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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng, Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công
trình dân dụng và công nghiệp với đề tài: ‘‘Nghiên cứu khống chế dao động của
sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế” là công trình nghiên cứu của riêng
tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn


1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông .................................................11
1.3.1. Kiến trúc ..................................................................................................11
1.3.2. Kinh tế......................................................................................................11
1.3.3. Chịu nhiệt và chống ăn mòn ....................................................................11
1.3.4. Thi công ...................................................................................................12
1.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác
...............................................................................................................................12
1.5. Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông ......................................................15
1.5.1. Yêu cầu về cấu tạo của sàn liên hợp thép - bê tông .................................15


1.5.2. Sự làm việc của sàn liên hợp thép - bê tông ............................................17
1.6. Kết luận chương 1 ..........................................................................................18
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP
BÊ TÔNG ..................................................................................................................19
2.1. Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép – bê tông .....................................19
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) ...........................................................20
2.2.1. Nguyên lý rung động sàn .........................................................................20
2.2.2. Tiêu chuẩn đánh giá của việc đi bộ với tần số thấp và tầng số cao .........22
2.2.3. Tần số tự nhiên trong hệ thống sàn liên hợp ...........................................27
2.3. Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn do hoạt động đi bộ ..................29
2.3.1. Tiêu chuẩn áp dụng ..................................................................................29
2.3.2. Các thông số yêu cầu bắt buộc ................................................................29
2.4. Kết luận chương 2 ..........................................................................................34
CHƯƠNG 3. KIỂM SOÁT VÀ KHỐNG CHẾ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP
THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN ...................................................................................35
3.1. Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn do hoạt động đi bộ ...........35
3.1.1. Sơ đồ khối thuật toán đánh giá dao động của hệ thống sàn liên hợp ......35
3.1.2. Ví dụ tính toán đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông dựa trên

động của sàn liên hợp thép - bê tông cũng được khảo sát và đánh giá.
Từ khóa – sàn liên hợp; dao động; gia tốc; độ võng; hoạt động đi bộ.

VIBRATION CONTROL IN DESIGN OF LARGE-SPAN COMPOSITE
CONCRETE-STEEL FLOORS
Abstract: Composite concrete-steel floors have been popular structural elements in a
wide range of building types including commercial, industrial and residential buildings in
Vietnam, due to their remarkable advantages in structural efficiency and speed of
construction. However, vibration of floors is not sufficiently considered during the design
of composite concrete-steel floors. Limiting the vibration to meet the criteria of human
comfort is one of important requirements in floor design. The thesis developed the
analytical procedure to evaluate the influence of human induced walking excitation on the
composite concrete-steel floors based on the Steel Design Guide 11 of the American
Institute of Steel Construction. The research also compared the acceleration calculated
from the analytical theory with that from the finite element method. Other parameters
having impact on vibration of composite concrete-steel floors were also investigated and
assessed.
Key words - composite floor; vibration; acceleration; deflection; walking
excitation.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả
năng chịu lực như nhau ...........................................................................13
Bảng 1.2. So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt
thép thường khi khả năng chịu lực như nhau .........................................14
Bảng 1.3. So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng,
một nhịp ..................................................................................................14
Bảng 1.4. So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng,
ba nhịp ....................................................................................................14

Hình 2.5. Sơ đồ đơn giản của phản ứng dao động. ...................................................23
Hình 2.6. Mô hình tải trọng thẳng đứng của người đi bộ. ........................................24
Hình 2.7. Hệ số động, α, so với tần số tự nhiên ........................................................25
Hình 2.8. Phản ứng xung bước chân .........................................................................26
Hình 2.9. Tổng trọng lượng của hệ thống sàn...........................................................30
Hình 2.10. Chiều rộng tham gia làm việc của dầm phụ ............................................31


