BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HỒ THỊ LỰU SỬ DỤNG OUTRIGGER TRONG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA MĨNG CỌC Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số : 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Cơng trình hồn thành Đại học Đà Nẵng Người hướng dẫn khoa học: GS TS Phan Quang Minh Phản biện : GS.TS Phạm Văn Hội Phản biện :TS Trương Hồi Chính Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 09 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Nhà cao tầng xuất hậu việc tăng dân thành phố, thiếu đất xây dựng Việc xây dựng nhà cao tầng hàng loạt phản ánh quan điểm nhà thiết kế giải toán xây dựng đô thị Trong tương lai nhà cao tầng trở thành phận thiếu quần thể xây dựng lớn khu thị Dưới góc độ kĩ thuật, ngày việc thiết kế nhà cao tầng có thay đổi, để giảm tải trọng thường xuyên để tạo giải pháp không gian lớn người ta đưa vào dầm nhịp lớn, ngăn bên không chịu lực di chuyển được, kết cấu bao che không chịu lực Tất biện pháp làm giảm thực độ cứng nhà Lúc độ cứng ngang cơng trình trở thành yếu tố quan trọng độ bền tính tốn thiết kế cho nhà cao tầng Tải trọng ngang thiết kế nhà cao tầng trở thành vấn đề quan trọng Trong số tiêu chuẩn cho phép giá trị lớn chuyển vị đỉnh 1/500 chiều cao cơng trình Gia tốc đỉnh thông số quan trọng độ cứng ảnh hưởng đến cảm giác người sử dụng Gia tốc đỉnh lớn 0,15m/s2 gây khó khăn cho việc lại gây thăng lại đỉnh cơng trình u cầu kiểm sốt chuyển vị đỉnh gia tốc đỉnh điều kiện vật liệu có hạn đặt yêu cầu giải pháp kết cấu hợp lý cơng trình Một số hệ kết cấu phát triển kết hợp với nhà cao tầng để kiểm soát giảm phản ứng cơng trình với tải trọng gió Hệ thống dầm outrigger xem cách hiệu để tăng độ cứng kết cấu, giảm chuyển vị đỉnh kiểm sốt mơmen chân lõi cơng trình, sử dụng rộng rãi xây dựng nhà cao tầng giới Hệ kết cấu bao gồm kết cấu chính: hệ lõi, hệ cột hệ dầm (dàn) liên kết lõi cột Vì lí nên việc nghiên cứu hệ kết cấu cần thiết thực tiễn Đã có nghiên cứu ảnh hưởng kích thước lõi vị trí outrigger với cơng trình, mối quan hệ kích thước cột vị trí outrigger ảnh hưởng móng đến vị trí outrigger chưa xem xét Học viên lựa chọn đề tài “Sử dụng outrigger kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng ngang có xét đến làm việc móng cọc” với mong muốn có kiến thức sát thực nguyên lý làm việc hệ kết cấu này, phục vụ cho công việc chun mơn tính tốn, thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá ảnh hưởng móng cọc đến làm việc kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang Nội dung nghiên cứu + Nghiên cứu làm việc kết cấu nhà nhiều tầng có sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang khơng xét đến có xét đến làm việc đồng thời móng cọc + Nghiên cứu lựa chọn tối ưu việc bố trí outrigger theo chiều cao cơng trình Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu làm việc nhà cao tầng có sử dụng outrigger với ảnh hưởng tải trọng gió có xét đến khơng xét đến móng cọc sở phân tích cơng trình 35 tầng Từ kết tính tốn đánh giá ảnh hưởng móng cọc đến làm việc kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận chung, nội