1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI THANH NHIÊN

NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ
DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP
BÊ TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: GS.TS. PHẠM VĂN HỘI

Phản biện 2: PGS.TS. TRẦN QUANG HƯNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp họp
tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 07 năm 2018

Nhận dạng dao động của sàn liên hợp - thép bê tông nhịp lớn và biện pháp hạn
chế dao động .
b) Mục tiêu cụ thể:
- Nghiên cứu dao động của sàn liên hợp thép bê tông do hoạt động của con
người.
- Nghiên cứu các biện pháp kiểm soát và khống chế dao động trong kết cấu sàn
liên hợp thép - bê tông nhịp lớn.
3. Đối tượng nghiên cứu:
- Sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn.
4. Phạm vi nghiên cứu:
- Hạn chế dao động kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông do hoạt động của con
người.
5. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dao động của sàn liên hợp
thép - bê tông.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 để mô phỏng dao động


2

của hệ kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông.
6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn:
Nghiên cứu trong luận văn dựa trên Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11)
biên soạn và xuất bản tháng 5 năm 2016 và một số tài liệu tham khảo liên quan.
Ngoài ra luận văn còn áp dụng những kiến thức về sức bền vật liệu, cơ học kết cấu và
phầm mềm SAP2000 để tính toán dao động theo AISC DG11.
7. Bố cục đề tài:
Chương 1: Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông
1.1. Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông
1.2. Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông

Năm 2006, “ Giáo trình Kết cấu liên hợp thép – bê tông” của PGS.TS Phạm
Văn Hội đã viết theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Design of Composite Steel and
Concrete Structures) và các tài liệu ứng dụng tiêu chuẩn trên để thiết kế các cấu kiện
liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam .
1.2. Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông
1.2.1. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế
giới

Hình 1.4. Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA)
Tháp Thiên niên kỷ (Viên – Áo), tòa nhà này có 55 tầng với diện tích khoảng
1000m2 và có chiều cao hơn 202m (bao gồm cả awngten).


4

Hình 1.5. Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo)
1.2.2. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ở Việt
Nam
Bitexco Finaancial Tower được xây dựng trên diện tích 5.267m2 quy mô 68
tầng với chiều cao 262m. Tòa nhà được thiết kế bằng thép và kính.

Hình 1.8. Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh
Vietinbank Tower Hà Nội bao gồm 2 tòa tháp, được liên kết với nhau bằng
khối đế 7 tầng. Tháp thứ nhất cao 68 tầng, tháp thứ hai cao 48 tầng.


5

Hình 1.9. Vietinbank Tower, Hanoi
1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông


7

CHƯƠNG 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG
2.1. Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép – bê tông
Thuật ngữ “rung động” áp dụng cho sàn chính là sự dao động của tòa nhà và
người cư ngụ trong quá trình hoạt động hàng ngày. Chuyển động này thường là dọc
(lên xuống), nhưng rung động theo chiều ngang cũng có thể có, hậu quả của rung
động không những gây phiền toái cho người sử dụng mà còn ảnh hưởng đến đồ đạc,
phụ kiện, thậm chí là cấu trúc tòa nhà. Các rung động gây ra hậu quả nặng nề do động
đất và vụ nổ nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của đề tài này.
2.2. Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép – bê tông theo
Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) [3]
2.2.1. Nguyên lý rung động sàn
Các lực lặp đi lặp lại phụ thuộc thời gian do con người gây ra được biểu diễn
bằng chuỗi Fourier :
F (t ) = Q +   i Q sin (2if stept − i )
N

i =1

Trong đó: + N: số lượng các sóng hài xem xét
+ Q: trọng lượng cơ thể người, lb
+ αi: Hệ số động cho lực điều hòa thứ i
+ i: Sóng hài (1, 2, 3, ...)
+ fstep :tần số bước, Hz
+ t: Thời gian, s
+ ϕi: pha dao động điều hòa thứ i, rad
2.2.2. Tiêu chuẩn đánh giá của việc đi bộ với tần số thấp và tầng số cao


(2.15)

Trong đó: + ∆g: chuyển vị của dầm chính, in.
+ ∆j : chuyển vị của dầm phụ, in.
Đối với nhà cao tầng, tần số của cột có thể gây ra các vấn đề cộng hưởng nghiêm
trọng với nhịp điệu của hoạt động , đặc biệt là aerobics. Phương trình (2.15) được viết
lại như sau:
f n = 0,18

g
 j +  g + c

(2.16)

