô phỏng và ứng dụng các phương pháp thiết kế dựa theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép ACI 318, BS 8110. Tại Việt Nam, đã có một số công trình cụ thể trong thực tế có sử dụng hệ dầm chuyển đã được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318, BS 8110 như: Vinpearl Condotel (Đà Nẵng), Soleil Ánh 2 Dương (Đà Nẵng),... Tuy vậy, các tài liệu, giáo trình của Việt Nam còn ít đề cập đến vấn đề này và cũng chưa có trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện hành, TCVN 5574:2012. Đối với một công trình thực tế, do yêu cầu kiến trúc mà việc bố trí các dầm chuyển có thể rất linh hoạt và đa dạng. Sử dụng phương pháp giàn ảo để chọn mô hình giàn ảo những trường hợp này do đó cũng phải phù hợp. Việc thiết kế những trường hợp như vậy có thể làm các tính toán điển hình cho thực hành. Xuất phát từ những lý do trên mà tác giả lựa chọn và nghiên cứu đề tài này. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mô phỏng sơ đồ kết cấu trên phần mềm Etabs để xác định ngoại lực tác dụng lên dầm chuyển. Phân tích lý thuyết tính toán và cấu tạo dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 318 - 14. Thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển cho các trường hợp cụ thể có thực trong thực tế: dầm đỡ cột, dầm đỡ vách cứng, dầm công sôn. Đưa ra các lời khuyên khi thiết kế kết cấu dầm chuyển. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: dầm chuyển bằng bê tông cốt thép không ứng lực trước trong nhà nhiều tầng. Phạm vi nghiên cứu: thiết kế kết cấu dầm chuyển theo phương pháp giàn ảo quy định trong tiêu chuẩn Mỹ ACI 318 – 14. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tác giả tìm hiểu, tổng hợp các văn bản, tài liệu đã có, các tư liệu thực tế, phân tích, tổng hợp lý thuyết tính toán hệ kết cấu dầm chuyển. Trong đó có kế thừa, vận dụng các kết quả nghiên cứu đã thực hiện trước đây và xây dựng lý thuyết tính toán. Phương pháp số: lập mô hình phân tích bằng phần mềm Etabs để phân tích ứng xử và xác định ngoại lực tác dụng lên dầm chuyển. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn, tác giả sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học đó là thực hành tính toán trên một số công trình thực tế. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Các vấn đề đã nghiên cứu trong luận văn còn tương đối mới, có giá trị thực tiễn cao; nội dung của luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn không chỉ trong nước mà cả trên thế giới. Do đó, các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể được sử dụng: 3 - Tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành xây dựng tại các trường Đại học, Cao đẳng. - Luận văn có đưa ra lời khuyên khi thiết kế công trình nhà nhiều tầng có sử dựng hệ kết cấu dầm chuyển. Đồng thời, có thể dùng làm tài liệu cho các công ty Tư vấn thiết kế xây dựng. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu, lời cam đoan, danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt, danh mục các bảng, danh mục các hình, tóm tắt luận văn, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo thì trong luận gồm có 3 chương như sau: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG. Chương 2: THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG THEO PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO. Chương 3: THIẾT KẾ HỆ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN CỦA MỘT SỐ CÔNG TRÌNH THỰC TẾ. 4 CHƯƠNG 1 – KHÁI QUÁT VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHÀ NHIỀU TẦNG Ngày nay, khi quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa và khoa học kỹ thuật về xây dựng phát triển kết hợp với các vấn đề về xã hội như: dân số đông, quỹ đất, không gian sống,...nên nhu cầu xây dựng những công trình cao tầng ngày càng trở nên cấp thiết. Định nghĩa về nhà cao tầng thay đổi theo từng nước và gắn liền với một loạt các điều kiện kinh tế, kỹ thuật, xã hội riêng biệt. Để cho khái niệm về nhà cao tầng mang tính khoa học, Uỷ ban quốc tế về nhà cao tầng đã đưa ra định nghĩa như sau: nhà nhiều tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng tới ý đồ và cách thức thiết kế. Hoặc nói cách tổng quát hơn: một công trình xây dựng được xem là nhiều tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các nhà thông thường [7, 10]. Định nghĩa này còn tùy thuộc vào quan điểm của từng người, từng thời kỳ và từng địa phương. Như vậy, chiều cao là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng nhà cao tầng khác với các ngôi nhà thông thường. Bảng 1.1. Bảng nhà cao tầng theo định nghĩa của một số nước. [6]. Nước Đặc điểm nhà cao tầng Trung Quốc Nhà ở có từ 10 tầng trở lên; các công trình kiến trúc khác là 24 tầng. Liên Xô(cũ) Nhà ở có từ 10 tầng trở lên; các công trình kiến trúc khác là 7 tầng. Mỹ Nhà có chiều cao từ 22m đến 25m hoặc trên 7 tầng. Pháp Nhà ở cao trên 50m hoặc các kiến trúc khác là trên 28m. Anh Nhà có chiều cao trên 24.3m. Nhật Bản Nhà có trên 11 tầng và trên 31m. Tây Đức Nhà có chiều cao trên 22m. Bỉ Nhà cao trên 25m (tính từ mặt đất ngoài nhà). Về mặt kết cấu, một công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó chủ yếu quyết định bởi tải trọng ngang. Tải trọng ngang có thể dưới dạng tải trọng gió, động đất. 1.2. PHÂN LOẠI NHÀ NHIỀU TẦNG  Phân loại theo mục đích sử dụng, gồm: nhà ở, nhà làm việc và các dịch vụ khác, khách sạn.  Phân loại theo chiều cao nhà: 5 Bảng 1.2. Phân loại nhà cao tầng theo hội thảo quốc tế tại Moscow năm 1971. Loại nhà cao tầng Chiều cao Loại I Từ 9 – 16 tầng (dưới 50m). Loại II Từ 17 – 25 tầng (dưới 75m). Loại III Từ 26 – 40 tầng (dưới 100m). Loại nhà cực cao Trên 40 tầng (trên 100m).  Phân loại theo hình dạng: nhà tháp, nhà dạng thanh.  Phân loại theo vật liệu cơ bản: bằng bê tông cốt thép, thép, hỗn hợp. [7]. 1.3. SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN NHÀ CAO TẦNG Sử dụng nhà cao tầng nhằm giải quyết vấn đề quỹ đất đô thị và tập trung chức năng. Ngoài ra nhà cao tầng tạo ra các điểm nhấn kiến trúc, là biểu tượng cho sức mạnh kinh tế, khát vọng chinh phục độ cao. Trên thế giới khoảng những năm 1880: bắt đầu có nhà cao tầng để phục vụ cho mục đích thương mại, nhà chung cư (chủ yếu ở châu Âu, Mỹ với nhà khoảng 7-15 tầng). Bắt đầu những năm 1930: ứng dụng kết cấu thép vào nhà cao tầng từ đó bùng phát nhà cao tầng ở Mỹ. Một số đô thị trên thế giới là thiên đường cho nhà cao tầng như: HongKong, Singapore, Thượng Hải, NewYork,…Khoảng năm 1970 trở lại: nhà siêu cao tầng xuất hiện ở các quốc gia mới nổi như UAE, Quatar, Trung Quốc,… Tại Việt Nam: nhà cao tầng bắt đầu được xây dựng từ khoảng những năm đầu 1990 trở lại đây như: khách sạn Hanoi Daewoo, khách sạn Hỏa Lò, trung tâm thương mại Thành phố Hồ Chí Minh,…Hiện có nhiều tòa nhà siêu cao tầng được xây dựng tại các thành phố lớn như Keangnam (72 tầng, 336m), Bitexco (68 tầng, 262m), Vietinbank (68 tầng, đang xây dựng), Landmark81 (81 tầng, đang xây dựng)… [12]. 