dung luận văn trình bày gồm có chương: + Chương 1: Tổng quan kết cấu nhà nhiều tầng có sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang + Chương 2: Kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang có xét đến làm việc móng cọc + Chương 3: Thí dụ tính tốn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG SỬ DỤNG OUTRIGGER CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 1.1 SỰ PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN LOẠI KẾT CẤU TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG 1.1.1 Sự phát triển hệ kết cấu 1.1.2 Phân loại hệ kết cấu nhà nhiều tầng Hệ kết cấu tòa nhà cao tầng chia thành hai nhóm chính: kết cấu bên kết cấu bên Phân loại dựa phân bố phần tử hệ kết cấu chịu tải ngang lên tồ nhà Một hệ phân loại kết cấu bên phần hệ chịu tải ngang nằm bên tòa nhà Tương tự vậy, phần chịu tải ngang nằm đường bao ngồi tồ nhà hệ phân loại kết cấu bên a Hệ kết cấu bên Trong nhóm này, hai loại hệ chịu tải ngang khung chịu lực vách Một hệ quan trọng khác loại kết cấu cốt lõi hỗ trợ outrigger, sử dụng rộng rãi cho tòa nhà siêu cao tầng nay, nội dung xem xét cụ thể mục 1.2 2.1 Khung chịu lực bao gồm phần tử ngang (dầm) dọc (cột) liên kết cứng với mặt phẳng Khung chịu tải chủ yếu thông qua độ cứng chống uốn phần tử Năng lực chịu tải trọng thẳng đứng kết cấu khung tuý lớn, lực chịu tải trọng ngang tương đối yếu, độ cứng phía mặt bên kém, chuyển vị nằm ngang tương đối lớn Kết cấu vách hệ kết cấu chịu lực cấu thành tường chịu lực sàn nhà Trong hệ này, tường chịu lực thay dầm, cột khung để chịu tải trọng đứng tải trọng ngang Do tường chịu lực nhà cao tầng việc phải chịu lực nén thẳng đứng tải trọng thẳng ứng gây ra, phải chịu lực trượt mômen tải trọng ngang sinh ra, ta gọi kết cấu tường chống trượt Khi hệ kết cấu khung, người ta lại bố trí số vách hình thành hệ kết cấu khác Đó hệ kết cấu khung - vách có tác động cộng khung vách Do kết cấu khung - vách có ưu điểm kết cấu khung vách nên nhanh chóng áp dụng rộng rãi việc xây dựng nhà công cộng khách sạn, nhà xưởng, kho tàng So với kết cấu khung tuý, hệ kết cấu tăng cường khả chịu tải trọng ngang, nâng độ cứng ngang nhà; trì ưu điểm linh hoạt bố cục mặt Hình 1.2 Sự tương tác khung tường cứng b Hệ kết cấu bên Một kết cấu bên ngồi điển hình ống, định nghĩa hệ kết cấu khơng gian sử dụng tồn chu vi cơng trình để chịu tải ngang Có nhiều cơng trình vượt 50 tầng sử dụng kết cấu dạng ống hình thức biến đổi khác Dạng ống có vài loại phụ thuộc vào khả kết cấu mà chúng cho chiều cao khác Ống giằng biến thể ống khung lần áp dụng 100 tầng - John Hancock Trung tâm năm 1970 Chicago Hệ bundled tube bó ống riêng lẻ liên kết với để làm việc thể Sears Tower – 110 tầng hoàn thành vào năm 1974 hệ bundled tube đầu tiên, hệ gồm ống khung thép nối với đến móng, số khác kết thúc mức khác dọc theo chiều cao nhà Một loại kết cấu bên hệ diagrid (hệ xiên) Hệ diagrid so sánh với hệ kết cấu phổ biến kết cấu outrigger Cơ cấu diagrid cung cấp độ cứng chống uốn cắt Như vậy, không giống kết cấu outrigger, kết cấu diagrid cao khơng cần lõi có độ cứng chống cắt cắt chịu diagrid nằm chu vi, với tòa