Trong đó: + ∆c: chuyển vị của cột do tải trọng tác động , in.
2.3. Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ
2.3.1. Tiêu chuẩn áp dụng
ap
g

=

P0 e −0,35 f n a0

W
g

(2.22)


(2.23)

+ w: tải trọng phân bố đều trên đơn vị diện tích, psf

Hình 2.9. Tổng trọng lượng của hệ thống sàn.
Đối với chế độ kết hợp, trọng lượng tương đương của sàn được xác định theo
công thức:
W=

j
 j + g

Wj +

g
 j + g

Wg

(2.24)

Với + Wg : Trọng lượng hiệu quả sàn cho dầm chính, lb
+ Wj : Trọng lượng hiệu quả sàn cho dầm phụ, lb
Wg ,Wj: được xác định bằng công thức (2.23), có thể tăng thêm 50% nếu
là dầm liên tục và chiều dài dầm lớn hơn 0,7 lần chiều rộng hiệu quả của sàn cho dầm
đang xét.
+ ∆g : chuyển vị của dầm chính, in.
+ ∆j : chuyển vị của dầm phụ, in.
Nếu 0,5 



g

'

 j + g

'

Wg

(2.26)

Chiều rộng sàn

Hình 2.10. Chiều rộng tham gia làm việc của dầm phụ
Đối với dầm phụ, chiều rộng tham gia làm việc, Bj, xác định bằng công thức:
D
Bj = C j  s
D
 j






1/ 4

2

tỉ lệ chuyển đổi vật liệu tương đương, dùng để tính toán tương
1,35Ec

đương mặt cắt ngang của bê tông với mặt cắt ngang của thép nhằm đơn giản trong
tính toán.

Hình 2.11. Chiều rộng tham gia làm việc của dầm chính
Đối với dầm chính, chiều rộng tham gia làm việc (ngoại trừ dầm biên) được
xác định theo công thức sau:
 Dj
Bg = C g 
D
 g






1/ 4

2
Lg    
3

chiều dài sàn

(2.31)

Với + Cg = 1,8 đối với dầm chính chịu cắt, Cg = 1,6 đối với dầm có hỗ trợ mặt


Tính Ig :

Tính Ij :
𝑑

𝑦̅ =

𝑏

ℎ

𝐴𝑠 (ℎ𝑑 + )−( ℎ𝑐 𝑐 )
2
𝑛
2

2

𝑑

ℎ (𝑦̅ +
𝑛 𝑐

ℎ𝑐 2

𝑏ℎ𝑐3

+
12𝑛


)

wg = Lj (wj/S) +wtgirder

∆j =

384𝐸𝑆 𝐼𝑗

2

Ig = Ix + As( 2𝑑 + 2 − 𝑦̅) +
𝑏

)
2

2

𝐴𝑠 +

𝑏

𝐴𝑠 + ℎ 𝑐
𝑛

Ij = Ix + As(ℎ𝑑 + 2 − 𝑦̅) +
𝑏

𝑦̅ =


Bg = Cg (𝐷𝑗 /𝐷𝑔 ) 𝐿𝑔 ≤
2/3 chiều dài sàn
Với:
Cg = 1,8: Dầm chịu cắt.
Cj = 1,6: nếu không.
Dg = Lg/Bj

Bg = 2/3Lj
Nếu dầm biên

Wg = (wg/Lj)BgLg
(x1,5 khi Lg/Bg > 0,7)

Wj = (wj/S)BjLj
(x1,5 khi Lj/Bj > 0,7)

LÀM VIỆC LIÊN HỢP

0,5≤ Lg/Bj≤1

fn = 0,18 √g/(∆𝑗 + ∆g )

∆′g = (Lg/Bj)∆g
Thay ∆ bằng ∆′

W=

ĐÁNH GIÁ
DAO ĐỘNG

2400 Kg/m3, Ec =24000 MPa ), trọng lượng phần sàn thép định hình 10 Kg/m2.
Cho hệ số cản β = 0,03. Dầm phụ thép W460x52, dầm chính W530x74 theo
thông số vật liệu ASTM A992. Đánh giá dao động của sàn do hoạt động đi bộ
gây ra.

