NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH THIẾT KẾ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG

Hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần VIII Năm 2008-2009

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH THIẾT KẾ KẾT CẤU

DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG

Nguyễn Trung Hiếu, Nguyễn Thị Ngọc Giao, Nguyễn Trường Thanh

Lớp 09XD1N, Khoa Kỹ Thuật Công Trình

TÓM TẮT

Ngày nay, nhà nhiều tầng đều là những công trình phức hợp đáp ứng nhiều công

năng: thương mại, dịch vụ ở các tầng dưới, văn phòng làm việc và căn hộ ở các tầng bên

trên.Yêu cầu này đòi hỏi các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ hơn ỏ các

tầng trên. Giải pháp đòi hỏi một kết cấu chuyển giữa các tầng.Tại thành phố Hồ Chí Minh,

kết cấu dầm (sàn) chuyển đã được sử dụng cho các công trình: Hùng Vương Plaza (37

tầng), Sài Gòn Pearl (39 tầng), Sealing Tower (26 tầng), căn hộ cao cấp Hạnh Phúc (20

tầng), cao ốc văn phòng Nhơn Trạch – Đồng Nai (17 tầng),…Các tài liệu nghiên cứu và

phân tích kết cấu chuyển hầu như rất hiếm trên thế giới và Việt Nam là chưa có.

Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu sự làm việc và đưa ra trình tự tính toán thiết

kế kết cấu chuyển.

QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

1. Đặc điểm dầm chuyển

Ưu điểm

Giải quyết được việc trốn cột, tạo không gian lớn cho tầng bên dưới, kết cấu chuyển

có khả năng vượt nhịp lớn, nhịp có thể lên đến 16-20m, giảm kích thước cấu kiện của các

tầng trên kết cấu chuyển.

Khuyết điểm

Tải trọng tập trung bên trên kết cấu chuyển khá lớn, khi xảy ra động đất kết cấu

rất dễ phá hoại.

Tính toán, thi công dầm chuyển tương đối phức tạp, khó khăn trong lắp dựng giàn

giáo cũng như đổ bê tông toàn khối cấu kiện lớn.

Trọng lượng bản thân công trình phân bố không đồng điều, tập trung khối lượng

lớn ở tầng có dầm chuyển làm cho công trình dễ mất ổn định khi có ngoại lực tác dụng vào

công trình (động đất, gió bão) và các kết cấu bên dưới của dầm chuyển dễ mất ổn định.

2. Phân loại và hướng dẫn sử dụng các phần tử trong việc mô hình kết cấu bằng

phần mềm

2.1. Theo hình học kết cấu chuyển có 4 dạng cơ bản sau

1


Hình 1. Dầm đỡ 1 cột Hình 2. Dầm đỡ 2 cột

Hình 3. Dầm đỡ vách liên tục Hình 4. Dầm đỡ vách không liên tục

Trong kết cấu chuyển chia ra 3 cấu kiện (bộ phận) cơ bản sau:

- Cấu kiện truyền tải bên trên dầm chuyển (TPC)

- Cấu kiện nhận tải – dầm chuyển (TFB)

- Cấu kiện chống đỡ bên dưới dầm chuyển (SPC)

2.2. Khi sử dụng phần tử cho từng cấu kiện cần xét đến vấn đề sau:

Đối với TPC (chỉ cần xét đến điều kiện về tiết diện)

- Nếu h<3b thì chọn phần tử Frame

- Nếu h>3b thì chọn phần tử Area

Đối với TFB (phải xét đến điều kiện về tiết diện và mặt phẳng truyền tải của

TPC)


- Nếu mặt phẳng truyền tải của TPC không thuộc mặt phẳng chứa trục dầm TFB

thì chon phần tử Area

- Nếu h<3b và mặt phẳng truyền tải của TPC thuộc mặt phẳng chứa trục dầm

TFB thì chọn phần tử Frame

Đối với SPC


- Nếu bề rộng b>1/3 nhịp thông thủy thì chọn phần tử Area

- Nếu h<3b và có bề rộng < 1/3 nhịp thông thủy thì chọn phần tử Frame

2


Trường hợp khi TFB là phần tử Area chịu mômen xoắn thì nên chọn phần tử Area

cho cấu kiện SPC

3. Tải trọng phân tích

3.1. Tĩnh tải

Tĩnh tải là tải trọng có độ lớn không đổi, vị trí cố định và tác dụng trong suốt thời

gian tồn tại của công trình. Phần tĩnh tải tác động lên kết cấu chuyển có giá trị tăng dần

trong quá trình thi công xây dựng công trình.

