BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV02 - 2008

S KC 0 0 2 2 9 0

Tp. Hồ Chí Minh, 2008


TP. HỒ CHÍ MINH – 12/2008


CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
II.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

III.

NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI
Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
II.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III.


chỉ các Quận nội thành nhƣ Quận 1 gồm : Saigon Pearl, Deawon, Riverside,
FIDECO,..các quận dân cƣ nhƣ Quận 7 với các cao ốc kêt hợp văn phòng, chung cƣ,
khu thƣơng mại và cả các dịch vụ nhƣ Ngân Hàng, Y tế < Giáo dục. Lấn ra các quận
ven nhƣ Quận 9, Thủ Đức ta thấy ngay dự án RICH LAND HILL chủ đầu tƣ là ĐôngÁ
Bank với các khối chung cƣ cao cấp và đa dụng.
Với nhu cầu nhà cao tầng ngày càng lớn nhƣ vậy đang đặt ra cho những kỹ sƣ
kết cấu những vấn đề chịu lực và độ an toàn khi chịu các tải trọng ngang rất lớn mà các
nhà thấp tầng ta thƣờng ít quan tâm hoặc bỏ qua đó là các tải gió hay tải động đất.
Từ lâu, vách phẳng hay vách cứng đã đƣợc sử dụng trong hầu hết các thiết kế
kết cấu nhà cao tầng. Vách cứng kết hợp với hệ khung hoặc kết hợp với nhau tạo nên
hệ chịu lực cho kết cấu cao tầng.
Tuy nhiên, việc tính toán cốt thép cho hệ vách vẫn chƣa đƣợc đề cập cụ thể
trong Tiêu chuẩn thiết kế của nƣớc ta.
Trong đề tài “Nghiên cứu các phương pháp tính toán vách cứng nhà cao tầng”
chúng tôi sẽ tìm hiểu và trình bày ba phƣơng pháp thiết kế vách thƣờng gặp và các ví
dụ tính toán cụ thể cho từng phƣơng pháp.

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 1


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
1. Tình hình nghiên cứu trong nước

Trang 2


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

III. NHƢ̃ NG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI
Vách cứng tuy hiện nay đã và đang đƣợc nghiên cứu nhƣng việc áp dụng vào
thực tế vẫn còn nhiều vấn đề cần quan tâm. Với các công trình có nhu cầu sử dụng, với
các dạng kết cấu khác nhau, tính chất đối xứng hoặc không đối xứng, thì việc áp dụng
vách vào nhƣ một thành phần kết cấu chịu lực ngang cho công trình cần đƣợc thực hiện
linh hoạt.
Các công trình cao tầng hiện nay đôi khi lạm dụng vách cứng mặc dù nhu cầu
về chịu lực không lớn nhƣng vẫn cứ sử dụng thêm vách cứng. Đặc biệt tại vị trí lõi
thang máy hoặc thang bộ, ta dễ dàng thấy các vách cứng đƣợc sử dụng mặc dù công
trình có sô tầng không cao quá cao và vị trí công trình không nằm trong khu vực chịu
ảnh hƣởng lớn của các tải ngang lớn nhƣ gió và động đất.

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 3


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

Phần 2:

chuyên môn.
+ Tác phẩm khoa học, sách chuyên ngành xây dựng: Có giá trị cao về
luận cứ lý thuyết.
+ Thông tin đại chúng: báo chí, bản tin, báo điện tử…
2. Phân loại và hệ thống hóa lý thuyết.
 Trên cơ sở phân tích lý thuyết tiến tới tổng hợp ta tiến hành phân loại
các lý thuyết.
 Việc phân loại các lý thuyết rõ ràng theo từng chủ đề giúp ta thấy
đƣợc toàn diện về vấn đề nghiên cứu.