Hình 3.1. Diện tích ô sàn xét tính toán
Lời giải:
1. Số liệu đầu vào
Theo ASTM A992, cuốn Steel Construction Manual (ASIC, 2011), ta có:
Fy = 345 MPa, Fu = 450 MPa,
Dầm chính W530x74:
d = 528,32 mm
A = 9483,85 mm2
wt = 74,4 kG/m
Dầm phụ W460x52:
Ix = 2,12 x 108 mm4
A = 6645,15 mm2
d = 449,58 mm
Ix = 4,10 x 108 mm4
wt = 52,08 kG/m
Kích thước hình học của sàn:
Chiều rộng = 27 (3x9) m, chiều dài: 36 (3x12) m, Hệ số cản β = 0,03
Khoảng cách giữa các dầm phụ S = 3m


15

2. Tính toán dầm phụ
Mô đun đàn hồi của bê tông và thép:
Ec = 24000 Mpa, Es = 210 x103 MPa

 2 
= 0,27(m)
0,04 + 6645,15  10 −6

Moment quán tính dầm phụ liên hợp:
460  80 3
80
 449,58

Ij =
+ 40000  
+ 50 + − 270  + 2,12  10 8 +
12
2
 2

2

6645,15  270 2 = 7,9  10 8 mm 4

Tải phân bố đều tác dụng lên dầm phụ được xác định như sau:
wj = 3 x (0,5 + 0,2 +2,62) + 52,08 x 0,00981 = 10,47 kN/m


16

Độ võng dầm phụ tương ứng:
4

5  10,47  12000 4

3

Ds =

de
105 3
=
= 14883,75 mm3
12n 12  6,48

)

Moment quán tính trên một đơn vị chiều rộng theo hướng dầm phụ:
Dj =

Ij
S

=

7,9  10 8
= 263441,05 mm3
3000

(

)

Bề rộng tham gia làm việc của dầm phụ:
Cj =2,0


12
= 1,03  0,7 . Vậy nên
11,7

 wj
W j = 1,5  
 S


10,47
 B j L j = 1,5 
 11,7  12 = 735,11(kN )
3


3. Tính toán dầm chính
Chiều rộng tham gia làm việc của sàn bê tông :
b = min[ 0,2 L g , 0,5 L j ,left ] + min[ 0,2 L g , 0,5L j ,right ] = min[0,2 x 9m; 0,5 x 12m]
+ min[0,2 x 9m; 0,5 x 12m] = 1,8 m + 1,8 m = 3,6 m
Chiều rộng sàn bê tông thay đổi (vùng bê tông sàn) :
b 3,6
=
= 0,56m
n 6,48

Chiều rộng sàn bê tông thay đổi (vùng bê tông thép định hình)
b / 2 1,8
=
= 0,28m

560  80 3
80
 528,32

Ig =
+ (40000)
+ 50 +
− 290  +
12
2
 2

2

280  50 3
 528,32 50

+ (10000)
+
− 290  + 4,10  10 8 + 9483,85  290 2
12
2
 2

2

(

= 1,42  10 9 mm 4



Tần số cơ bản theo công thức:
f g = 0,18

g
9,806
= 0,18
= 5,10(Hz )
g
12,24  10 −3

Moment quán tính trên một đơn vị chiều rộng theo hướng dầm phụ:
Dj = 263441,05 (mm3)
Độ cứng uốn của dầm chính trên một đơn vị chiều rộng được tính theo công
thức:
1,42  10 9
Dg =
=
= 118046,67 mm 3
Lj
12000
Ig

(

)

Bề rộng tham gia làm việc của dầm chính:
Cg =1,8


 118046,67 

1/ 4

2
 9 = 19,8(m )     36 = 24(m )
3

9
= 0,45  0,7. Vậy nên
19,8


 B g L g = 42,61  19,8  9 = 632,82(kN )

12


4. Sự làm việc liên hợp
Tần số cơ bản theo công thức:
g
9,806
= 0,18
= 3,29(Hz )
 j + g
(17,03 + 12,24)  10 −3

f n = 0,18

Ta có 0,5 


g

'

 j + g

'

Wg

17,03
9,41
 735,11 +
 632,82 = 698,71(kN )
17,03 + 12,24
17,03 + 9,41

5. Đánh giá dao động của sàn do hoạt động đi bộ
Gia tốc đỉnh xác định bằng công thức (2.22), với P0 = 65 lb = 0,289 kN, hệ
số cản β = 0,03
ap
g

=

P0 e −0,35 f n a0

= 0,5%
W

Bảng 3.1. Kết quả đánh giá dao động sàn khi tăng chiều dày sàn với
khoảng cách dầm phụ thay đổi
Chiều dày sàn h
(m)
S1 = 2,25m
S2 = 3,00m
S3 = 4,5m
[a0 /g]
[∆]=L/350