3.2. Hoạt tải

Hoạt tải là tải trọng có những đặc điểm: tác dụng lên một phần hoặc toàn bộ kết cấu;

độ lớn và sự phân bố của chúng trên kết cấu có thể thay đổi theo thời gian; cường độ tối đa

của tải trọng không được biết chính xác trong thời gian tồn tại của công trình.

Tải trọng và tác động: xác định theo TCXD 2737-1995 .

Tải trọng động đất: xác định theo TCVN 375-2006.

3.3. Tổ hợp tải trọng

Tổ hợp tải trọng là sự kết hợp các trường hợp tải trọng khác nhau có thể xảy ra đồng

thời gây nguy hiểm cho toàn bộ kết cấu.

Khi phân tích nội lực trong quá trình xây dựng phải xét đến yếu tố phi tuyến trong

cấp tải, biến dạng khung tiến triển ứng với từng cấp tải. Tải trọng: hoạt tải lúc thi công

thường nhỏ và tác dụng tức thời, không xét đến trong trường hợp này; sử dụng tĩnh tải khi

phân tích phi tuyến.

Khi tổ hợp tải trọng vẫn xem kết cấu chuyển là một bộ phận khung nên vẫn xét đầy

đủ các trường hợp tải.

4. Phân tích phi tuyến

Đối với công trình có kết cấu chuyển khi phân tích nội lực phải xét đến yếu tố phi

tuyến hình học của tải trọng, kết quả nội lực và biến dạng của phân tích phi tuyến lớn hơn

nhiều so với phân tích tuyếnt tính. Quá trình phân tích phi tuyến được thực hiện theo trình

tự. khi phân tích nội lực ở step 1 được cộng vào step 0, khi phân tích nội lực ở step 2 được

cộng vào step 1, quá trình phân tích được thực hiện cho đến step thứ i và nội lực cộng vào

step thứ i – 1

3


Hình 5. Biến dạng của khung ứng với phân tích tuyến tính và phi tuyến

Trong đó:

n – số tầng của công trình

i – số lần phân tích phi tuyến (i = 0: step 0, i = 1: step 1, …)

5. Tính động đất theo phương đứng

Khi xác định nội các kết cấu thẳng đứng thì lực động đất theo phương ngang gây

nguy hiểm cho kết cấu, với các kết cấu nằm ngang thì lực động đất theo phương đứng sẽ

nguy hiểm hơn lực động đất theo phương ngang.

Đối với kết cấu chuyển tải trọng tập trung bên trên khá lớn, khi xảy ra động đất rất

nguy hiểm, kết cấu rất dễ phá hoại.

Theo TCXDVN 375:2006, nếu avg lớn hơn 0.25g (2.5m/s2) thì thành phần thẳng đứng

của tác động động đất cần được xét trong các trường hợp sau:

Các bộ phận kết cấu nằm ngang hoặc gần như nằm ngang có nhịp bằng hoặc lớn

hơn 20m

Các thành phần kết cấu dạng côngxôn nằm ngang hoặc gần như nằm ngang dài

hơn 5m

Các thành phần kết cấu ứng lực trước nằm ngang hoặc gần như nằm ngang

Các dầm đỡ cột

Các kết cấu có cách chấn đáy

Việc phân tích để xác định các hệ quả của thành phần thẳng đứng của tác động động

đất có thể dựa trên mô hình không đầy đủ của kết cấu, bao gồm các cấu kiện chịu tác dụng

của thành phần động đất thẳng đứng và có xét tới độ cứng của các cấu kiện liền kề.

