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
này. Luận văn dùng phơng pháp phần tử hữu hạn và phơng pháp sử dụng mô hình
chống giằng để tính toán dầm cao, một loại cấu kiện cơ bản có đặc điểm chịu lực
riêng mà các phơng pháp thiết kế thông thờng không phản ánh đúng tình trạng
làm việc và do vậy cho kết quả không chính xác. Qua đó có những so sánh nhận xét
và các đề xuất khi sử dụng từng phơng pháp trong tính toán.
Do trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn luận văn còn có những hạn chế cần
đợc hoàn thiện thêm. Tác giả mong muốn nhận đợc sự quan tâm của các thầy, cô
Bộ môn và những ngời quan tâm đến đề tài.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Vơng Ngọc Lu, TS Nguyễn Ngọc
Nam đã hớng dẫn tận tình trong thời gian thực hiện luận văn.


2

lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng: Luận văn: nghiên cứu và so sánh các phơng
pháp tính toán dầm cao bê tông cốt thép là công trình nghiên cứu của riêng

mình tôi.
Các số liệu trong luận văn đợc sử dụng trung thực, khách quan, có tính kế

13

1.1.2. Các hệ kết cấu nhà cao tầng.

13

1.1.2.1. Hệ kết cấu cơ bản:

13

1.1.2.2. Hệ kết cấu hỗn hợp.

20

1.1.2.3. Hệ kết cấu tạo không gian lớn.

22

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



2.1.2. Dùng chơng trình Sap 2000 để phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng
của dầm cao bê tông cốt thép.

37

2.1.2.1. Giới thiệu:

37

2.1.2.2. Thực hiện tính toán dầm cao bằng Sap 2000.

38

2.2. phơng pháp sử dụng mô hình chống giằng

42

2.2.1. Phân vùng ứng suất biến dạng của các cấu kiện bê tông cốt thép

42

2.2.2. Cơ sở của mô hình chống - giằng, các giả thiết áp dụng .

43

2.2.2.1 Cơ sở của mô hình chống - giằng.

43


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

Chơng iii:
ví dụ tính toán dầm cao bê tông cốt thép
so sánh và kết luận
3.1. ví dụ tính toán dầm cao bê tông cốt thép
3.1.1. Thiết kế dầm chịu một lực tập trung.

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

P

Tải trọng tập trung tác dụng lên dầm.

q

Tải trọng phân bố tác dụng lên dầm.

PTHH

Phần tử hữu hạn.

{ }

Vecto chuyển vị nút.

{ }

Vecto biến dạng.

{F}

Vecto lực nút.

{ }

Vecto ứng suất.

{}


xy

Thành phần ứng suất tiếp trong dầm.

E

Modun đàn hồi của vật liệu.

T

Nội lực kéo trong thanh chịu kéo.

C

Nội lực nén trong thanh chịu nén.

e

Một số kí hiệu theo ACI

fc'

Cờng độ chịu nén đặc trng của bê tông.

fce

Cờng độ chịu nén hiệu quả của bê tông.


7


Lực tác dụng tại thanh chống, giằng hoặc nút.

Fns

Khả năng chịu lực của thanh chống.

Ac

Diện tích mặt cắt ngang hiệu quả tại đầu mút của thanh chống theo
phơng vuông góc với trục thanh.

As'

Diện tích cốt thép chịu nén trong thanh chống.

Danh mục các bảng
Bảng 2.1: Cờng độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong thanh chống....................53
Bảng 2.2: Cờng độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong vùng nút..........................56
Bảng 3.1: ứng suất x trên 1/2 nhịp dầm .................................................................62
Bảng 3.2: ứng suất y trên 1/2 nhịp dầm .................................................................63
Bảng 3.3: ứng suất x trên 1/2 nhịp dầm .................................................................74
Bảng 3.4: ứng suất y trên 1/2 nhịp dầm .................................................................75

Danh 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

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
Hình 3.12: Sơ đồ tính toán.........................................................................................69
Hình 3.13: Mô hình chống-giằng theo tỷ lệ ..............................................................70
Hình 3.14: Bố trí cốt thép cho dầm cao chịu một lực tập trung
Trờng hợp thiết kế dầm theo phơng pháp chống-giằng.........................................72
Hình 3.15: Dầm cao chịu hai lực tập trung ...............................................................73
Hình 3.16: Sơ đồ kết cấu ...........................................................................................73
Hình 3.17: Sơ đồ kết cấu trong Sap ...........................................................................73
Hình 3.18: Biểu đồ x ..............................................................................................74
Hình 3.19: Biểu đồ biểu diễn x trên 1/2 nhịp dầm .................................................74
Hình 3.20: Biểu đồ y ..............................................................................................75
Hình 3.21: Biểu đồ biểu diễn y trên 1/2 nhịp dầm .................................................75
Hình 3.22: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smax ..............................................................76
Hình 3.23: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất Smin ...............................................................76
Hình 3.24: Biểu đồ biểu diễn xy ...............................................................................77

một dạng công năng, nhu cầu sử dụng cụ thể.
Một thực tế đang tồn tại đó là xu hớng nhà ở hỗn hợp, đó là trong nhà cao tầng
sử dụng các tầng hầm làm garage để xe, một vài tầng tiếp theo để làm dịch vụ nhà
hàng, siêu thị... cần những không gian lớn. Mặt khác tại các căn hộ cũng cần có
những không gian hiệu quả hơn. Và nh vậy không phải hệ kết cấu nào cũng có thể
phù hợp một cách hiệu quả với vấn đề nói trên. Hệ kết cầu có sử dụng dầm cao đỡ
cột, đỡ vách tỏ ra rất u việt trong vấn đề này.
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 đề cập trong rất nhiều tài liệu chuyên ngành và
đợc quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam cũng nh của nớc ngoài.


11

Việc nghiên cứu tính toán các cấu kiện dầm có chiều cao lớn với nhiều mô hình
và phơng pháp đã đợc thực hiện, ứng dụng nhiều ở Đức và các nớc Châu Âu.
Những kết quả nghiên cứu bằng phơng pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng mô hình
chống-giằng đã đợc ghi nhận và từng bớc đa vào tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê
tông cốt thép của ACI - Hoa Kỳ. Tuy nhiên trong thực tế, việc tính toán thiết kế theo
phơng pháp này còn ít đợc thảo luận trong các tài liệu của Việt Nam và cha đợc
đề cập tới trong tiêu chuẩn thiết kế công trình bê tông cốt thép TCVN 5574:1991.
Xuất phát từ những lý do trên mà tác giả lựa chọn và nghiên cứu đề tài này.

2. Mục đích nghiên cứu:
Từ việc nghiên cứu đề tài, tác giả mong muốn bổ sung nâng cao kiến thức và
tìm hiểu sâu hơn về kết cấu dầm cao trong nhà cao tầng. Qua đó có cái nhìn đầy đủ
hơn về dầm cao, từ phạm vi sử dụng, đến lựa chọn phơng án tính toán cấu tạo sao
cho hiệu quả nhất.


cha có lời giải cụ thể.

6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài tổng kết quá trình nghiên cứu, tính toán dầm cao bê tông cốt thép. Qua
đó phần nào giúp ngời thiết kế có cái nhìn đợc đầy đủ hơn về dầm cao - một loại
cấu kiện ngày càng xuất hiện nhiều hơn trong giải quyết các bài toán về nhà cao
tầng hiện nay. Công việc tính toán các kĩ s chủ yếu đợc thực hiện bằng các phần
mềm chuyên ngành (theo phơng pháp phần tử hữu hạn ), nhng khi triển khai trên
bản vẽ thi công thì những nội dung của phơng pháp chống - giằng sẽ giúp cho việc
bố trí thép đợc rõ ràng, kinh tế.


13

nội dung luận văn

Phần II:
Chơng 1:

Tổng quan hệ thống kết cấu nhà cao tầng
Và dầm cao bê tông cốt thép
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

a)
d)

e)

Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ khung chịu lực
Dới tác dụng của tải trọng (gồm tải trọng đứng và tải trọng ngang) thì khung
chịu lực đợc nhờ vào khả năng chịu cắt và chịu uốn của các thanh (hình 1.2) .
Khả năng chịu lực của khung phụ thuộc không những vào khả năng chịu tải riêng
biệt của các cấu kiện thanh mà còn phụ thuộc vào độ cứng liên kết nút khung.
Chuyển vị ngang tổng thể của khung cứng gồm hai phần riêng biệt:
- Chuyển vị ngang do uốn khung, khi ta coi khung nh một thanh công son.
Chuyển vị ngang nói trên có đợc là do sự dãn dài và co ngắn của các cột khi chịu
momen lật (nó chiếm khoảng 20% tổng chuyển vị ngang của toàn nhà) (hình 1.3.b).
- 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).

a)

Hình 1.2

b)

Hình 1.3: Chuyển vị ngang của khung

c)



a)

b)

Hình 1.5: Các sơ đồ tờng chịu lực

c)


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...

