BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - ĐÀO HUY TÂN NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG CÓ XÉT ĐẾN TẢI TRỌNG ĐỘNG TẠI HẢI PHÒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng & Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHẠM VĂN THỨ Hải Phòng, 2015 MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Với tiến không ngừng khoa học công nghệ, công trình xây dựng Thế giới nói chung Việt Nam nói riêng phát triển với cấp tiến chiều cao độ phức tạp Đặc trưng chủ yếu nhà cao tầng số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng nặng, chịu tác động tải trọng ngang Khi chiều cao công trình tăng mức độ phức tạp tính toán thiết kế gia tăng theo Đặc biệt việc xác định phản ứng công trình trước yếu tố tác động điều kiện bên tải trọng gió, động đất, … Tại Hải Phòng, số lượng nhà cao tầng ít, mặt khác chiều cao nhà cao tầng tương đối nhỏ nên việc nghiên cứu tính toán hạn chế Là người công tác ngành xây dựng Hải Phòng, chọn nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu tính toán nhà cao tầng có xét đến tải trọng động Hải Phòng" để làm rõ ảnh hưởng tải trọng động tác dụng lên công trình Từ có biện pháp phù hợp để công trình đảm bảo khả chịu lực tác dụng tải trọng động Mục đích đề tài - Nghiên cứu làm việc thiết kế khung chịu tải trọng ngang - Các phương pháp xác định tải trọng gió động đất tác dụng lên công trình Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép xây dựng Hải Phòng - Phạm vi nghiên cứu: công trình nhà cao tầng, kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tải trọng gió động đất Phƣơng pháp nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết tính toán tác động tải trọng gió động đất theo phương pháp khác - Phân tích, tính toán dạng dao động riêng, chu kỳ, biên độ tải trọng động tác dụng lên nhà cao tầng phương pháp phần tử hữu hạn Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nghiên cứu tính toán nhà cao tầng chịu tải trọng động có ý nghĩa khoa học thực tiễn Kết nghiên cứu luận văn sử dụng: - Tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên nghành xây dựng trường Đại học, Cao đẳng - Tài liệu tham khảo cho kỹ sư, cán kỹ thuật xây dựng Bố cục luận văn Luận văn gồm nội dung sau: Chƣơng Tổng quan kết cấu nhà cao tầng nguyên lý tính toán Chƣơng Cơ sở lý thuyết tính toán nhà cao tầng tác dụng tải trọng động Chƣơng Tính toán nhà cao tầng tác dụng tải trọng động Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN 1.1 Khái niệm nhà cao tầng 1.1.1 Nguyên nhân xuất nhà cao tầng Hải Phòng thành phố Cảng quan trọng, trung tâm công nghiệp lớn phía Bắc Việt Nam, đồng thời trung tâm kinh tế, văn hóa, giáo dục, khoa học, thương mại công nghệ vùng duyên hải Bắc Hải Phòng thành phố lớn thứ có dân số đông thứ Việt Nam Do phát triển mạnh mẽ kinh tế xã hội dẫn đến số khu vực nội đô dân số tập trung ngày đông đúc, nhu cầu nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn, … tăng lên đánh kể, quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều văn phòng công ty gần yếu tố thúc phát triển kinh tế, giảm chi phí vận hành … Điều thúc đẩy hình thành phát triển nhà cao tầng 1.1.2 Định nghĩa phân loại nhà cao tầng a Định nghĩa Theo Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: "Ngôi nhà mà chiều cao yếu tố định điều kiện thiết kế, thi công sử dụng khác với nhà thông thường gọi nhà cao tầng" b Phân loại - Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc dịch vụ khác - Phân loại theo hình dạng: + Nhà tháp: mặt vuông, tròn, tam giác hay đa giác Việc giao thông theo phương đứng, tập trung khu vực (khách sạn, phòng làm việc) + Nhà dạng thanh: mặt hình chữ nhật, có nhiều đơn vị giao thông theo phương đứng (nhà ở) - Phân loại theo chiều cao nhà: + Nhà cao tầng loại I: từ đến 16 tầng (từ 40 đến 50m) + Nhà cao tầng loại II: từ 17 đến 25 tầng (dưới 80m) + Nhà cao tầng loại III: từ 26 đến 40 tầng (dưới 100m) + Nhà cao: 40 tầng (trên 100m) - Phân loại theo vật liệu dùng để thi công kết cấu chịu lực: + Nhà cao tầng bê tông cốt thép + Nhà cao tầng thép + Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép thép Về mặt kết cấu, công trình định nghĩa cao tầng độ bền vững chuyển vị tải trọng ngang định Tải trọng ngang bao gồm tải trọng gió, động đất, … 1.2 Tải trọng tác động a Tải trọng thẳng đứng - Tải trọng thường xuyên: tải trọng có vị trí, phương, chiều tác động giá trị không đổi trình sử dụng - Tải trọng thạm thời: tải trọng tác động không thường xuyên như: người, vật dụng nhà … có phương, chiều, điểm đặt giá trị thay đổi b Tải trọng ngang - Tải trọng gió tác động khí hậu thời tiết thay đổi theo thời gian, độ cao, địa điểm dạng áp lực mặt hứng gió hút gió nhà - Tải trọng động đất tải trọng đặc biệt, lực quán tính phát sinh công trình đất chuyển động Tải trọng động đất tác dụng đồng thời theo phương thẳng đứng phương ngang Trong tính toán kết cấu nhà cao tầng thường xét đến tác động ngang tải trọng động đất c Các loại tải trọng khác - Tác động co ngót, từ biến bê tông - Tác động ảnh hưởng lún không - Tác động ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ, độ ẩm môi trường - Tác động sai lệch thi công, thi công công trình lân cận… Ngoài có tải trọng đặc biệt khác phát sinh hoạt động người hỏa hoạn, cháy nổ, máy móc, xe cộ, thiết bị va đập vào công trình … 1.3 Các vấn đề thiết kế nhà cao tầng Khi thiết kế nhà cao tầng cần đảm bảo vấn đề sau: - Thỏa mãn yêu cầu kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng Đảm bảo độ bền ổn định - Đảm bảo độ cứng, chuyển vị ngang - Nhà cao tầng phải có khả kháng chấn cao - Kết cấu chịu lực phương đứng phương ngang (khung, vách, lõi cứng) chọn, bố trí hợp lý - Giảm trọng lượng thân - Có khả chịu lửa cao, thoát hiểm an toàn 1.4 Sự làm việc hệ kết cấu nhà cao tầng 1.4.1 Các hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng a Các cấu kiện chịu lực - Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, chống, giằng - Cấu kiện dạng tấm: tường (vách đặc có lỗ cửa), sàn (sàn phẳng, sàn sườn, loại panen đúc sẵn có lỗ nhiều lớp …) - Cấu kiện không gian: vách nhiều cạnh hở khép kín, tạo thành hộp bố trí bên nhà, gọi lõi cứng Ngoài lõi cứng bên trong, có dãy cột bố trí theo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành hệ khung biến dạng tường vây Tiết diện cột biên đặc rỗng Khi cột rỗng hình hộp vuông hình tròn tạo nên hệ kết cấu gọi ống ống b Các hệ kết cấu chịu lực - Các hệ kết cấu bản: kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực, kết cấu lõi cứng kết cấu ống - Các hệ kết cấu hỗn hợp: kết cấu khung - giằng, kết cấu khung - vách, kết cấu ống - lõi kết cấu ống tổ hợp - Các hệ kết cấu đặc biệt: kết cấu có tầng cứng, kết cấu có hệ dầm truyền, kết cấu có hệ giằng liên tầng kết cấu có khung ghép 1.4.2 Phƣơng pháp lựa chọn hệ kết cấu nhà cao tầng a Lựa chọn theo chiều cao, số tầng Để đảm bảo độ cứng, hạn chế chuyển vị ngang, tránh ổn định tổng thể cần hạn chế chiều cao độ mảnh (tỷ lệ chiều cao chiều rộng công trình) lấy theo bảng sau: Bảng 1.1: Bảng chiều cao tối đa (m) tỷ số giới hạn chiều cao chiều rộng H/B (Nguồn bảng 1.2 - Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép - PGS TS Lê Thanh Huấn) Hệ kết cấu Trường hợp động đất Trường hợp có động đất cấp ống Nhà vách MaxH = H/B Nhà ống MaxH = H/B ống ống 60m 60-55m 45m 25m 5-5 130m 130-120m 100m 50m 5-5 140m 140-120m 120m 60m khung MaxH = H/B Nhà vách khung Nhà khung MaxH = H/B 6-6 4 180m 180-150m 120m 70m 6-6 b Bố trí mặt kết cấu Để tránh bất lợi biến dạng xoắn, mặt nhà cần chọn hình đơn giản, có trục đối xứng phương, đặc biệt đối xứng cách bố trí kết cấu chịu lực Khi bố trí kết cấu chịu lực nhà cao tầng chịu tải trọng động đất cần ý: - Mặt nên đối xứng hai phương trục nhà - Mối quan hệ chiều dài (L), chiều rộng công trình (B), độ nhô phận công trình (l), vị trí góc lõm mặt cần thỏa mãn yêu cầu bảng sau: Bảng 1.2: Bảng giới hạn L, B, l (Nguồn bảng 1.3 - Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép - PGS TS Lê Thanh Huấn) Cấp động đất L/B L/Bmax l/b ≤6 ≤5 ≤2 ≤5 ≤4 ≤ 1.5 c Bố trí khe co giãn nhiệt, khe lún, khe kháng chấn Khe kháng chấn phải đặt theo suốt chiều cao công trình, kéo tới móng Khe biến dạng xác định sở xác định chuyển vị lớn thường tầng mái công trình tổ hợp tải trọng bất lợi gây theo công thức: Dmin = u1 + u2 + 20mm Trong đó: u1 u2 chuyển vị lớn theo phương nằm ngang hai khối kết cấu kề Khi công trình nằm vùng có động đất chiều rộng khe lún, khe co dãn phải lấy lớn bề rộng tối thiểu khe kháng chấn theo bảng sau: Bảng 1.3: Bảng bề rộng tối thiểu khe kháng chấn (mm) (Nguồn bảng 1.5 - Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép - PGS TS Lê Thanh Huấn) Cấp động đất thiết kế (MSK-64) Hệ kết cấu Khung 4H + 10 5H - 7H - 35 10H - 80 Khung - vách cứng 3.5H + 4.2H - 6H - 30 8.5H - 68 Vách - lõi 2.8H + 3.5H - 5H - 25 7H - 55 Ghi chú: H - Độ cao mái đơn nguyên thấp đơn nguyên kế tính mm d Bố trí kết cấu theo phƣơng thẳng đứng Trong nhà cao tầng cần thiết kế kết cấu chịu lực có độ cứng đồng đều, tránh thay đổi đột theo chiều cao Trên mặt cắt thẳng đứng, kết cấu cần đạt đến độ đối xứng hình học khối lượng (chất tải) Sự thay đổi đột ngột độ cứng hệ kết cấu (như việc thông tầng, giảm cột dạng cột hẫng, dạng sàn dật cấp) việc dùng sơ đồ kết cấu có cánh mỏng kết cấu dạng công xon dài theo phương ngang nhà gây bất lợi tác động tải trọng động d.1 Bố trí khung chịu lực Nên chọn sơ đồ khung cho tải trọng tác động theo phương ngang thẳng đứng truyền trực tiếp ngắn xuống móng Tránh sử dụng sơ đồ khung hẫng cột tầng Nếu bắt buộc phải hẫng cột vậy, phải có giải pháp tăng cường dầm đỡ có đủ độ cứng chống uốn cắt tác động tải trọng tập trung lớn Không nên thiết kế dạng khung thông tầng Khi thiết kế khung cần chọn độ cứng tương đối dầm nhỏ cột nhằm tránh khả cột bị phá hoại trước dầm d.2 Bố trí vách cứng Trong mặt nhà hình chữ nhật nên bố trí từ vách trở lên theo phương Vách theo phương ngang cần bố trí đặn, đối xứng vị trí Quận An Dương Loại đất C - Hệ số tầm quan trọng 1 1.25 - Đặc điểm kết cấu Cấp dẻo DCM Loại kết cấu Hệ khung Theo mặt đứng Đều đặn kw 1.00 * Các thông số dẫn xuất Thông số - Gia tốc quy đổi Ký hiệu Đơn vị Giá trị agRo 0.1334 agR 1.3087 - Gia tốc thiết kế ag 1.6358 - Thông số