Cần đưa vào tính toán các hệ quả của thành phần thẳng đứng chỉ đối với các cấu kiện

đang xét và các cấu kiện đỡ hoặc cấu kiện liên quan trực tiếp với chúng

Theo TCXDVN 375:2006, tải trọng động đất tác dụng lên công trình được xác định

theo 2 phương pháp:

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động

6. Sản phẩm đề tài

Tài liệu hướng dẫn phân tích phi tuyến cho kết cấu bằng phân mềm phân tích kết cấu

SAP2000 và ETABS.

Đưa ra giải pháp kết cấu hợp lý, đáp ứng nhu cầu công năng đa dạng của kết cấu nhà

nhiều tầng tại Việt Nam

4


Tài liệu hướng dẫn tính toán, trình tự thiết kế cho kết cấu dầm chuyển và phục vụ

việc làm luận văn tốt nghiệp của sinh viên ngành Xây dựng và thực hành thiết kế kết cấu

nhà cao tầng.

Tài liệu phân tích, đánh giá tính hợp lý về mặt kỹ thuật của kết cấu dầm chuyển.

Đánh giá ưu khuyết điểm, phạm vi sử dụng của kết cấu dầm chuyển.

7. Ví dụ: Cao ốc văn phòng Nhơn Trạch

Hình 6. Mô hình 3D từ Etabs Hình 7. Mặt bằng kết cấu tầng chuyển

7. 1 Trường hợp 1: Kết cấu chuyển đỡ cột

Bảng 1. So sánh nội lực giữa 2 cách phân tích kết cấu chuyển đỡ cột

Vị trí

mặt

cắt

(m)

LỰC CẮT (kN) MOMENT (kNm)

TUYẾN

TÍNH

PHI

TUYẾN

CHÊNH

LỆCH (%)

TUYẾ

N

TÍNH

PHI

TUYẾN

CHÊNH

LỆCH (%)

0.50 -1033.61 -1126.49 8.99 188.92 227.09 20.21

1.00 -1008.86 -1099.26 8.96 699.53 783.52 12.01

1.50 -973.84 -1060.68 8.92 1200.61 1329.35 10.72

2.00 -949.09 -1033.45 8.89 1681.34 1852.88 10.20

2.50 -903.68 -983.51 8.83 2146.60 2359.31 9.91

3.00 -878.93 -956.29 8.80 2592.25 2844.26 9.72

3.50 -833.32 -906.25 8.75 3021.81 3311.49 9.59

4.00 -808.57 -879.02 8.71 3432.28 3757.81 9.48

4.50 1409.94 1541.24 9.31 2857.11 3109.00 8.82

5.00 1457.85 1593.86 9.33 2134.67 2319.23 8.65

5

Kết cấu chuyểnđỡ vách

Kết cấu chuyểnđỡ cột


5.50 1482.60 1621.08 9.34 1399.55 1515.49 8.28

6.00 1517.58 1659.56 9.36 640.15 685.11 7.02

6.50 1542.33 1686.78 9.37 -124.83 -151.48 21.34

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DẦM CHUYỂN ĐỠ CỘT

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 (m)

(kN)

TUYẾN TÍNH PHI TUYẾN

BIỂU ĐỒ MOMEN DẦM CHUYỂN ĐỠ CỘT -500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 (m)

(kNm)


7. 2 Trường hợp 2: Kết cấu chuyển đỡ vách liên tục

Bảng 2. So sánh nội lực giữa 2 cách phân tích kết cấu chuyển đỡ vách liên tục

Vị trí

mặt cắt

(m)

LỰC CẮT (kN) MOMENT (kNm)

TUYẾN

TÍNH

PHI

TUYẾN

CHÊNH

LỆCH (%)

TUYẾN

TÍNH

PHI

TUYẾN

CHÊNH

LỆCH

(%)