Hình 2.11. Chiều rộng tham gia làm việc của dầm chính .........................................33
Hình 3.1. Diện tích ô sàn xét tính toán ......................................................................37
Hình 3.2. Mặt cắt ngang ô sàn...................................................................................38
Hình 3.3. Mặt bằng sàn mô phỏng ............................................................................45
Hình 3.4. Chi tiết ô sàn (2-3)/(B-C) xem xét dao động ............................................45
Hình 3.5. Gia tốc của sàn tại vị trí điểm a .................................................................46
Hình 3.6. Gia tốc của sàn tại vị trí điểm b ................................................................46
Hình 3.7. Giao thoa gia tốc của sàn tại vị trí điểm a và điểm b ................................47
Hình 3.8. So sánh phản ứng sàn trước và sau khi thay đổi chiều dày sàn ................47
Hình 3.9. Gia tốc tính toán khi tăng độ cứng dầm ....................................................48


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Sàn liên hợp thép bê tông hiện đang là công nghệ hàng đầu trong ngành xây
dựng của thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng. Trước kia, khi sử dụng các
kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước
các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và
giảm tính thẩm mỹ. Để khắc phục các nhược điểm trên, giải pháp kết cấu liên hợp


hợp thép - bê tông.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 V20 để mô phỏng
dao động 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 cơ sở 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 phần mềm SAP2000 V20 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
1.3. Đặc tính kết cấu liên hợp thép - bê tông
1.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép - bê tông so với kết cấu
khác
1.5. Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông
1.6. Kết luận chương I
Chương 2: Một số vấn đề về dao động của sàn liên hợp thép bê tông
2.1. Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép - bê tông
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)
2.3. Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ
2.4. Kết luận chương 2
Chương 3: Kiểm soát và hạn chế dao động trong sàn liên hợp thép bê
tông nhịp lớn
3.1. Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ
3.2. Khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông khi thiết kế
3.3. Kết luận chương 3
Kết luận và kiến nghị



4

1.1.1. Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế
giới
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông dùng
trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm.
Tại Mỹ, năm 1894, cầu Melan Arch được thiết kế bởi một kỹ sư người Áo J.
Melan được đánh dấu là ứng dụng liên hợp đầu tiên. Cầu vòm bê tông, cốt thép và
thép kết cấu vượt nhịp 30feet (~9m) qua một dòng suối ở một thành phố nhỏ Rock
Rapids ở Northvvest Iowa.

Hình 1.1. Cầu Melan Arch
Ở Châu Âu, những năm 1900, ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp thép – bê
tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bê tông
chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép ( theo giáo sư P.R. Knowles).
Khi sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông người ta nhận thấy rằng việc tạo ra
các chi tiết neo để tăng lực dính kết giữa bê tông và thép là cực kì quan trọng và
không thể thiếu được. Người ta băt đầu tạo liên kết giữa sàn bê tông và dầm thép
hình đỡ sàn bằng các liên kết cơ học. Những liên kết đó loại trừ hoặc là giảm sự
trượt tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép, vì thế sàn bê tông và dầm thép sẽ làm
việc chung tạo thành một kết cấu liên hợp gọi là “dầm liên hợp”

Hình 1.2. Dầm thép thường và dầm thép liên hợp
Ở Mỹ, chiếc cầu đầu tiên ứng dụng các chi tiết neo để tăng lực dính kết là
cầu xây dựng ở Piere, South Dakat, năm 1986 dù chưa có lý thuyết tính toán.
Sau những năm 1950 việc dùng thép tấm làm ván khuôn sàn và sau đó cùng
làm việc với bản sàn bê tông tạo nên kết cấu liên hợp thép – bê tông rất được phổ


Ở Việt Nam, lý thuyết tính toán cấu kiện liên hợp thép – bê tông (bê tông cốt
cứng) đã được đưa vào giáo trình “ Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện cơ
bản” xuất bản 1995, dựa vào lý thuyết tính toán của Nga. 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
.Với yêu cầu phát triển xây dựng hiện nay, loại kết cấu này chắc chắn sẽ được sử
dụng rộng rãi tại 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
Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở Mỹ cần kể đến tòa
nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA). Tòa nhà cấu tạo từ các mảng tường
bê tông cốt thép toàn khối ở bốn góc nhà, giữa các cột thép bọc bê tông, các sàn
dùng dầm thép đỡ bản sàn bê tông đổ tại chỗ liền với ván khuôn thép cố dịnh. Nhà
cao 778 feet (237 m), diện tích khoảng 2.000.000 feet vuông (185.806m2), chu kỳ
dao động riêng của nhà là 6,7 giây, chi phí thép cho nhà trung bình khoảng 16
found cho 1feet vuông (khoảng 78kG/m2)


7

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).

Hình 1.5. Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo)
Trụ sở của Citibank ở Duisburg (Germany), cao 15 tầng (72m), diện tích
14.500m2. Theo chiều cao, tòa nhà được xây dựng cứ 3m trong một tuần.


Hình 1.10. Khách sạn JW Marriott, Hà Nội
Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội gồm 2 tầng hầm và 21
tầng chức năng.

Hình 1.11. Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ


11

1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông
Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo khả năng chịu lực, độ cứng
dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc, kinh tế, thi công,
cũng như khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn.
1.3.1. Kiến trúc
Kết cấu liên hợp cho phép sự đa dạng trong kiến trúc bằng cách kết hợp các
cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu. Ngoài ra, với tiết diện nhỏ của dầm cho phép tạo
ra:
- Nhịp lớn hơn
- Sàn mỏng hơn
- Cột mảnh hơn
Những yếu tố trên tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế không gian kiến trúc.
1.3.2. Kinh tế
Tiết kiệm được nhiều chi phí do sử dụng cấu kiện có tiết diện nhỏ hơn (độ
cứng lớn có khả năng vượt nhịp lớn, giảm độ võng, giảm chiều cao tiết diện) và lắp
đặt nhanh trong thi công.
Lợi ích tỷ số nhịp và chiều cao được thể hiện:
- Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao toàn bộ công trình và tiết
kiệm được diện tích bao che;
- Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao dẫn đến tạo ra
những không gian rộng lớn, giảm số lượng cột trong mặt bằng;

- Cốt thép trong sàn: Cốt thép được đặt trong sàn sẽ tăng khả năng chịu
momen dương, chống co ngót, nút do nhiệt độ, chịu momen âm là bản liên tục. Sự
làm việc liên hợp đạt được khi sử dụng tấm thép sóng;
- Tốc độ thi công nhanh, đơn giản: Thép tấm có trọng lượng nhẹ thuận lợi
vận chuyển và cất giữ ở công trường. Một xe có thể vận chuyển 1500m2 thép tấm
làm sàn, một đội có thể lắp đặt 400m2 thép tấm trong ngày;
- Chất lượng cấu kiện: các cấu kiện bằng thép được chế tạo tại nhà máy dưới
sự quản lý nghiêm ngặt, giảm thiểu được các yếu tố phát sinh, tăng độ chính xác
cao.
Thi công, xây lắp một công trình kết cấu liên hợp thép – bê tông rất nhanh và
kinh tế chia ra thành các quá trình sau:
- Đầu tiên khung thép có giằng hoặc không giằng sẽ được lắp dựng, nếu các
ống thép được lắp vào trong kết cấu thì các lồng cốt thép đã được lắp đặt cố định ở
xưởng sản xuất;
- Các chi tiết truyền lực giữa bê tông và cốt thép như bracket, tấm thép đệm,
neo chống trượt đã được chuẩn bị tại công xưởng để tăng tốc độ xây lắp và phải
được lên kế hoạch chi tiết.Sau khi lắp đặt các cột xong, các dầm thép sẽ được lắp
vào giữa các cột (có thể chỉ gác lên các cột);
- Sàn bê tông đúc sẵn hoặc tấm thép tôn để làm sàn được gác lên phục vụ
như sàn công tác, tấm coppha;
- Cuối cùng đúc bê tông sàn và cột cùng một lúc. Sau khi bê tông đông cứng,
độ cứng và khả năng chịu lực của cột và dầm sẽ tăng lên, liên kết sẽ tự động chuyển
sang liên kết nửa cứng.
1.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác
Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn nhiều so với
kết cấu không liên hợp. Điều này thể hiện rõ qua kết quả so sánh thể hiện ở bảng