xác định phổ S 1.15 - Gia tốc m/s2 m/s2 TB 0.2 TC 0.6 TD - Hế số ứng xử q 3.9 - Hệ số xác định cận  0.2 - Hệ số điều chỉnh  *Giá trị phổ phản ứng gia tốc s s s Chu kỳ (s) Sd (m/s2) Chu kỳ (s) Sd (m/s2) Chu kỳ (s) Sd (m/s2) 541 0.1 1.4 0.5168 2.8 0.3272 1.23 1.5 0.4824 2.9 0.3272 0.2 1.2059 1.6 0.4522 0.3272 0.3 1.2059 1.7 0.4256 3.1 0.3272 0.4 1.2059 1.8 0.402 3.2 0.3272 0.5 1.2059 1.9 0.3808 3.3 0.3272 0.6 1.2059 0.3618 3.4 0.3272 0.7 1.0336 2.1 0.3281 3.5 0.3272 0.8 0.9044 2.2 0.3272 3.6 0.3272 0.9 0.8039 2.3 0.3272 3.7 0.3272 0.7235 2.4 0.3272 3.8 0.3272 1.1 0.6578 2.5 0.3272 3.9 0.3272 1.2 0.6029 2.6 0.3272 0.3272 1.3 0.5566 2.7 0.3272 57 3.7 Kết tính toán Bảng 3.1: Kết tính toán nội lực theo phƣơng X Tầng Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương V2 M3 Phương pháp phân tích phổ phản ứng V2 M3 Phương pháp giá trị phổ phản ứng V2 M3 STORY11 659.17 866.151 593.2 775.821 780.53 1034.353 STORY10 340.53 631.28 295.06 557.562 413.49 772.348 STORY9 361.02 642.695 317.91 565.558 441.38 787.951 STORY8 347.8 623.481 304.81 546.048 426.78 767.412 STORY7 343.78 621.023 300.8 542.855 421.04 763.288 STORY6 290.72 493.654 253.32 428.143 357.74 612.759 STORY5 402.43 692.538 349.5 596.938 496.97 863.404 STORY4 333.76 622.784 292.01 540.913 409.05 772.103 STORY3 288.45 520.603 252.92 446.14 356.07 654.342 STORY2 334.15 791.616 297.75 700.108 394.4 952.51 STORY1 253.83 703.689 228.22 599.807 334.33 967.909 Bảng 3.2: Kết tính toán nội lực theo phƣơng Y Tầng Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương Phương pháp phân tích phổ phản ứng V2 STORY11 M3 V2 668.64 882.71 603.89 M3 792.073 Phương pháp giá trị phổ phản ứng V2 M3 791.22 1055.677 58 STORY10 354.62 665.478 315.02 592.257 432.43 809.363 STORY9 406.07 737.533 364.66 663.382 486.08 881.764 STORY8 382.33 691.912 340.72 617.14 461.66 834.772 STORY7 363.76 656.734 322.04 580.99 440.19 797.355 STORY6 308.23 522.076 271.8 458.753 374.97 641.084 STORY5 426.71 730.683 375.03 639.007 521.8 903.698 STORY4 358.22 667.716 317.1 588.038 434.15 817.692 STORY3 307.86 550.503 271.51 475.43 379.06 692.465 STORY2 353.99 827.657 317.39 738.501 422.74 999.738 STORY1 276.96 766.666 249.31 659.519 367.5 1059.382 Bảng 3.3: Kết tính toán chuyển vị Tầng Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương UX UY STORY11 0.0219 0.0235 STORY10 0.0201 STORY9 Phương pháp phân tích phổ phản ứng UX Phương pháp giá trị phổ phản ứng UY UX UY 0.015 0.0167 0.0328 0.0346 0.0215 0.0138 0.0153 0.03 0.0316 0.0178 0.0191 0.0123 0.0136 0.0265 0.028 STORY8 0.0155 0.0167 0.0107 0.012 0.023 0.0243 STORY7 0.0131 0.0142 0.0092 0.0103 0.0195 0.0207 STORY6 0.0108 0.0118 0.0076 0.0086 0.016 0.0171 STORY5 0.0086 0.0094 0.0061 0.0069 0.0127 0.0136 59 STORY4 0.0065 0.0071 0.0047 0.0053 0.0095 0.0103 STORY3 0.0045 0.005 0.0033 0.0038 0.0067 0.0072 STORY2 0.0028 0.0031 0.0021 0.0024 0.0041 0.0045 STORY1 0.0011 0.0012 0.0008 0.0009 0.0015 0.0017 60 900 800 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 700 600 500 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động 400 300 Phương pháp giá trị phổ phản ứng 200 100 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 H ì n h : B i ể u đ s o s n h l ự c c ắ t h phươngân tích tĩnh lực X n g 1 0 0 4T 0 0 ngang tương đương p h p phân tích phổ phản ứng dạng dao động p h Phương pháp giá trị p h ổ p h ả n ứ n g Phương pháp Hình 3.3: Biểu đồ so sánh mô men phương X 900 800 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 700 600 500 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động 400 300 Phương pháp giá trị phổ phản ứng 200 100 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 H ì n h : B i ể u đ s o s n h l ự c c ắ t h phươnghân tích tĩnh lực Y n g 1 0 0 4T 0 0 ngang tương đương p h p phân tích phổ phản ứng dạng dao động p Phương pháp giá trị p h ổ p n ứ n g Phương pháp Hình 3.5: Biểu đồ so sánh mô men phương Y 0,035 0,03 Phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 0,025 0,02 Phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động 0,015 0,01 Phương pháp giá trị phổ phản ứng 0,005 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10T11 H ình 3.6: Biểu đồ so sánh chuyể n vị phươ ng X , , 0, , 0,025 01 0,02 0,0 0,015 05 h n g hân tích tĩnh lực ngang tương đương Phương pháp T p h p phân tích phổ phản ứng dạng dao động p giá trị p h ổ p h ả n ứ n g Phương pháp Hình 3.7: Biểu đồ so sánh chuyển vị phương Y 63 3.8 Nhận xét đánh giá Sau tính toán, kết tính toán cho ta thấy với loại gia tốc nền, lực động đất xác định theo phương pháp giá trị phổ phản ứng lớn lực động đất xác định theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động Nội lực gây cho công trình tính theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương lớn nội lực gây cho công trình tính theo phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động 15% Nội lực gây cho công trình tính theo phương pháp giá trị phổ phản ứng lớn nội lực gây cho công trình tính theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương 25% Chuyển vị công trình tính theo phương pháp giá trị phổ phản ứng lớn chuyển vị công trình tính theo phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động Như tính toán theo phương pháp giá trị phổ phản ứng an toàn so với phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Như vậy, phạm vi đề tài, ta nghiên cứu, tính toán tác động tải trọng gió động động đất lên công trình Trong phương pháp tính toán tải trọng động đất tác dụng lên công trình ta thấy phương pháp giá trị phổ phản ứng có nhiều ưu điểm so với phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động Phương pháp áp dụng cho công trình có kết cấu phức tạp, độ cao lớn, phương pháp tính toán đơn giản, không phức tạp phương pháp lại Nghiên cứu đề cập đến tác động tải trọng động lên công trình có độ cao 20 tầng Với công trình có độ cao lớn 20 tầng cần phải tiếp tục nghiên cứu xem xét thêm 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 2737:1995: Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động tải trọng gió TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất TCXDVN 323:2004: Nhà cao tầng - Tiêu chẩn thiết kế TCVN 5574:2012: Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép - PGS.TS Lê Thanh Huấn Nhà xuất xây dựng 2007 Kết cấu nhà cao tầng (Bản dịch) - W.SULLO Nhà xuất xây dựng 2008 Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu động đất theo TCXDVN 375:2006 Phân tích thiết kế kết cấu phần mềm SAP2000 - Bùi Đức Vinh Nhà xuất thống kê 10 Tập huấn KHCN sau đại học: Thiết kế nhà cao tầng - Bộ xây dựng Viện khoa học công nghệ xây dựng 11 Động đất thiết kế công trình chịu động đất - Nguyễn Lê Ninh Nhà xuất xây dựng 2006 12 Nhà cao tầng chịu tác động tải trọng ngang gió bão động đất Mai Hà San Nhà xuất xây dựng 1991 66