nhà siêu cao tầng với hệ diagrid tăng cường gia cố cách tham gia cốt lõi, tạo hệ thống tương tự ống ống Các loại hệ chịu tải ngang nhóm kết cấu bên ngồi cịn có hệ dàn khơng gian – space truss, hệ siêu khung – super frames hệ sườn – exoskeleton Ngồi ra, hình 1.3 1.4 cho thấy khái niệm sơ lược hệ kết cấu nhóm Các giới hạn chiều cao trình bày có sở dựa kinh nghiệm tác giả dự đoán m phạm vi chấp nhận [3] Hình 1.3 Hệ kết cấu bên Hình 1.4 Hệ kết cấu bên ngồi 1.2 NG HỆ OUTRIGGER TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG 1.2.1 Giới thiệu hệ outrigger Hệ outrigger trước sử dụng thuy buồm để thuyền giúp chống lại lực gió buồm, làm cho cột buồm cao m mảnh ổn định mạnh mẽ Cột buồm có vai trị hệ lõi cơng trình, ngang có vai trò hệ outrigger dây neo giống h cột ng hệ Việc sử dụng Outrigger nhà cao tầng để kiểm soát chuy vị m chuyển đỉnh bắt đầu khoảng thập kỷ trước Tòa nhà s dụng u sử outrigger Place Victoria Building Montreal - Canada xây dựng năm thiết kế Nervi and Moretti Nó sử dụng Fazlur Khan nhà First Wisconsin Center - 42 tầng năm 1973 Milwaukee, Wisconsin Ngày hệ outrigger hệ kết cấu quan trọng sử dụng ngày nhiều nhà nhiều tầng Ứng dụng lớn hệ kết cấu nhà chọc trời đại Jin Mao Building Thượng Hải Taipei 101 Tower Đài Bắc Ngày hệ outrigger hệ kết cấu quan trọng sử dụng ngày nhiều nhà nhiều tầng Ứng dụng lớn hệ kết cấu nhà chọc trời đại Jin Mao Building Thượng Hải Taipei 101 Tower Đài Bắc Sở dĩ hệ outrigger ngày sử dụng nhiều ưu điểm mà mang lại Với nhà khoảng 30 – 70 tầng, lõi giằng thép tường lõi bê tông cốt thép thường hiệu cho việc chống lại tải ngang Trong lõi bê tông cốt thép, phần tử tường bị dư nơi lực kéo lớn phát triển dễ dàng hủy bỏ hiệu vốn có bê tơng việc chịu nén Tương tự vậy, lõi thép, chỗ nối hàn nối bu lơng q mức làm giảm đáng kể dễ dàng lắp đặt chế tạo Hệ outrigger làm giảm bớt vấn đề Một số ưu điểm khác hệ lõi outrigger khoảng cách cột bên ngồi dễ dàng đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ chức năng, hệ khung bao ngồi tịa nhà bao gồm khung dầm cột đơn giản mà không cần liên kết loại khung cứng Cho tòa nhà siêu cao tầng, kết nối outrigger với cột bên mở hệ mặt tiền linh hoạt, thẩm mỹ kiến trúc từ khắc phục nhược điểm hệ ống kín Ngồi ra, hệ thống outrigger có tiềm cho chiều lớn lên đến 150 tầng nhiều 1.2.2 Phân loại hệ outrigger Có thể phân thành loại dầm outrigger sử dụng nhà cao tầng Một dầm outrigger thông thường, hai dầm Outrigger “ảo” đề xuất Brian Stafford Smith Dầm Outrigger “ảo” thay đổi cải thiện vấn đề hạn chế dầm outrigger truyền thống a Hệ outrigger thông thường Hệ outrigger thông thường nối trực tiếp hệ lõi với hệ cột cơng trình Hình 2.1 ví dụ sử dụng outrigger nhà nhiều tầng với hai hệ dầm, hệ dầm đặt đỉnh hệ đặt nhà Hệ dầm tạo xiên hình X Với kết cấu tổng quát, số lượng hệ dầm bố trí tuỳ theo chiều cao cơng trình, thay đổi từ đến nhiều b Hệ outrigger ảo Nair (1998) nghiên cứu việc sử dụng đai kèo tầng hầm có vai trị hệ outrigger ảo kết cấu cơng trình Mơmen lật truyền từ hệ lõi tới hệ cột không cần kết nối trực hệ outrigger lõi Sự tách rời loại bỏ số vấn đề với việc sử dụng outrigger yêu cầu chịu lực hệ dầm, chiếm không gian sử dụng Hệ kết cấu sử dụng sàn cứng để truyền mômen lõi tới hệ dàn cặp ngẫu lực ngang, chuyển thành cặp ngẫu lực thẳng đứng cột 1.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG GIĨ 1.3.1 Ảnh hưởng cơng trình lân cận 1.3.2 Sự làm việc cơng trình theo phương tác dụng gió 10 Tầng cứng (outrigger ) Dàn đai biên (Belt truss) Lõi cứng Cột Hình 2.1 Hệ kết cấu bố trí hệ outrigger Cơ chế làm việc rằng, làm việc hệ kết cấu phụ thuộc vào số lượng tầng cứng đai biên (belt truss) Vì vậy, vị trí tầng cứng bố trí nhà cao tầng ảnh hưởng lớn đến làm việc tổng thể tòa nhà 2.1.2 Vai trò hệ outrigger làm việc kết cấu nhà nhiều tầng Hệ outrigger kết nối lõi cột ngồi chịu lực, ngơi nhà có một vài lõi cứng, sử dụng nhiều dải cứng ngang mức độ làm việc đồng thời lõi cứng với cột ngồi cao Khi có dải cứng ngang nhà làm việc kết cấu chỉnh thể mang lại nhiều hiệu sau: a Giảm mômen lõi b Giảm chuyển vị đỉnh c Phân phối tải trọng ngang 2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ HỆ OUTRIGGER TỚI SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ KẾT CẤU KHI KHƠNG XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA MĨNG CỌC 2.2.1 Mơ hình nghiên cứu hệ Khi hệ khơng xét đến làm việc móng cọc hệ xem ngàm cứng vào Mơ hình mơ tả hình 2.6 11 Hệ outrigger Hệ outrigger x h w Hệ cột biên Hệ lõi d/2 Hệ cột biên ngồi d/2 L Mặt Hình dạng chuyển v n vị a Hình 2.6 Hệ kết cấu khơng xét đến làm việc móng 2.2.2 Xem xét ảnh hưởng vị trí outrigger a Trường hợp outrigger đặt đỉnh Với M1 K1 mơmen độ cứng đàn hồi vị trí z = L: wL3 / 6EI M1 = (2.4) / K1 + L / EI AE d (2.5) L A: diện tích cột biên E: môđun đàn hồi cột L: chiều cao công trình d: khoảng cách cột biên ngồi t Kết chuyển vị đỉnh cơng trình nhận đư việc n cộng tác dụng chuyển vị cơng xơn tải trọng ngồi phân b ng bố w chuyển vị mômen đàn hồi, đó: Trong đó: K1 = D1 = Dload - Dspring wL4 M1L2 = 8EI 2EI L2 ỉ wL2 = - M1 ữ ỗ 2EI ố ứ (2.6) 12 b Trường hợp outrigger đặt 3/4 chiều cao Với M2là mơmen vị trí z = 3/4L: M2 = 1,31M1 (2.12) Tương tự trường hợp 1, chuyển vị đỉnh cơng trình là: wL4 M 3L ổ 3L D2 = ỗL ữ 8EI 4EI è ø (2.13) L2 ỉ wL2 = - 1, 23M1 ữ ỗ 2EI ố ứ c Trường hợp outrigger đặt Với M3 mơmen vị trí z = 1/2L: ỉ wL3 / 6EI 7 M3 = ỗ ữ = M1 è 1/ K1 + L / EI ø 4 Chuyển vị đỉnh cơng trình là: wL4 M3 L ổ Lử D3 = ỗL - ữ 8EI 2EI ố 4ứ L2 ổ wL2 = - 1,31M1 ữ ỗ 2EI è ø (2.15) (2.16) d Trường hợp outrigger đặt 1/4 chiều cao Với M3 mômen vị trí z = 1/4L: ỉ wL3 / 6EI M4 = ỗ ữ 2,3 = 2,3M1 ố / K1 + L / EI ø Chuyển vị đỉnh cơng trình là: wL4 M L ỉ Lư D4 = ỗL - ữ 8EI 4EI ố 8ứ L2 ổ wL2 = - M1 ữ ỗ 2EI ố ø (2.18) (2.19) 13 2.2.3 Vị trí tối ưu outrigger trường hợp hệ kết cấu có lớp outrigger Để tìm vị trí tối ưu hệ kết cấu đặt hệ outrigger, Taranath giả sử: - Tịa nhà hình lăng trụ thẳng đứng khơng đổi, cột bên ngồi có tiết diện khơng đổi lõi có mơmen qn tính khơng đổi theo suốt chiều cao - Hệ outrigger giàn đai biên độ cứng chịu uốn - Độ bền chống chịu tải ngang cung cấp độ bền chịu uốn lõi tác động bảo vệ cột biên - Lõi ngàm cứng với - Sự xoay lõi biến dạng chịu cắt lõi bỏ qua - Tải trọng ngang không đổi theo suốt chiều cao - Các cột biên liên kết khớp với Để đánh giá vị trí tối ưu, mơmen phục hồi Mx hệ outrigger đặt vị trí x ước lượng Tiếp theo, phương trình đại số độ võng lõi đỉnh Mx gây suy Đạo hàm phương trình cho kết đa thức bậc 3, lời giải cho đa thức kết cho vị vị trí tối ưu tương ứng với độ võng nhỏ đỉnh nhà gây tải trọng ngồi Và đa thức bậc là: 4x3 + 3x L - L3 = (2.20) Phương trình có nghiệm dương đơn giản x=0,455L, xác định phương pháp thử dần Đo đó, để độ lệch nhỏ outrigger phải đặt vị trí x=0,455L, vị trí xấp xỉ với tịa nhà 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ HỆ OUTRIGGER TỚI SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ KẾT CẤU KHI XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA MĨNG CỌC 2.3.1 Mơ hình nghiên cứu hệ Khi hệ xét đến làm việc móng cọc hệ xem ngàm đàn hồi vào Mơ hình mơ tả hình 2.14, mơ hình nghiên cứu J.C.D.Hoenderkamp 14 Hệ outrigger Hệ outrigger Hệ cột biên Hệ lõi Hệ cột biên Cọc Mặt Hình dạng chuyển vị Hình 2.11 Mơ hình hệ kết cấu xét đến làm việc móng 2.3.2 Xem xét ảnh hưởng vị trí outrigger a Sự xoay lõi Sự xoay lõi kết tải trọng ngang phân bố w mômen ngàm M gây tác động ngược lại outrigger Sự xoay tầng outrigger lõi uốn móng lõi xoay mơ tả hình 2.12 Khi lõi giả sử mặt phẳng tiết diện phẳng uốn xoay theo đường trung tâm lõi giống mặt phẳng khác lõi - Sự xoay tải trọng ngang w Sự xoay lõi bê tông cốt thép lõi chịu uốn x biểu thị qua cơng thức sau: q s ,b ,w = w (H3 - x3 ) 6EI s (2.21) Trong đó:H : chiều cao hệ kết cấu x : khoảng cách xác định từ xuống kết cấu EIs: độ cứng chống uốn lõi bê tông cốt thép Sự xoay lõi bê tơng cốt thép móng lõi xoay: qs,Cs ,w = wH 2Cs (2.22) 15 Trong đó:Cs: độ cứng chống xoay móng lõi bê tơng cốt thép - Sự xoay mômen ngàm M Sự xoay lõi bê tông cốt thép lõi chịu uốn x: qs,b,M = - M (H - x ) (2.23) EIs Sự xoay lõi bê tông cốt thép móng lõi xoay: qs,Cs ,M = - M Cs (2.24) Lưu ý: Dấu trừ công thức 2.22 2.23 có nghĩa góc xoay M gây có hướng ngược lại với w gây b Sự quay outrigger - Sự xoay lực hãm Fr Ứng xử lõi uốn gây tải trọng ngang w cho kết xoay outrigger thân cứng mơ tả hình 2.15 Sự xoay ngược outrigger uốn cho công thức sau: é w ( H3 - x3 ) ù c ú qr ,b,w = - ê (2.35) 6EIs ê úb ë û Sự xoay ngược outrigger móng lõi xoay chịu tải trọng ngang mơ tả hình 2.16 Sự xoay thân cứng outrigger biểu thị qua cơng thức sau: é wH ù c (2.37) qr,Cs , w = - ê ú ë 2Cs û b Mômen ngàm gây xoay thân cứng outrigger Hệ lõi cong ngược hướng với outrigger hình 2.15 2.16 Sự xoay thân cứng outrigger mômen ngàm theo hướng chiều kim đồng hồ Sự xoay outrigger mômen ngàm gây uốn lõi: é M (H - x ) ù c q r,b,M = ê ú EIs ë ûb (2.39) 16 Sự xoay outrigger mômen ngàm gây móng lõi xoay: éM ù c (2.41) q r ,Cs ,M = ê ú ë Cs û b - Sự xoay lực hãm Fa Lực hãm cột biên gây hai cách xoay thân cứng outrigger: xuất phát từ co ngắn giãn cột biên hai chuyển vị thẳng đứng móng cột Đầu tiên, xoay outrigger định nghĩa thay đổi chiều dài cột phân chia chiều dài outrigger Chỉ dẫn cho ta công thức: qr,a,Fa = M(H - x)a EIc (2.44) Tiếp theo, xoay outrigger định nghĩa chuyển vị móng cột phân chia chiều dài outrigger qr,Cc ,Fa = aM Cc (2.47) c Chuyển vị ngang đỉnh cơng trình Để có xoay tương thích x yêu cầu góc xoay lõi qs, outrigger qr mặt tiếp xúc chúng phải giống Đặt hai tham số uốn đặc trưng là: S1 = Và: S2 = H H + EIs EIc b 1 + + + 24a EIr GAr Cs Cc Công thức mômen ngàm M: é w ( H - x ) wH ù é ù H úê M=ê + ú 6EIs 2Cs ú ê ( H - x ) S1 + HS2 ú ê û ë ûë Công thức chuyển vị ngang đỉnh cơng trình: (2.50) (2.51) (2.52) 17 y top = 2 wH wH M ( H - x ) MH + 8EI s 2C s 2EI s Cs (2.53) 2.3.3 Vị trí tối ưu hệ outrigger xét đến làm việc móng Theo cơng thức 2.53 ta có cơng thức cho chuyển vị giảm là: é H2 - x H ù (2.54) y red = M ê + ú Cs û ë 2EIs Trong cơng thức 2.54 có hai tham số không thứ nguyên đặc trưng cho kết cấu lõi giằng outrigger: gH = Và: w= HCs EIs (2.56) S2 S1 (2.57) Vị trí outrigger , x/H Tham số vị trí khơng thứ ngun cho vị trí tối ưu outrigger: x x= (2.58) H Hình 2.17 biểu đồ biểu thị vị trí tối ưu outrigger chiều cao kết cấu lõi có giằng outrigger xét đến làm việc móng hai tham số đặc trưng không thứ nguyên, gH w Giá trị w Hình 2.17 Vị trí tối ưu outrigger 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương trình bày vai trị hệ outrigger cơng trình nhà cao tầng chịu tải trọng ngang lý thuyết vị trí tối ưu hệ outrigger xét đến làm việc móng khơng xét đến làm việc móng thơng qua nghiên cứu Hoenderkamp Taranath Trên sở lý thuyết chương trình bày chi tiết qua thí dụ tính tốn, để có đánh giá ảnh hưởng móng cọc đến làm việc kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang CHƯƠNG THÍ DỤ TÍNH TỐN 3.1 GIỚI THIỆU Trong chương trình bày thí dụ tính tốn để đánh giá làm việc cơng trình sử dụng hệ dầm outrigger chịu tải trọng ngang có xét đến khơng xét đến làm việc móng cọc Qua đánh giá ảnh hưởng móng cọc đến làm việc kết cấu nhà nhiều tầng sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang v Thông số cơng trình • Cơng trình gồm 35 tầng, chiều cao tầng 3m • Chịu tải trọng gió phân bố khơng đổi suốt chiều cao cơng trình 1,8kN/m2 • Mặt kết cấu cho hình 3.1, với hệ outrigger giống nhau, hệ outrigger gồm có hai dàn thép ngang bố trí hai bên Mỗi dàn có chiều dài 9m, chiều cao chiều cao tầng 3m dàn chia thành đoạn giằng dạng chữ X hình 3.2 • Dàn outrigger có diện tích cánh Ar=2,42.10-2m2, diện tích xiên Ad=1,49.10-2m2 • Diện tích cột biên Ac=3,12.10-2m2 • Độ cứng chống uốn lõi bê tơng cốt thép EIs=1,35.109kNm2 • Độ cứng chống xoay móng lõi Cs=2,3.108 kNm • Độ cứng dọc trục móng cột k=4.105kN/m 19 • Mơđun đàn hồi thép E=2,1.108kN/m2 Các vách chịu lực giằng outrigger 10m Vách chịu lực bê tông cốt thép K 10m 10m 10m 10m 10m 10m 10m Hình 3.1 Mặt kết cấu tầng đặt hệ outrigger 3.2 TÍNH TỐN 3.2.1 Xét đến làm việc móng Để áp dụng biểu đồ hình 2.17 tìm vị trí tối ưu outrigger cho hệ kết cấu ta phải xác định thơng số w, gH Các bước tính toán sau: - Độ cứng chống uốn outrigger theo công thức 2.31 là: EA r h 2,1.108.2, 42.10 -2.32 EI r = = = 2,29.107 (kNm ) 2 Tổng độ cứng chống cắt outrigger theo công thức 2.33 là: n GAr = å( GAi ) i =1 Trong đó: n =10 tổng giằng outrigger (xem hình 3.2), GAi độ cứng chống cắt giằng đơn lẻ outrigger