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 4


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

III. NỘI DUNG:
Có nhiều phƣơng pháp tính kết cấu cho vách phẳng bê tông cốt thép. Trong báo
cáo này trình bày ba phƣơng pháp sau đây:

1. Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi
Phƣơng pháp ứng suất đàn hồi đƣợc xem là phƣơng pháp đơn giản và dễ sử
dụng nhất vì tính an toàn cao, tính toán không phức tạp. Với các công trình không đòi
hỏi về kết cấu thì ta có thể áp dụng phƣơng pháp này để tính toán.
A. Mô hình : Phƣơng pháp này chia vách thành những phần tử nhỏ chịu lực kéo

- Bƣớc 5: kiểm tra hàm lƣợng cốt thép. Nếu Asc < 0: đặt cốt thép chịu nén theo
cấu tạo.
SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 5


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

C. Nhận xét:
- Phƣơng pháp phân bố ứng suất đàn hồi tƣơng tự phƣơng pháp chia vách thành
các phần tử nhỏ, tính đƣợc ứng suất kéo, nén chính, từ đó tính đƣợc cốt thép chịu kéo
và kiểm tra ứng suất nén chính sẽ đƣợc kiểm tra với khả năng chịu nén của bêtông. Tuy
nhiên, việc kể đến khả năng chịu nén của cốt thép cho phép giảm tiết diện bê tông của
vách.
- Phƣơng pháp này đơn giản, có thể áp dụng để tính toán đối với vách phẳng.

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 6


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG


- Ứng lực kéo do cốt thép chịu. Ứng lực nén do bêtông và cốt thép chịu.
- Xét vách cứng chịu tải trọng NZ, MY biểu đồ ứng suất tại các điểm trên mặt cắt
ngang của vách cứng.

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 7


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

tw

0.5L

Bl

Br
N

Pl

Pr

Vùng biên trái


F'a

 M,N
k

Fa

Bố trí cốt thép vách cứng

c. Các bước tính tốn:
-Bước 1: Giả thiết chiều dài Br và Bl của vùng biên chịu momen. Xét vách chịu
lực dọc trục N và momen uốn trong mặt phẳng My, momen này tƣơng đƣơng với 1
cặp ngẫu lực đặt ở hai vùng biên của vách.
-Bước 2: Xác định lực kéo hoặc nén trong vùng biên.
Pl ,r 

N
M
 Fb 
F
L  0.5  Bl  0.5  Br

Trong đó:
F : Diện tích mặt cắt vách.
Fb: Diện tích vùng biên.
-Bước 3: Tính diện tích cốt thép chịu kéo, nén.
+Tính tốn cốt thép cho vùng biên nhƣ cột chịu kéo - nén đúng tâm. Khả
năng chịu lực của cột chịu kéo – nén đúng tâm đƣợc xác định theo cơng thức:
P   ( Rn Fb  Ra Fa )


=> imin= 0.288  b
Khi   14 : bỏ qua ảnh hƣởng của uốn dọc, lấy  =1.
Từ công thức trên ta suy ra diện tích cốt thép chịu nén :
P
F 
n
a



 Rn Fb
Ra

Khi P < 0 (vùng biên chịu kéo), do giả thiết ban đầu: ứng lực kéo do cốt
thép chịu nên diện tích cốt thép chịu kéo đƣợc tính theo công thức sau:
P
Fak 


Ra

-Bước 4: Kiểm tra hàm lƣợng cốt thép.
Nếu không thỏa thì phải tăng kích thƣớc B của vùng biên lên rồi tính lại từ bƣớc
1.
Chiều dài B của vùng biên có giá trị lớn nhất là L/2, nếu vƣợt quá giá trị này cần
tăng bề dày tƣờng.
Khi tính ra Fa < 0: đặt cốt thép chịu nén theo cấu tạo. Theo TCXDVN 198-1997.
SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069



8Rk bh0
Q2

1.5Rk bho
Q

u  uct  20cm

-Bước 7: Bố trí cốt thép cho vách cứng .
+Khoảng cách giữa các thanh cốt thép dọc và ngang không đƣợc lớn hơn trị số
nhỏ nhất trong hai trị số sau:

 s  1.5b

s  30cm
SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 10


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

+Bố trí cốt thép cần phải tuân thủ theo “TCXD 198:1997” nhƣ sau:
-Phải đặt hai lớp lƣới thép. Đƣờng kính cốt thép chọn không nhỏ hơn 10
mm và không hơn 0.1b. Hai lớp lƣới thép này phải đƣợc liên kết với nhau bằng móc

chịu lực của nó ứng với mọi giá trị M và N.

-

-

-

Biểu đồ và các cặp nội lực
Biểu độ tƣơng tác chia mặt phẳng làm hai miền: bên trong và bên ngoài. Với một
cặp nội lực M, N cho trƣớc có một điểm trong mặt phẳng. Khi điểm đó thuộc
miền trong (điểm I) tiết diện đủ khả năng chiu lực. Nếu điểm đó thuộc miền ngoài
(điểm K) tiết diện không đủ khả năng chịu lực.
Vùng lân càn B có thể nén lệch tâm lớn hoặc bé. Phần DB tƣơng ứng nén lệch tâm
lớn và trong đoạn BC là nén lệch tâm bé.
Với các điểm nằm ngay trên biêu đồ (điểm P) khả năng chiu lực vừa đúng bằng
nội lực mà tiết diện phải chịu.
Điểm B ứng với Mmax tiết diện chỉ đủ khả năng chịu lực khi N vừa bằng đúng NB.
Nếu N tăng lên hay giảm xuống tiết diện đều bị nguy hiểm.
2. Công thức tính toán cơ bản:
Với sơ đồ ứng suất ta có hai phƣơng trình:
+ Lập công thức hình chiếu:
N = Rbbx + ∑iAi
+ Công thức moment:
M* = Ne0 = 0.5 Rbbx(h – x) + ∑iAiyi

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 12

 
1
1.1

 i  0 : Ứng suất kéo.
 i  0 : Ứng suất nén.
 Rsc   i  Rs
- Trong đó:
 spi : Ứng suất trƣớc trong cốt thép, với cốt thép thƣờng  spi = 0.

 sc,u : Ứng suất giới hạn của vùng cốt thép chịu nén tùy theo loại tải trọng mà
 sc,u có các giá trị khác nhau.( Phụ lục 1 – Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép
– GS. Nguyễn Đình Cống.)
    0.008Rb
Lấy   0.85 đối với bê tông nặng,   0.8  0.75 đối với bê tông hạt
nhỏ.

i 

x
: Chiều cao tƣơng đối vùng nén của bê tông.
hoi

3. Lập biểu đồ tƣơng tác
- Về nguyên tắc có thể lập biểu đồ cho mọi trƣờng hợp đặt cốt thép bất kì, nhƣng
thông dụng nhất là trƣờng hợp đặt cốt thép đối xứng theo hai trục. Phƣơng pháp
dùng biến số trung gian x là thuận lợi nhất.
- Khi đã biết kích thƣớc tiết diện và cốt thép của cấu kiện ta lập biêu đồ bằng cách
cho x thay đổi, ban đầu lấy x=0.1h rồi tăng dần từng cấp cho đến khi x = h.
- Với mỗi giá trị của x tìm đƣợc một cặp N, M*. Với X khá bé có thể tính đƣợc N

x
;     0.008 Rb .  i  sc,u 
 
hoi

1
1.1
+ Tính  i Ai (kN),  i Ai yi (kNm)
+ Tính N, M*:

+ Tính  i 


   spi (kN / m 2 )



N = Rbbx + ∑iAi
M* = Ne0 = 0.5 Rbbx(h – x) + ∑iAiyi
+ Tính thêm hai gía trị ứng với:
* Với M* = 0: N 0   ( Rn Fb  R'a Ast ) . Lấy giá trị của N không quá N0.
* Với N = 0 => M*.
+ Lập bảng để vẽ biểu đồ tƣơng tác gồm hai giá trị là: N và M*

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

Trang 15



MPa
MPa
2.9x104
MPa

MPa
MPa
MPa
21x104

MPa

Vách có kích thƣớc:
tw = 300mm
L = 7200mm .
Kết quả nội lực vách đƣợc xuất từ Etabs với vách đƣợc gán các dạng phần tử Pier.
Story Pier
T1

P7

Load

Loc

ENVE26 MAX

Bottom

P

VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

Bước 2:
- Tính lực dọc tác dụng vào mỗi phần tử do lực dọc N và moment Mx gây ra. Vì đối
xứng và moment có thể đổi chiều nên ta chỉ cần tính cho một nửa vách.
- Tính cốt thép cho vách có kể đến uốn dọc. Để đơn giản ở đây không kể đến uốn dọc
của vách.
- Cốt thép chịu nén :
N
F 
n
a



 Rn Fb
Ra

Khi P < 0 (chịu kéo), do giả thiết ban đầu: ứng lực kéo do cốt thép chịu nên diện tích
cốt thép chịu kéo đƣợc tính theo công thức sau:
N
Fak 

Phần
tử

Tọa độ phần
tử yi

(kNm)

Ni 

Mx
N

* yi
n
 yi2

Fa-n
Fa-k
-4 2
-4 2
(x10 m ) (x10 m )

Nén
(KN)

Kéo
(KN)

3.3

1061.47

-609.35

-49.17


453.90

-1.78

-72.54

0.07

0.3

302.00

150.11

-78.38

-144.23

12

51.48

2712.7

13032.4

Bước 3: Bố trí cốt thép cho vách, bố trí đối xứng theo tiêu chuẩn TCXD198-1997-Nhà cao
tầng - Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.




20.11

4

a



20.11

5

a



20.11

6

a



20.11

SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069

tầng hầm đến tầng mái.
- Diện tích tiết diện vách: F = 0.3  7.2= 2.16m2
- Kết quả nội lực vách đƣợc xuất từ Etabs với vách đƣợc gán các dạng phần tử Pier.

Story Pier
T1

P7

Load

Loc

ENVE26 MAX

Bottom

P
(kN)
-2712.7

V2
(kN)
1457.1

V3
(kN)
214.8

T

PM 

M3
13032.4

 2102kN
L  0.5Br  0.5Bl 7.2  0.5 1  0.5 1

- Lực kéo và nén trong vùng biên là:
Pnén= PN + PM = 2478.8 kN.
SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

Pkéo= PN - PM = -1725.2 kN
- Tính toán cốt thép cho vùng biên nhƣ cột chịu kéo – nén đúng tâm:
Bán kính quán tính tiết diện: imin= 0.288  0.3=0.0864m
Chiều dài tính toán: l0= 0.7  l = 0.7  3= 2.1m
Độ mảnh của cột:  =  

lo
imin




260000

Diện tích cốt thép chịu kéo là:
P

1725.2
Fak 
 0.972  0, 006826m2  68.26cm2
Ra 260000



- Fa = max ( Fanén , Fakéo ) = 68.26cm2
- Bố trí thép vùng biên: 1425 có Fa = 68.72cm2 (25a150).
* Kiểm tra vùng giữa:
- Chiều dài vùng giữa: L = h - 2B = 7.2 – 2x1 = 5.2m
- Diện tích vùng giữa: Ag = twLg = 0.3x5.2 = 1.56m2
- Khả năng chịu lực của vùng giữa vách:
N g  Rb Ag  13000 1.56  20280kN

- Lực dọc mà vùng giữa chịu:
Nn 

-

P
2712.7
Ag 
1.56  1959.17kN
A

* Tính toán cốt ngang:
Tƣơng tự nhƣ tính cốt ngang cho dầm, cột ta chọn ra giá trị lực cắt lớn nhất để
bố trí cốt ngang cho vách.
- Ta có: Qmax = 1516.34kN
- Kiểm tra điều kiện giới hạn: Tính với tiết diện dầm 300x7200mm
h = 7.2 m; Với a = 0.05m
-

=> h0 = h – a = 7.2 - 0.05 = 7.15m
+ Điều kiện đảm bảo bê tông không bị phá hoại do ứng suất nén chính:
K0.Rn.b.h0 = 0.35x13000x0.3x7.15 = 9759.75kN
Với ko = 0.35 vì mác bê tông 300 < 400.
=> Q ≤ K0.Rn.b.h0
+ Điều kiện bê tông đủ khả năng chịu lực cắt:
K1.Rk.b.h0 = 0.6x1000x0.3x7.15= 1287kN
Với k1 = 0.6 đối với dầm.
=> Q ≥ K1.Rk.b.h0
- Vậy bê tông không đủ khả năng chịu lực cắt ta phải tính toán cốt thép chịu lực cắt
cho dầm.
- Chọn đai 12: fđ = 1.131x10-4 m2 ; đai 2 nhánh: n = 2 ; Rad = 210MPa
SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069


CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
VÁCH CỨNG NHÀ CAO TẦNG

GVHD: TS. VŨ THỊ BÍCH NGÀ

- Bƣớc đai cấu tạo: u = uct = 200mm


SVTH: NGUYỄN TẤN PHÁT – MSSV: 04114051
PHAN QUỐC THỐNG – MSSV: 04114069