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

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
uốn. Thực chất nó làm việc giống nh đối với kết cấu khung cứng (độ võng theo

đợc biến dạng trợt thì công trình lại làm việc nh một mô hình công son chịu uốn.
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:
Trong hệ kết cấu này các thanh chéo đợc đặt sát nhau, không hề có cấu kiện
thẳng đứng. Và nh vậy các thanh chéo đóng vai trò chịu toàn bộ tải trọng thẳng
đứng giống nh các cột nghiêng. Nó làm tăng độ cứng khi công trình chịu tải trọng
ngang.
Tuy nhiên hệ kết cấu này có một đặc điểm đó là việc truyền tải trọng xuống

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.

Hình 1.11
g. Hệ tờng - lõi chịu lực:
Trong hệ kết cấu này phần lõi chịu lực đợc bố trí bên trong nhà còn các tấm
tờng đợc bố trí ngoài nhà, vừa làm nhiệm vụ phân chia không gian vừa làm nhiệm


22

vụ chịu tải. Tính chất làm việc của hệ hỗn hợp này tơng tự nh trong các hệ thành
phần.
Ngoài các hệ hỗn hợp nói trên, trong thực tế còn có thể gặp các hệ tạo thành từ

Ba khối kín bộ phận đáy

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

Lõi kín bộ phận đáy

Sàn tầng điển hình

Hình 1.13
Một số yêu cầu về bố trí các loại hình kết cấu tờng lực cắt không gian mở tầng
trệt nh sau:
- Trong hệ kết cấu loại này cần phải có một số vách cứng , tức là không đợc
dùng toàn bộ chỉ có hệ khung chịu lực ở tầng trệt.
- Loại kết cấu này dùng thích hợp cho các công trình có độ cao là:
+ Thiết kế không có động đất là 120m.
+ Khi thiết kế có động đất: với 6 độ (Rich-ter) là 120m - đến 40 tầng, 7 độ là
100m - đến 30 tầng, 8 độ là 80m- đến 25 tầng, 9 độ thì không nên sử dụng.
- Loại kết cấu này nên tuân thủ một số nguyên tắc thiết kế cơ bản của hệ kết
cấu vách cứng kết hợp khung, nh quy tắc đơn giản tìm lực mặt bằng kháng tải
trọng ngang phải bố trí theo 2 phơng đồng, thời phải liên tục v.v...

b. Hệ kết cấu có hệ thống dầm cao:
Khi các tầng bên dới đợc sử dụng với mục đích cần những không gian lớn, các
cột đợc bố trí tha còn các tầng bên trên lới cột đợc bố trí dày thì hệ kết cấu có

dầm thờng có tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp vào khoảng 1/8 đến 1/16 và nhỏ hơn nữa
đối với dầm ứng lực trớc.
Dầm cao đợc định nghĩa là dầm mà trong đó lực nén tập hợp tải trọng và phản
lực chịu lợng tải trọng đáng kể tại các gối đỡ. Điều này xuất hiện nếu tải trọng tập
trung tác dụng gần hơn khoảng 2,5d tới gối đỡ hoặc đối với các dầm tải trọng phân
bố đều có tỷ số nhịp-chiều cao, ln/d < 5. (trong đó: d là chiều cao hiệu dụng của
dầm, bằng khoảng cách từ thớ chịu nén biên tới trọng tâm của cốt thép chịu kéo; ln:
nhịp thông thuỷ của dầm). Kích thớc tơng đối và dạng chịu lực điển hình của một
dầm cao đơn giản đợc thể hiện trong hình 1.16.
Cột

Cột

Cột

h

dầm cao

Cột

Cột

ln
l1

l

l1