Ta có độ cứng chống cắt giằng đơn lẻ outrigger là: 20 GAi,X = 2a 2h EAd = d3 ( 2.22.3 +3 2 ) 2,1.108.1,49.10-2 = 1,6.106 (kN) n Þ GAr = å( GAi ) = 10.1,6.106 = 1,6.107 (kN) i =1 - Tổng độ cứng chống uốn cho hệ cột biên ngồi theo cơng thức 2.43 là: EIc = 2EAcl2 = 2.2,1.108.152 = 2,95.109 (kNm2 ) - Tổng độ cứng chống xoay cho móng hệ cột biên ngồi theo cơng thức 2.46 là: - Cc = 2l2 k = 2.152.4.105 = 1,8.108 (kNm) l 15 a = = = 1,5 Tham số a theo công thức 2.29: b 10 Hai tham số uốn đặc trưng theo công thức 2.50 2.51 là: S1 = H H 105 105 + = + = 1,13.10-7 (kNm)-1 EIs EIc 1,35.10 2,95.109 S2 = = b 1 + + + 24a EI r GA r Cs Cc 10 1 + + + 7 24.1,5 2,29.10 3.1,5 1,6.10 2,3.10 1,8.108 = 2,72.10-8 (kNm) -1 - Hai tham số không thứ nguyên đặc trưng cho kết cấu lõi giằng outrigger theo công thức 2.56 2.57 là: HCs 105.2,3.108 S 2,72.10-8 gH = = = 17,889 ; w = = = 0.24 S1 1,13.10-7 EIs 1,35.109 - Từ hai tham số w, gH tra biểu đồ hình 2.17 ta xác định vị trí tối ưu outrigger cho hệ kết cấu: 21 x= x = 0,4 H Þ x = 0, 4.105 = 42 (m) Như outrigger bố trí gần nửa chiều cao cơng trình, nghĩa gần với 50%H - Mômen ngàm M xác định công thức 2.52: - Chuyển vị ngang đỉnh cơng trình xác định cơng thức 2.53: é w ( H - x ) wH ù é ù H úê M=ê + ú 6EIs 2Cs ú ê ( H - x ) S1 + HS2 ú ê û ë ûë é 22,5 (1053 - 423 ) 22,5.1052 ù é ù 105 úê =ê + -7 -8 ú 2.2,3.10 ú ê (105 - 42 )1,13.10 + 105.2,72.10 ú ê 6.1,35.10 û ë ûë = 3,72.10 (kNm) y top = 2 wH4 wH3 M ( H - x ) MH + 8EIs 2Cs 2EIs Cs 2 22,5.1054 22,5.1053 3,72.10 (105 - 42 ) 3,72.104.105 = + 8.1,35.109 2.2,3.108 2.1,35.109 2,3.108 = 0,1651 (m) - Chuyển vị giảm là: é H2 - x H ù é1052 - 42 105 ù y red = M ê + ú = 3,72.104 ê + ú = 0.145 (m) Cs û 2,3.108 û ë 2.1,35.10 ë 2EIs Chuyển vị đỉnh cơng trình khơng có outrigger là: y= - wH wH3 22,5.1054 22,5.1053 + = + = 0,31 (m) 8EIs 2Cs 8.1,35.109 2.2,3.108 Do đó, chuyển vị ngang đỉnh cơng trình giảm so với khơng có outrigger là: % y red = y red 0.145 100 = 100 = 46,77 % y 0.31 22 - Ta có mơmen chân cơng trình khơng có outrigger là: wH 22,5.1052 MH = = = 1,24.105 (kNm) 2 - Do đó, mơmen giảm so với khơng có outrigger là: M 3,72.104 %M red = 100 = 100 = 30,03 % MH 1, 24.105 Tương tự vậy, xét trường hợp sau: độ cứng chống xoay móng lõi tuyệt đối cứng Cs = µ; độ cứng tịnh tiến cho móng cột tuyệt đối cứng Cc = µ; độ cứng chống cắt cho giằng outrigger tuyệt đối cứng GAr = µ; trường hợp Cs = Cc = GAr = µ; thực bước tính tốn ta kết bảng 3.1 Bảng3.1Kết phân tích xét đến làm việc móng Các thơng số w gH x (m) M (kNm) %Mred ytop (m) yred (m) %yred Móng mềm 0,24 17,889 42 37248 30,03 0,165 0,145 46,72 Cs = µ Cc= µ GAr = µ Cs = Cc = GAr = µ 0,202 µ 36,75 31860 25,69 0,139 0,114 45,08 0,191 17,889 44,625 40373 32,55 0,156 0,154 49,54 0,159 17,889 46,2 42712 34,44 0,150 0,160 51,68 0,071 µ 44,1 40309 32,50 0,118 0,136 53,53 3.2.2 Không xét đến làm việc móng Áp dụng cơng thức (2.4); (2.6);(2.12);(2.13);(2.15);(2.16); (2.18) và(2.19) ta có kết khơng xét đến làm việc móng sau: Bảng 3.2Kết phân tích khơng xét đến làm việc móng M (kNm) ∆ (m) Outrigger Outrigger Outrigger Outrigger được đặt đặt 3/4 chiều đặt 1/2 