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,45

0,41

0,37

0,34

S1(2,25m) - ∆



26,52

26,55

S3(4,50m) - ap

0,58

0,52

0,46

0,42

0,38

S3(4,50m) - ∆

31,68

32,06

32,41

32,67

32,85

S1(2,25m) - ap

dầm chính lần 1 DC: W530x82

4,32

Thiết kế thay đổi DP: W460x52
dầm chính lần 2 DC: W530x101

4,32

Thiết kế thay đổi DP: W460x74
dầm phụ lần 1
DC: W530x74

5,09

Thiết kế thay đổi DP: W460x97
dầm phụ lần 2
DC: W530x74
[a0/g]
[∆]=L/350

5,7

Thiết kế ban đầu

ap/g

Độ võng
Δ (mm)


5,35
5,92
5,04
4,99
0,50
25,71

3.1.3. Đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông bằng phần mềm SAP2000
Thông số đầu vào giống ví dụ 1. Đánh giá đi bộ của của con người bằng
SAP2000 cho ô sàn (2-3)/(B-C), có kích thước 9m x12m,W = 168lb = 747N, vận tốc
đi bộ 1,5m/s, sải bước = 0,75m, thời gian xung = 0,45s.

Hình 3.4. Chi tiết ô sàn (2-3)/(B-C) xem xét dao động
Kết quả gia tốc của sàn do đi bộ tại vị trí điểm a và điểm b


21

Hình 3.5. Gia tốc của sàn tại vị trí điểm a

Hình 3.6. Gia tốc của sàn tại vị trí điểm b
Kết quả tính toán theo
Nội dung Kết quả tính toán theo Hướng
dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC
phương pháp PTHH
so sánh
DG11)
(SAP2000 V20)
Gia tốc
tính toán ap

từ phầm
mềm
SAP2000
V20 đối
với điểm
a

Hình 3.8. So sánh phản ứng sàn trước và sau khi thay đổi chiều dày sàn
3.2.2.Tăng kích thước dầm chính, dầm phụ
Như kết quả tính toán ở ví dụ 2, khi tăng kích thước của dầm chính và dầm
phụ:

Gia tốc tính toán (%g)

BẢNG SO SÁNH HIỆU QUẢ TĂNG ĐỘ
CỨNG CỦA DẦM
0.5

0.44

0.4

0.44

0.43

0.41

0.4


SAP2000, thiên về an toàn khi đánh giá dao động của sàn do hoạt động đi bộ gây ra.
Vậy nên, kết quả tính toán trong luận văn này hoàn toàn đáng tin cậy.
Việc tăng chiều dày sàn bê tông sẽ làm giảm gia tốc tính toán, tuy nhiên còn
phụ thuộc vào độ võng giới hạn cho phép. Trường hợp bài toán thiết vượt quá giới
hạn độ võng cho phép cần tăng độ cứng hệ thống dầm và ưu tiên tăng độ cứng dầm
phụ.
Luận văn đã trình bày trình tự tính toán cấu kiện dao động theo Hướng dẫn thiết
kế AISC DG11. Trình tự tính toán mang tính chất ứng dụng và giúp người thiết kế áp
dụng trong thực tế.
2. Kiến nghị.
Ngày nay, với nhiều ưu điểm công trình liên hợp thép bê tông nói chung và sàn
liên hợp nói riêng ngày càng phát triển ở Việt Nam. Ảnh hưởng của dao động lên kết
cấu này là không thể tránh khỏi và không thể bỏ qua trong tính toán. Tuy nhiên, phạm
vi đề tài chỉ nghiên cứu về dao động sàn do hoạt động đi bộ của con người, cần phát
triển đề tài cho các dao động có lực tác động lớn hơn: khiêu vũ, nhảy…
Do thời gian có hạn nên đề tài chỉ dừng lại nghiên cứu những ô sàn vuông vức,
chưa xét đến các trường hợp đặc biệt khác để so sánh đối chiếu kết quả đã thực hiện
trong luận văn. Cần có hướng phát triển đề tài về nội dung này để làm căn cứ, cơ sở
ban đầu cho người thiết kế.
Phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu khống chế dao động sàn liên hợp thép bê tông khi
thiết kế. Trường hợp sau khi đã đưa vào sử dụng, gia chủ muốn thay đổi mục đích sử
dụng làm không thỏa mãn yêu cầu dao động sàn như thiết kế ban đầu. Vì vậy, cần có
hướng nghiên cứu tiếp theo để đáp ứng được yêu cầu của thiết kế cũng như nhu cầu
ứng dụng thực tế.