1.4. TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG  Tải trọng thẳng đứng - Tải trọng thường xuyên: là tải trọng có vị trí, phương, chiều tác động và giá trị không đổi trong quá trình sử dụng. - Tải trọng tạm thời: là tải trọng tác động không thường xuyên như người và vật dụng trong nhà; có phương chiều, điểm đặt và giá trị có thể thay đổi.  Tải trọng ngang - Tải trọng gió do tác động của khí hậu và thời tiết thay đổi theo thời gian, độ cao, và địa điểm dưới dạng áp lực trên các mặt hứng gió hoặc hút gió của ngôi nhà. 6 - Tải trọng động đất là một trong những tải trọng đặc biệt, là các lực quán tính phát sinh trong công trình khi nền đất chuyển động. Tải trọng động đất có thể tác động đồng thời theo phương thẳng đứng và phương ngang. Trong tính toán kết cấu nhà cao tầng thường chỉ xét tới tác động ngang của tải trọng động đất.  Các loại tải trọng khác - Tác động do co ngót, từ biến của bê tông. - Tác động do ảnh hưởng của sự lún không đều. - Tác động do các sai lệch khi thi công, do thi công các công trình lân cận. - Tác động do ảnh hưởng của sự thay đổi độ ẩm môi trường. - Tác động do khai thác khoáng sản, nước ngầm dưới nhà,... Ngoài ra còn các tải trọng đặc biệt khác phát sinh do hoạt động của con người như hoả hoạn, cháy nổ, máy móc, xe cộ, thiết bị va đập vào công trình. - Ngoài ra do có chiều cao lớn nên nhà cao tầng có thể bị ảnh hưởng lớn bởi tải trọng gây ra từ biến thiên nhiệt độ và co ngót hay từ biến. [3]. 1.5. CÁC VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ NHÀ NHIỀU TẦNG  Thỏa mãn yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng. - Nhà cao tầng có không gian lớn ở các tầng dưới: kích thước cấu kiện nhà cao tầng thường lớn nên ảnh hưởng đến chiều cao thông thủy. - Khi bố trí kiến trúc không hợp lý sẽ ảnh hưởng đến mặt đứng của nhà cao tầng. - Kết cấu phải thỏa mãn kiến trúc đề ra: thông thường phương án kết cấu phải đáp ứng được phương án kiến trúc. Tuy nhiên, đối với nhà cao tầng đôi khi kết cấu lại quyết định phương án kiến trúc.  Đảm bảo độ bền và ổn định (strength & stability).  Đảm bảo độ cứng, chuyển vị ngang (drift limitation).  Chùng ứng suất, co ngót hay giãn nở vật liệu do nhiệt độ.  Chống cháy, thoát hiểm an toàn.  Có khả năng kháng chấn cao.  Giảm trọng lượng bản thân.  Kết cấu chịu lực phương đứng và phương ngang (khung, vách, lõi cứng) chọn, bố trí hợp lý. 7 1.6. SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG 1.6.1. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản của nhà cao tầng Các hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng được chia thành 2 nhóm: - Nhóm các hệ cơ bản: hệ khung (I), hệ tường (II), hệ lõi (III), hệ hộp (IV). - Nhóm các hệ hỗn hợp: tạo thành từ sự kết hợp hai hay nhiều hệ cơ bản trên. Một số dạng thường gặp của hệ hỗn hợp như: hệ khung-tường (I-II); hệ khung-lõi (I-III); hệ khung-hộp (I-IV); hệ hộp-lõi (III-IV); hệ tường-hộp (II-IV),... (Hình 1.1). Như vậy, về mặt lý thuyết số lượng các hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng là rất lớn. Trong luận văn chỉ giới thiệu các hệ kết cấu phổ biến nhất hiện nay đang áp dụng cho các công trình xây dựng. Hình 1.1. Các hệ kết cấu hỗn hợp trong nhà cao tầng [7] 1.6.2. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang Dưới tác dụng của tải trọng ngang trong công trình có thể xuất hiện ba dạng nội lực chính: mô men uốn, lực cắt ngang, mô men xoắn. Đối với mô men uốn: các kết cấu vuông góc với mặt phẳng uốn và cách xa trục uốn có xu hướng chịu tải trọng lớn, nhất là các kết cấu ở biên; bố trí kết cấu ra gần biên vuông góc với mặt phẳng uốn càng tốt và bố trí một số kết cấu có kích thước theo phương mặt phẳng uốn được kéo dài. Đồng thời liên kết các hệ kết cấu biên thành một hệ liên tục để có độ cứng chống uốn tổng thể cao. Đối với lực cắt ngang: bố trí các kết cấu dạng tổ hợp để có tiết diện ngang lớn, các kết cấu dạng dải theo phương của tải trọng ngang. Bên cạnh đó theo phương mặt phẳng thẳng đứng cấu tạo các hệ liên kết để tăng khả năng chịu cắt. Đối với mô men xoắn: các kết cấu thành phần cần phải bố trí sao cho càng đối xứng càng tốt, tâm cứng của toàn bộ hệ kết cấu càng gần với tâm khối lượng và điểm 8 đặt của hợp lực tải trọng ngang. Trên suốt chiều cao công trình cần hạn chế sự thay đổi độ cứng cục bộ để hạn chế sự phát sinh các mô men xoắn. [8]. 1.7. CÁC HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG 1.7.1. Kết cấu cao tầng kiểu khung giằng (braced frames) Trong khung giằng, dầm và cột ngoài nhiệm vụ chính chịu tải đứng, còn kết hợp với các thanh giằng xiên tạo ra miếng cứng dạng giàn có thể chịu tải ngang rất tốt. Các thanh xiên trong hệ giàn có vai trò chịu lực cắt ngang. Do chúng chỉ tồn tại lực dọc nên tận dụng được tối đa khả năng của vật liệu dẫn đến kích thước tiết diện bé. Hình 1.2. Các dạng kết cấu cao tầng kiểu khung giằng [12] 1.7.2. Kết cấu cao tầng kiểu khung cứng (rigid frames) Khung cứng được cấu tạo bởi hệ dầm và cột giao vuông góc với nhau, liên kết tại nút là liên kết cứng giúp chịu được mô men. Khung cứng vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang. Hình 1.3. Một số mặt bằng của dạng kết cấu cao tầng kiểu khung cứng [12] 1.7.3. Kết cấu cao tầng kiểu vách ngang (shear wall) Kiểu nhà này có kết cấu chịu tải ngang là cách vách ngang phẳng, vách ngang 9 thường làm bằng bê tông cốt thép và được kết hợp chịu tải đứng. Chiều cao có thể đạt 35 tầng. Hình 1.4. Một dạng nhà kiểu vách ngang [12] 1.7.4. Kết cấu cao tầng có vách ngang tương tác (coupled shear wall structures) Kiểu kết cấu này các vách ngang chỉ tương tác với nhau thông qua sàn cứng vô hạn trong mặt phẳng của nó. Vách phân phối lực qua các lực dọc xuất hiện trong sàn. Hình 1.5. Một dạng nhà kiểu có vách ngang tương tác [12] 1.7.5. Kết cấu nhà cao tầng Outtriger Kết cấu bao gồm lõi cứng đặt ở giữa, các cột bố trí xung quanh chu vi. Cột làm việc chung với lõi cứng thông qua các dầm cứng nằm ngang. Các dầm cứng nằm ngang do có độ cứng rất lớn (thường có chiều cao khoảng 2 tầng nhà) nên có khả năng đảm bảo cho cột và lõi làm việc đồng thời. Lúc này hệ kết cấu làm việc như dầm công sôn tổ hợp khi chịu lực ngang, các cột phía đón gió chịu