Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012

1
TẦNG CỨNG VÀ VỊ TRÍ LÀM VIỆC HIỆU QUẢ
TRONG NHÀ CAO TẦNG
OUTRIGGER-BRACED STRUCTURE AND OPTIUM LOCATIONS
OF OUTRIGGERS IN MUTIPLE-STORY BUILDING

SVTH:Trương Quang Hải
Lớp 07X1D, Khoa XDDD & CN, Trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng , Đại học Đà Nẵng
SVTH:Võ Văn Tý
Lớp 07X1C, Khoa XDDD & CN, Trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng , Đại học Đà Nẵng
GVHD: ThS.Trịnh Quang Thịnh
Khoa XDDD & CN, Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt
Mục đích của đề tài là tìm hiểu vai trò của hệ kết cấu tầng cứng trong nhà cao tầng đồng thời
phân tích kết cấu để tìm ra các vị trí làm việc tối ưu trong hệ.
Abstract
The purpose of this report is studying the role of Outrigger- braced structure in mutiple-story
building and propose the optium locations of outrigger.

1. Mở đầu
Nhà cao tầng là loại công trình xây dựng lớn và phức tạp. Không giống như các
công trình thấp tầng khi chịu tác dụng chủ yếu của tải trọng đứng thì nhà cao tầng với
chiều cao lớn, sự làm việc của nó như một console có độ mảnh lớn khi chịu tác dụng
của tải trọng ngang (do gió,do động đất) thì làm cho chuyển vị ngang của công trình lớn
ảnh hưởng đến tâm lý sử dụng cũng như gây ra nội lực lớn trong hệ kết cấu.
Vấn đề đặc ra đối với người thiết kế kết cấu nhà cao tầng là cần tìm ra các giải
pháp để làm tăng độ cứng của hệ kết cấu giảm tối đa chuyển vị ngang ở đỉnh và moment
ngàm của lõi dưới tác dụng của tải trọng ngang (do gió,do động đất) và hệ kết cấu tầng

độ cứng hiệu quả của kết cấu khi nó làm việc như một console thẳng đứng chịu uốn bởi
tác dụng của lực kéo trong các cột phía đón gió và lực nén trong của các cột phía khuất
gió.

Ngoài những cột được bố trí tại đầu và cuối của các tầng cứng, đó là thông
thường,nhưng để phát huy tối đa sự cản trở của các cột biên đối với sự xoay của các
tầng cứng, bằng cách bố trí một dầm cao hoặc vành đai xung quanh kết cấu ở mức của
các tầng cứng .Để làm cho các tầng cứng và dầm vành đai đủ cứng khi chịu uốn thì
chúng có chiều cao ít nhất là một và thường là hai tầng.
Hệ thống tầng cứng này là rất hiệu quả trong việc tăng độ cứng uốn của kết cấu
nhưng nó không làm tăng khả năng chịu cắt mà khả năng chịu cắt chủ yếu do lõi chịu.
3.2. Phương pháp phân tích
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012

3
3.2.1 Các giả thiết phân tích:
-Kết cấu là đàn hồi tuyến tính.
-Chỉ có lực dọc trục trong các cột.
-Các tầng cứng được liên kết cứng với lõi và lõi ngàm cứng với nền.
-Các thuộc tính của lõi, cột và các tầng cứng là không đổi suốt chiều cao.
3.2.2 Phân tích tương thích của một kết cấu có hai tầng cứng.
Một cấu trúc có hai tầng cứng sẽ đực sử dụng để giải thích cho phương pháp
phân tích vì nó bao gồm tất cả các bước cần thiết trong hình thức đơn giản nhất của
chúng. Các phân tích kết cấu với nhiều hơn hoặc ít hơn hai tầng cứng sau đó có thể dễ
dàng được thực hiện trên cơ sở của phương pháp cho trường hợp của hai tầng cứng.
Bắt đầu từ lõi tự do tĩnh định, kết cấu một tầng cứng là cấu trúc một bậc siêu
tĩnh ,hai tầng cứng là cấu trúc hai bậc siêu tĩnh…và theo đó số lượng phương trình
tương thích cần thiết cho một lời giải tương ứng với bậc siêu tĩnh. Các phương trình
tương thích về trạng thái của từng mức tầng cứng là các chuyển vị xoay của lõi và của
tầng cứng này phải bằng nhau.

2 1 2
1 w.
2
H
x
x
M M dx
EI


  



. (2)

Trong đó : EI và H là độ cứng chống uốn và tổng chiều cao của lõi.
w là cường độ tải trọng ngang.

1
x
,
2
x
là độ cao tương ứng của các tầng cứng 1 và 2 tính từ đỉnh của lõi.
M
1
và M
2
là những moment ngàm của các tầng cứng trên lõi.




. (4)

Trong đó: (EA)
c
là độ cứng dọc trục của cột.
d/2 là khoảng cách ngang từ cột dến trọng tâm của lõi.
(EI)
0
là độ cứng uốn hiệu quả của tầng cứng (Hình 5b),cho phép các hiệu ứng
cột rộng của lõi và được xác định qua độ cứng uốn của tầng cứng như sau.
 
00
( ) 1 ( ')
a
EI EI
b

(5)
b
a
a+b = d/2
0
0
Momen quán tính thực
tế của tầng cứng I'
Momen quán tính hiệu
quả của tầng ứng I


(6)
Và tương tự chuyển vị xoay ở mức 2 bằng nhau là:
2
2
1 2 2 2
12
2
0
2( ).( ) .
1 w.
( ) 12( ) 2
H
c
x
M M H x M d
x
M M dx
d EA EI EI


   



(7)
Phương trình (6) và (7) có thể viết lại như sau:
 
 
33

0
12( )
d
S
EI

; (11)
Các phương trình (8) và (9) có thể viết lại thơng qua hai đại lượng khơng thứ
ngun
,

đại diện cho độ cứng của lõi-cột và lõi-tầng cứng tương ứng như sau:

2
( ) .( / 2)
c
EI
EA d


; (12)
0
()
EI d
EI H


; (13)
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012


3
1 2 1
1
3
2 2 2
2
(1 ) 1
1
w.
1 (1 )
6
1
M
H
SH
M
EI
  

  

  


   

   

  


   

   

  

   

(16)

Và moment trong lõi là:
22
2
12
1
w. w.
22
xi
i
xx
M M M M

    

(17)

Chuyển vị ngang của cấu trúc có thể được xác định từ biểu đồ moment uốn bằng cách
sử dụng phương pháp nhân biểu đồ ,kết quả nhận được như sau:
4 4 2
2

3
3
(1 ) 1 1 1
1
1 (1 ) 1 1
1
w
1 1 (1 ) 1
6.
1
1 1 1 (1 )
1
in
in
i i i i n
i
n n n n n
n
M
M
H
M
EIS
M
    

    

    



   






(19)
Trong đó n là số lượng các mức tầng cứng .Phương trình trên yêu cầu các đặc
trưng của lõi, cột, tầng cứng và độ lớn của tải trọng phải được xác định.
Biểu thức tổng quát cho moment trong lõi giữa các mức tầng cứng j và j+1 là:
2
1
w.
2
j
xi
i
x
MM



; (20)
Sau khi xác định được moment ngàm M
1
đến M
n
thì chuyển vị ngang ở đỉnh của

,M
2
với x
1
, x
2
rồi triệt tiêu
nó ta sẽ có kết quả chuyển vị tối thiểu.
22
1 2 1
1 2 1
11
(1 ) (1 ) 2 . 0
MM
M
x x H



    

; (23)
22
1 2 2
1 2 2
22
(1 ) (1 ) 2 . 0
MM
M
x x H

giảm khi độ cứng uốn của các tầng cứng được tăng lên và

tăng lên khi độ cứng uốn
dọc trục của cột tăng.
Vậy vị trí hiệu quả của các tầng cứng trong một cấu trúc sẽ được thể hiện qua đồ
thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị

và vùng giá trị

như sau: Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012

7

Do đó nói chung để tối ưu cho một cấu trúc với n tầng cứng thì các tầng cứng
nên được đặt ở các vị trí khoảng
1 ( 1)n
,
2 ( 1)n
,lên đến
( 1)nn
độ cao.
4. Đánh giá kết quả
- Vị trí tối ưu của tầng cứng sẽ đem lại kết quả chuyển vị đỉnh tối thiểu.
- Trong 1 hệ tầng cứng bất kỳ, sẽ không hiệu quả khi bố trí 1 tầng cứng ở đỉnh,
chỉ nên các lý do khác (ví dụ,1 tầng kỹ thuật,bố trí máy ở đỉnh) là quyết định.
- Một cấu trúc với n tầng cứng có vị trí tối ưu gần như có cùng hiệu quả trong
việc chịu tải trọng ngang so với một cấu trúc tương tự với tầng cứng bổ sung ở đỉnh.