chiều cao đặt 1/4 chiều cao đỉnh x = cao x = 6,25m x = 52,5m x = 78,75m 28359 37150 49628 65225 0,137 0,111 0,102 0,137 23 3.3 NHẬN XÉT Qua kết phân tích trình bày chương 3, rút nhận xét sau: 3.3.1 Khi không xét đến làm việc móng - Vị trí cho kết chuyển vị bé 50% chiều cao cơng trình - Vị trí làm giảm mơmen chân lõi cơng trình nhỏ 25% chiều cao cơng trình, hạ thấp vị trí outrigger cho mơmen chân lõi cơng trình lớn - Do đó, vị trí tối ưu cho outrigger khơng xét đến làm việc móng 50% chiều cao cơng trình 3.3.2 Khi xét đến làm việc móng - Vị trí tối ưu outrigger xét đến làm việc móng 40% chiều cao cơng trình, vị trí tối ưu outrigger xét đến làm việc móng gần với vị trí tối ưu outrigger không xét đến làm việc móng - Khi tăng độ cứng chống xoay móng lõi làm di chuyển vị trí tối ưu outrigger lên cao hệ kết cấu không làm tăng hiệu chịu tải ngang chúng - Khi tăng độ cứng móng cột biên làm hạ thấp vị trí tối ưu outrigger làm tăng hiệu chịu tải ngang chúng, cụ thể làm giảm chuyển vị ngang đỉnh giảm mơmen uốn lõi cơng trình - Khi tăng độ cứng chống cắt outrigger làm hạ thấp vị trí tối ưu outrigger tăng hiệu chúng - Khi tăng đồng thời độ cứng chống xoay móng lõi, độ cứng móng cột biên độ cứng chống cắt outrigger làm hạ thấp vị trí tối ưu outrigger tăng hiệu chúng 24 KẾT LUẬN Việc sử dụng hệ dầm outrigger giải pháp kết cấu hiệu để tăng độ cứng ngang cho cơng trình việc tìm vị trí tối ưu outrigger yêu cầu quan trọng dùng giải pháp kết cấu Trong phạm vi đề tài nghiên cứu: “Sử dụng outrigger kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng ngang có xét đến làm việc móng cọc” rút kết sau: - Vị trí tối ưu outrigger xét đến làm việc móng 40% chiều cao cơng trình, vị trí tối ưu outrigger xét đến làm việc móng gần với vị trí tối ưu outrigger khơng xét đến làm việc móng - Khi tăng độ cứng chống xoay móng lõi làm di chuyển vị trí tối ưu outrigger lên cao hệ kết cấu không làm tăng hiệu chịu tải ngang chúng - Khi tăng độ cứng móng cột biên làm hạ thấp vị trí tối ưu outrigger làm tăng hiệu chịu tải ngang chúng, cụ thể làm giảm chuyển vị ngang đỉnh giảm mơmen uốn lõi cơng trình - Khi tăng độ cứng chống cắt outrigger làm hạ thấp vị trí tối ưu outrigger tăng hiệu chúng - Khi tăng đồng thời độ cứng chống xoay móng lõi, độ cứng móng cột biên độ cứng chống cắt outrigger làm hạ thấp vị trí tối ưu outrigger tăng hiệu chúng Ø Hướng nghiên cứu Nhà cao tầng sử dụng nhiều hệ outrigger chịu tải trọng ngang có xét đến làm việc móng cọc ... tầng sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang Nội dung nghiên cứu + Nghiên cứu làm việc kết cấu nhà nhiều tầng có sử dụng outrigger chịu tải trọng ngang không xét đến có xét đến làm việc đồng thời... dụng outrigger chịu tải trọng ngang CHƯƠNG THÍ DỤ TÍNH TỐN 3.1 GIỚI THIỆU Trong chương trình bày thí dụ tính tốn để đánh giá làm việc cơng trình sử dụng hệ dầm outrigger chịu tải trọng ngang. .. cứng ngang cho cơng trình Sự làm việc hệ kết cấu trình bày cụ thể chương CHƯƠNG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG SỬ DỤNG OUTRIGGER CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA MÓNG CỌC 2.1 SỰ LÀM VIỆC