0.50-

1307.27-1566.02 19.79 435.57 428.88 -1.54

1.00 -716.61 -925.04 29.09 1083.67 1205.97 11.29

1.50 -365.92 -530.02 44.85 1433.50 1659.49 15.76

2.00 -341.17 -502.80 47.38 1610.27 1917.69 19.09

2.50 -136.92 -257.19 87.84 1681.67 2049.85 21.89

3.00 77.51 49.46 36.19 1692.71 2102.73 24.22

3.50 129.80 138.82 6.95 1640.84 2065.25 25.87

4.00 230.94 281.46 21.88 1563.72 1982.70 26.79

4.50 347.93 436.98 25.59 1427.39 1817.76 27.35

5.00 571.85 709.05 23.99 1233.09 1575.67 27.78

5.50 891.63 1083.66 21.54 902.03 1168.14 29.50

6.00 1417.59 1688.26 19.09 409.00 572.27 39.92

6.50 1442.34 1715.49 18.94 -305.98 -278.67 -8.92

6


BIỂU ĐỒ LỰC CẮT KẾT CẤU CHUYỂN ĐỠ VÁCH LIÊN TỤC -1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 (m)

(kN)


BIỂU ĐỒ MOMEN KẾT CẤU CHUYỂN ĐỠ VÁCH LIÊN TỤC -800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50(m)

(kNm)


Phân tích các công trình Petrolimex (Huế), Chung cư Hạnh Phúc, Tungshing… cũng

đã cho các kết quả tương tự về sự ảnh hưởng phi tuyến tải trọng xảy ra trong quá trình thi

công.

KẾT LUẬN

Kết cấu chuyển khi phân tích nội lực phải phân tích yếu tố phi tuyến tải trọng;

dầm chuyển đỡ cột và dầm chuyển đỡ vách không liên tục khi phân tích phi tuyến cho kết

quả nội lực lớn hơn phân tích tuyến tính từ 10 – 15%; dầm chuyển đỡ vách liên tục nội lực

phân tích phi tuyến lớn hơn tuyến tính từ 20 – 28%.

Trong giai đoạn thiết kế cơ sở, khi mà các phương án kết cấu được đưa ra có thể thay

đổi liên tục, để tiết kiệm thời gian và công sức thì có thể lấy kết quả nội lực trong dầm

chuyển nhân với hệ số 1,2. Mặc dù về giá trị tính toán có sự sai khác nhau nhưng giúp có

được những nhận định ban đầu về dạng kết cấu, từ đó có thể đưa ra các phương án kết cấu

hợp lý hơn. Khi đến giai đoạn thiết kế chi tiết cần phải phân tích phi tuyến để kiểm tra lại

nội lực dầm chuyển.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Triệu Tây An, Lý Quốc Thắng, Đái Chấn Quốc, Lý Quốc Cường – Hỏi đáp thiết kế

& thi công kết cấu nhà cao tầng (tập 1, tập 2) Nhà xuất bản Xây Dựng.

[2]. Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống – Kết cấu bêtông cốt thép

phần cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

[3]. Tài liệu hướng dẫn tính toán theo TCVN 375 -2006 của Viện Khoa Học Công Nghệ

Xây Dựng (IBST).

[4]. Nguyễn Khánh Hùng, Trần Trung Kiên, Nguyễn Ngọc Phúc – Thiết kế kết cấu nhà

cao tầng bằng Etabs 9.0.4. NXB Thống Kê – 2007.

7


[5]. Etabs Documentations and Tutorials…. - Phần mềm Etabs version 9.14 của hãng

Csi (Hoa Kì).

[6]. Phan Văn Cúc, Nguyễn Lê Ninh – Tính Toán và Cấu Tạo Kháng Chấn Các Công

Trình Nhiều Tầng. NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội – 1994.

[7]. PGS.TS. Phạm Đình Ba (Chủ biên), PGS.TS. Nguyễn Tài Trung – Động Lực Học

Công Trình.

[8]. Phạm Gia Lộc – Cơ Sở Động Đất và Tính Toán Công Trình Chịu Tải Động Đất.

NXB Xây Dựng 1985.

[9]. Eurocode 8: Design of Structures for earthquake resistance.

[10]. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 2737-1995 “Tải trọng và tác động”.

[11]. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 198-1997 “ Thiết kế kết cấu nhà cao tầng”.

[12]. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 375: 2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”.

[13]. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 356: 2005 “Tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép”.

8

Engineering

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH THIẾT KẾ KẾT CẤU DẦM CHUYỂN TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG