Bộ Giáo dục và Đào tạo
Bộ Xây dựng
Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội Bùi Tiến Dũng
Nghiên cứu và so sánh các phơng pháp
tính toán dầm cao bê tông cốt thép
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật
chuyên ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp
Hà Nội, 2011
Ngời hớng dẫn khoa học:PGS. TS. vơng ngọc lu
Ts. nguyễn ngọc nam
Hà Nội, 2011
1
lời nói đầu
Kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu đợc dùng phổ biến nhất trong ngành
Xây dựng hiện nay. Lý thuyết tính toán và thiết kế các loại cấu kiện bê tông cốt thép
cơ bản nh dầm, cột, bản sàn đợc thảo luận trong rất nhiều tài liệu chuyên ngành
và đợc quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam cũng nh của nớc ngoài.
Dầm cao bê tông cốt thép là loại cấu kiện xuất hiện ngày càng phổ biến trong
thiết kế nhà cao tầng. Lý thuyết tính toán dầm cao đã đợc đa vào tiêu chuẩn thiết
kế của nhiều nớc trên thế giới. Có nhiều phơng pháp để tính toán loại cấu kiện
tại bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác từ trớc tới nay. 3
Mục lục
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
1.2. dầm cao bê tông cốt thép. 25
1.2.1. Định nghĩa dầm cao: 25
1.2.1. Phân loại và phạm vi sử dụng dầm cao BTCT trong xây dựng. 26
1.2.2. Sự làm việc của dầm cao bê tông cốt thép. 28
1.2.3. Tình hình phát triển nhà cao tầng có hệ thống dầm cao bê tông cốt thép 30
1.2.4. Lịch sử nghiên cứu tính toán dầm cao bê tông cốt thép. 31 4
Chơng ii:
Các Phơng pháp tính toán dầm cao Bê tông cốt thép
2.1. phơng pháp phần tử hữu hạn 33
2.1.1. Phân tích ứng suất - biến dạng trong dầm cao bằng phơng pháp PTHH 33
2.1.1.1. Khái niệm về phơng pháp PTHH: 33
2.1.1.2. Đờng lối chung giải kết cấu bằng phơng pháp PTHH: 33
2.2.3.1. Thanh chống bê tông chịu nén
44
2.2.3.2. Thanh giằng cốt thép chịu kéo
44
2.2.3.3. Nút giàn
45
2.2.3.4. Quạt chịu nén
47
2.2.3.5. Vùng chịu nén xiên
47
2.2.4. Các dạng phá hoại của mô hình chống-giằng 48
2.2.5. Quy trình thiết kế vùng D theo phơng pháp chống-giằng. 48
2.2.6. Khả năng chịu lực của thanh chống 49
2.2.7. Khả năng chịu lực của vùng nút 54
2.1.8. Khả năng chịu lực của thanh giằng 57
2.1.9. Tính toán thiết kế dầm cao sử dụng mô hình chống - giằng 58
5
Phần III : Kết luận và kiến nghị
A. Kết luận: 87
1. Nhận xét chung về hai phơng pháp tính toán dầm cao. 87
a. Về sơ đồ tính toán:
87
b. Về phơng pháp tính toán:
87
c. Về kết quả tính toán:
88
2. Phạm vi áp dụng
B. kiến nghị 89
1. Kiến nghị khi vận dụng phơng pháp phần tử hữu hạn. 89
2. Kiến nghị khi vận dụng phơng pháp chống giằng. 89Tài liệu Tham Khảo 91
Tiếng Việt 91
Tiếng Anh 92
Vecto ứng suất.
{
}
Vecto chuyển vị.
{
}
Biến số tổng quát - hằng ẩn số.
[
]
N
Hàm dạng.
t Bề dày của phần tử dầm.
Diện tích của phần tử dầm.
[
]
[
]
;
e
K K
Ma trận độ cứng của phần tử và của toàn kết cấu.
; ;
w
b h jh
Chiều dày thân dầm, chiều cao dầm, cánh tay đòn.
n
l
Nhịp dầm.
;
x y
Lực cắt và lực cắt gây ra do các tải trọng nhân hệ số
nt
F
Cờng độ của thanh giằng.
st
A
Diện tích cốt thép trong thanh giằng chịu kéo.
n
F
Khả năng chịu lực của thanh giằng hoặc vùng nút thủy tĩnh.
u
F
Lực tác dụng tại thanh chống, giằng hoặc nút.
y
trên 1/2 nhịp dầm 63
Bảng 3.3:
ứ
ng suất
x
trên 1/2 nhịp dầm 74
Bảng 3.4:
ứ
ng suất
y
trên 1/2 nhịp dầm 75Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ khung chịu lực 14
Hình 1.2 14
Hình 1.4 15
Hình 1.5: Các sơ đồ tờng chịu lực 15
Hình 1.6: Các dạng tờng cứng thông dụng 16
8
Hình 1.7 16
Hình 1.8: Hộp tờng có dạng mạng 18
Hình 3.1: Dầm cao chịu một lực tập trung 61
Hình 3.2: Sơ đồ kết cấu 61
Hình 3.3: Sơ đồ kết cấu trong Sap 61
Hình 3.4: Biểu đồ
x
62
9
Hình 3.5: Biểu đồ biểu diễn
x
trên 1/2 nhịp dầm 62
Hình 3.6: Biểu đồ
y
63
Hình 3.7: Biểu đồ biểu diễn
y
trên 1/2 nhịp dầm 63
Hình 3.8: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smax 64
Hình 3.9: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smin 64
Hình 3.10: Biểu đồ biểu diễn
xy
65
Hình 3.11: Bố trí cốt thép cho dầm cao chịu một lực tập trung
Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp PTHH 67
Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp chống-giằng 80
Hình 3.22: Chọn mô hình chống giằng cho dầm 81
Hình 3.23: Sơ đồ đặt lực trong đoạn đầu dầm cao 82
Hình 3.24: Bố trí cốt thép cho dầm cao chịu hai lực tập trung
Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp chống-giằng 84
10
Phần i:
Phần mở đầu
1. Lý do chọn đề tài đề tài:
Trong những năm gần đây, việc thiết kế, thi công nhà cao tầng không còn mới
mẻ với chúng ta. Từ những năm 1990, cùng với sự phát triển kinh tế, do nhu cầu về
nhà ở, dịch vụ, các công trình công cộng nên vấn đề thiết kế, thi công nhà cao tầng
đã bắt đầu du nhập vào Việt Nam.
Qua gần 20 năm phát triển, hiện nay có thể nói nhà cao tầng đang trong giai
đoạn phát triển rầm rộ ở nớc ta.
ở
nớc ta hiện nay quy mô, chiều cao của nhà cao
tầng cũng rất đa dạng, nó phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, tổng mức đầu t của các
nhà đầu t, quy định của Sở quy hoạch kiến trúc các địa phơng
Các chung c
thuần tuý cao từ 15-30 tầng nh khu đô thị mới Trung Hoà Nhân Chính, khu đô thị
mới Nam Trung Yên , khu đô thị mới Bắc Linh Đàm Các hỗn hợp văn phòng cho
thuê và chung c thờng cao từ 20-34 tầng nh khu đô thị mới Trung Hoà Nhân
Chính, khu đô thị mới Mỹ Đình, toà nhà Thuận Kiều (Thành Phố Hồ Chí Minh)
Thậm chí có các toà nhà đang xây dựng cao tới 65 tầng (toà nhà Landmark -Liễu
Đối tợng nghiên cứu trong phạm vi luận văn là dầm cao BTCT một nhịp, chịu
tải tập trung. Về mặt lý thuyết tác giả sử dụng các nghiên cứu của phơng pháp số,
các tài liệu thiết kế kết cấu theo tiêu chuẩn ACI. Còn trong tính toán thực hành có sử
dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap-v9.03 để tính toán cho các cấu kiện dầm cao.
4. Nội dung nghiên cứu:
Dùng phơng pháp phần tử hữu hạn để tìm trạng thái ứng suất, biến dạng của
một số cấu kiện dầm cao một nhịp, nhiều nhịp, không khoét lỗ, có mở lỗ. Sau đó vẽ
các quy luật phân bố ứng suất - biến dạng. Từ trờng ứng suất - biến dạng của dầm
cao, tính toán và cấu tạo thép hợp lý, so sánh, đánh giá kết quả.
Trong phơng pháp chống - giằng, đa ra mô hình mô tả chịu lực. Tính toán nội
lực với các dạng dầm cao nh trong phơng pháp phần tử hữu hạn, sau đó tính toán
và bố trí cốt thép.
So sánh u nhợc điểm của 2 phơng pháp trên trong từng trờng hợp, và nêu
nên phạm vi ứng dụng của từng phơng pháp.
12
5. Hớng kết quả nghiên cứu:
Phơng pháp Phần tử hữu hạn là cơ sở để xây dựng các phần mềm tính toán kết
cấu hiện nay nh Sap, Etab,
Về lý thuyết tính toán phơng pháp này rất cồng
kềnh, phức tạp và khó có thể giải quyết bằng tay nếu có nhiều phần tử. Nhng ngày
nay với sự trợ giúp của máy tính, các phần mềm chuyên ngành thì đây là phơng
pháp u việt có thể giải quyết tất cả và trọn vẹn các bài toán kết cấu công trình.
Phơng pháp chống giằng giúp cho các kĩ s kết cấu có một cái nhìn đầy đủ và
toàn diện về quá trình làm việc của dầm cao. Tuy nhiên đây là cách tính mang nhiều
tính lý thuyết và chỉ dừng ở mức độ giải quyết các kết cấu dầm cao đơn giản. Đối
với các trờng hợp phức tạp hơn ( dầm nhiều nhịp, có mở lỗ,
1.1. Tổng quan hệ thống kết cấu nhà cao tầng.
1.1.1. Các cấu kiện chịu lực cơ bản: [1]
Các cấu kiện chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao tầng bao gồm:
- Cấu kiện dạng thanh
: cột, dầm, thanh chống, giằng.
- Cấu kiện dạng phẳng
: Tấm tờng, tấm sàn (tấm phẳng hoặc tấm có sờn).
- Cấu kiện dạng hộp.
Trong nhà cao tầng, sàn các tầng, ngoài khả năng chịu uốn do tải trọng thẳng
đứng, còn phải có độ cứng lớn để không bị biến dạng trong mặt phẳng khi truyền tải
trọng ngang vào cột, vách, lõi nên còn gọi là những sàn cứng (tấm cứng).
1.1.2. Các hệ kết cấu nhà cao tầng.
Tuỳ theo chiều cao của công trình, hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng có nhiều
phơng án cấu tạo khác nhau. Nhiệm vụ thiết kế kết cấu là lựa chọn ra một giải pháp
kết cấu hợp lý nhằm thoả mãn những yêu cầu nói trên, riêng về tính toán kết cấu cần
bảo đảm trớc hết là cờng độ và chuyển vị ngang tại đỉnh công trình cũng nh các
gia số chuyển vị ngang giữa các mức sàn tầng. Về cơ bản, hệ kết cấu nhà cao tầng
chia ra các loại chính nh sau:
1.1.2.1. Hệ kết cấu cơ bản: [1] , [8]
a. Hệ khung chịu lực:
Hệ kết cấu khung đợc tạo thành từ các cấu kiện đứng (cột) và các cấu kiện nằm
ngang (dầm), chúng liên kết cứng với nhau tại điểm giao nhau (nút) (
hình 1.1.a).
Trong các nhà khung, các khung phẳng lại liên kết với nhau qua các dầm ngang
tạo thành khung không gian có mặt bằng vuông, chữ nhật, tròn hay đa giác (
hình
1.1.b, c, d, e)
14
.
- Chuyển vị ngang do uốn các thanh thành phần. Chuyển vị này có đợc là do lực
trợt đứng, lực trợt ngang tác dụng lên cột, dầm gây ra mô men uốn trong chúng
(nó chiếm khoảng 80% tổng chuyển vị ngang của toàn nhà, trong đó 65% do biến
dạng dầm, 15% do biến dạng cột)
(hình 1.3.c).
Hình 1.2 Hình 1.3: Chuyển vị ngang của khung
15
Về tổng thể, biến dạng ngang của khung cứng thuộc loại biến dạng cắt. Để tăng
độ cứng ngang của khung, có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một số nhịp trên
suốt chiều cao của nhịp (
hình 1.4.a)
và thêm các dàn ngang
(hình 1.4.b)
nếu cần. Độ
cứng có thể tăng 30%.
16
Trong nhà có tờng chịu lực, khi có tải trọng ngang tác động vào ngôi nhà thì các
tờng song song với phơng tác dụng của tải trọng đợc coi là các tờng cứng và
ngoài việc chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng nó còn chịu lực trợt do tải trọng
ngang gây ra.
Cách ứng xử của tờng cứng khi chịu tải trọng ngang lớn phụ thuộc vào dạng
mặt bằng của tờng, lực quán tính xuất hiện khi tờng bị uốn. Hình 1.6: Các dạng tờng cứng thông dụng
Trong hệ kết cấu tờng chịu lực thì bản thân các tờng hay bị khoét lỗ để phục
vụ cho giao thông (cửa thang máy, cửa đi, cửa sổ). Chính kích thớc, vị trí các lỗ
cửa này nó ảnh hởng tới sự làm việc của tờng. Nhng nếu nh khối lợng lỗ cửa,
kích thớc lỗ cửa là không lớn lắm thì có thể coi nh tờng đặc. Và các lỗ cửa nên
tạo ra trên một đờng thẳng.
c. Hệ có lõi cứng chịu lực:
Lõi có vỏ hộp rỗng, tiết diện kín hoặc hở.
ở
sơ đồ này, nó là bộ phận duy nhất
nhận toàn bộ tải trọng đứng và ngang tác động lên công trình và truyền chúng xuống
nền. Phần không gian bên trong lõi sẽ bố trí các thiết bị vận chuyển theo phơng
đứng ( thang máy, cầu thang ), các đờng ống kỹ thuật: cấp thoát nớc, điện
Hình dạng, số lợng, cách bố trí các lõi cứng chịu lực trong mặt bằng nhà rất đa
dạng. Sau đây là một vài loại bố trí lõi cứng
(Hình 1.7)
đất, do nhà có độ cứng ngang bé nên tải trọng do động đất gây ra có độ lớn nhỏ hơn
so với các công trình thuộc các hệ kết cấu khác có cùng kích thớc.
d. Hệ hộp chịu lực:
Hộp trong nhà cũng giống nh lõi, hợp thành từ các tờng đặc hoặc có lỗ cửa.
Hộp ngoài biên có diện tích mặt phẳng lớn, đợc tạo thành từ các cột có khoảng
cách nhỏ liên kết với nhau bởi các thanh ngang hoặc thanh chéo có chiều cao lớn
theo phơng ngang hoặc chéo tạo nên những mặt nhà dạng khung - lới, có hình
dáng phù hợp với các giải pháp kiến trúc mặt đứng.
Trong phần tính toán ngời ta giả thiết rằng: khi chịu tải trọng ngang, những kết
cấu phía bên ngoài đợc xem nh một thanh công son kín hoàn chỉnh có mặt cắt
18
~1,5m
~1,5m
hình hộp. Phần hộp ngoài chịu toàn bộ hay phần lớn tải trọng gió tác động vào công
trình. Về kết cấu hộp đợc chia ra làm các loại kết cấu chính.
Hộp có dạng lới không gian không thanh chéo:
Hệ kết cấu này thực chất đợc phát triển từ hệ kết cấu cổ điển khung cứng trong
nhà cao tầng. Hộp phía ngoài đợc tạo ra bởi hệ thống lới cột và dầm rất dày
(hình
1.8)
. Sơ đồ loại này nâng cao đợc độ cứng theo phơng ngang và độ cứng khi chịu
xoắn cũng nh hạn chế đợc độ võng theo mặt bằng phía trong nhà.
Tuy nhiên đặc trng làm việc thực tế của hệ kết cấu này nằm trung gian giữa sơ
đồ biến dạng của ngôi nhà nh công son chịu uốn và hệ khung đơn giản. Các mặt
của hộp song song với hớng gió, có tác dụng làm việc nh những khung cứng
nhiều nhịp, nó làm việc độc lập ứng với độ võng nhất định của dầm đỡ. Độ võng này
gây ra do méo hệ vì trợt hay còn gọi là sự vênh khi trợt. Khi đó các cột và dầm bị
Nó thể hiện qua chuyển vị ngang của ngôi nhà: Vỏ hộp ngoài dạng mạng lới
không gian không có thanh chéo
(hình 1.10 a)
; Vỏ hộp ngoài dạng mạng lới không
gian có thanh chéo
(Hình 1.10 b).
Hình 1.10a Hình 1.10b
Hộp có mạng lới bằng cột và các thanh chéo:
Hệ này có đợc là do ta đa thêm các thanh chéo vào lới chữ nhật của cột và
dầm. Cùng với các dầm đỡ, các thanh chéo đảm bảo độ cứng khi chịu tải trọng
ngang. Các thanh chéo không những chịu phần lớn tải trọng gió mà còn đóng vai trò
nh những công son chịu tải trọng đứng.
Hệ kết cấu này có khả năng phân bố tải trọng tập trung cho toàn bộ công trình.
Các dầm đỡ chịu tải trọng thẳng đứng giữa các cột và đóng vai trò ngăn cản biến
20
dạng trong mặt phẳng của sàn. Do vậy mà nó làm tăng lên hiệu quả của các thanh
chéo chính nhờ sự phân bố tải trọng tập trung. Nó phù hợp với các công trình rất cao
tới 100 tầng (đối với khung bằng thép).
Hộp mạng lới bằng các cấu kiện đặt theo các đờng chéo:
Hệ này có thể đợc thiết kế theo hai sơ đồ nh các hệ hỗn hợp trên.
ở
sơ đồ
giằng với khung khớp, tải trọng ngang sẽ gây ra các chuyển vị dọc khác nhau giữa
cột bên trong và hộp bên ngoài. Độ chênh lệch chuyển vị dọc sẽ làm cho các vách
21
ngăn bị nứt và gây rối loạn các liên kết. Để tránh hiện tợng này cần phải thiết kế
thêm các dàn ngang ở một số cao trình nhà nh hệ khung chịu tải. Các dàn cứng
ngang này cũng sẽ làm tăng hiệu quả của hệ hỗn hợp sơ đồ khung giằng khi khung
cứng tham gia chịu tải trọng ngang với vỏ hộp.
e. Hệ hộp - tờng chịu lực:
ở
hệ hỗn hợp này, các tấm tờng chịu tải đợc bố trí bên trong hộp và cũng tham
gia chịu tải (đứng và ngang) cùng với vỏ hộp. Hệ này có các sơ đồ sau: hộp - tờng
ngang chịu tải, hộp - tờng dọc chịu tải và hệ hộp - tờng dọc, ngang chịu tải.
f. Hệ hộp - lõi chịu lực:
Hệ này còn có tên là ống trong ống.
ở
hệ hỗn hợp này các hộp (ngoài) và lõi
(trong) đều tham gia chịu tải trọng đứng và ngang. Các bản sàn liên kết hai bộ phận
chịu lực này lại và chúng sẽ làm việc nh một hệ duy nhất khi tải trọng ngang xuất
hiện.
Tính chất phản ứng của hệ ống trong ống khi chịu tải trọng ngang tơng tự nh
hệ khung - giằng. Từ
(hình 1.11)
cho thấy phần hộp ngoài chịu phần lớn tải trọng
ngang ở phía trên nhà, trong khi đó phần lõi cứng lại chịu phần lớn tải trọng ngang ở
phía dới nhà.
làm việc kháng tải trọng ngang. Do hệ khung vách ở tầng trệt hình thành không gian
lớn, để đáp ứng với các yêu cầu công năng kiến trúc, mấy năm gần đây, dới tầng
trệt thì làm kinh doanh bách hoá, các tầng trên làm nhà, văn phòng cho thuê, khách
sạn đã đợc ứng dụng tơng đối rộng rãi. Cơ bản có thể phân thành 2 loại sau:
- Hệ kết cấu dạng tờng:
Tầng trệt là hệ khung và vách cứng (ngàm vào móng)
hợp thành không gian lớn, bộ phận ở trên là những vách cứng thông thờng, vách
cứng kiểu xơng cá, một ít vách dọc theo chiều dài kết cấu v.v
(hình 1.12).
Hình 1.12
- Hệ kết cấu dạng lõi:
Bộ phận đáy là sự kết hợp giữa hệ khung và lõi cứng
(ngàm vào móng), bộ phận trên là những hệ vách cứng tạo thành không gian nhỏ
hoặc lớn
(hình 1.13)
. 23
Sàn tầng điển hìnhLõi kín bộ phận đáy
Copyright: Tài liệu đại học ©