13



Dầm thép không có liên kết chịu cắt
IPE500
IPE360B

560

710

520

100%
100%
100%
100%

100%
159%
127%
72%

100%
214%
93%
46%


14

Bảng 1.2: So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông


100

100

Khung liên hợp – đàn hồi

84,5

92,5

Khung thép – đàn dẻo

89

95,5

Khung hỗn hợp – đàn dẻo

70

87

Loại khung

Bảng 1.4: So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu
tầng, ba nhịp [1]
Trọng lượng thép (%)

Tổng giá thành (%)

Bảng 1.5: So sánh trọng lượng thép dầm sàn [1]

Loại dầm

Trọng lượng thép, %

Dầm thép

100

Dầm liên hợp, có chống tạm khi thi công

73

Dầm liên hợp tạo ứng lực trước trong thép

55

1.5. Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông
1.5.1. Yêu cầu về cấu tạo của sàn liên hợp thép - bê tông
Sàn liên hợp sử dụng phổ biến trong nhà cao tầng bao gồm các thành phần:
tấm thép tôn định hình, cốt thép và bê tông đổ tại chỗ. Sự làm việc của sàn liên hợp
thép – bê tông là nhờ vào sự tiếp xúc giữa bê tông và thép.

Hình 1.12. Sàn liên hợp với tấm tôn thép định hình
Sàn liên hợp thép – bê tông là bản sàn một phương, các bản sàn gác lên các
dầm phụ được đỡ bởi các dầm chính đặt vuông góc với dầm phụ và gác lên các cột.
Tùy theo ô bản lớn hay bé mà sử dụng thanh chống trong quá trình thi công, các ô
bản có nhịp nhỏ hơn 3.5m thì không cần sử dụng thanh chống.
Cốt thép trong bản liên hợp được dùng để:

 b0/3 , với b0 là chiều rộng trung bình của sườn tấm tôn;
 31,5 mm (kích thước mắt sàn rây cốt liệu)

Hình 1.14. Kích thước của sàn và tấm tôn thép định hình
- Yêu cầu đối với gối tựa : gối tựa của sàn liên hợp phải có bề rộng nhỏ nhất
là 75mm đối với các loại khối thường như dầm thép hoặc dầm bê tông và 100mm


17

đối với các loại gối ít gặp như gạch đá.

Hình 1.15. Các dạng tạo liên kết điển hình trong sàn liên hợp
1.5.2. Sự làm việc của sàn liên hợp thép - bê tông
1.5.2.1. Ba dạng làm việc của bản liên hợp
- Tương tác hoàn toàn : không có trượt giữa thép và bê tông ở mặt tiếp xúc,
phá hoại có thể là giòn hoặc dẻo, lực tới hạn Pu lớn nhất;
- Không tương tác : trượt rất lớn xảy ra tại bề mặt tiếp xúc của bê tông và
thép, gần như không có sự truyền lực cắt, lực tới hạn Pu nhỏ nhất;
- Tương tác một phần : trượt bé, lực cắt truyền một phần, tải tới hạn Pu có giá
trị trung gian giữa hai trường hợp trên, phá hoại giòn hoặc dẻo.

Hình 1.16. Sự làm việc của sàn liên hợp
Độ cứng của sàn liên hợp :
- Thể hiện bằng phần đầu của đường cong P – δ;
- Độ cứng lớn nhất ứng với tương tác hoàn toàn.