Trang chủ Thông tin chi tiết bài viết mới nhất

Thiết kế nhà cao tầng sử dụng kết cấu vách liên hợp - TS Vũ Quốc Anh, ThS Phạm Ngọc Hiếu

Ngày đăng : 29/06/2016

Thiết kế nhà cao tầng sử dụng kết cấu vách liên hợp

Kết cấu vách bê tông- Thép hình

Với các công trình cao tầng có quy mô lớn, khi làm việc kết cấu chịu tải trọng ngang lớn, và yêu cầu thời gian thi công nhanh thì việc sử dụng kết cấu vách bê tông cốt thép thông thường cho hiệu quả làm việc không cao. Khi đó cần sử dụng kết cấu vách liên hợp. Kết cấu vách liên hợp có một số ưu điểm sau: thứ nhất là khả năng chịu lực của vật liệu tăng làm giảm kích thước cấu kiện, tăng không gian sử dụng, thứ hai là khả năng chịu biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép, đó là ưu điểm lớn khi chịu tải động đất và thứ ba là dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại làm tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng. Nội dung bài báo trình bày cách tính toán thiết kế khung thép nhà cao tầng sử dụng vách là kết cấu liên hợp.

1. Đặt vấn đề

Nhà cao tầng ngày càng phổ biến và là xu thế phát triển của tương lai. Do đặc thù của nhà cao tầng, yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là tải ngang, có thể gây ra các vấn đề không những về độ bền mà còn các vấn đề về chuyển vị ngang, gia tốc dao động, ổn định công trình (chống lật, chống trượt), hiệu ứng P-delta. Do đó, kết cấu vách với độ cứng cao, đáp ứng các yêu cầu về mặt kiến trúc cũng như về mặt thẩm mỹ đã được sử dụng. Nó trở lên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong những nhà cao tầng và siêu cao tầng.

Về cấu tạo, vách có thể là vách bê tông cốt thép, vách thép hoặc vách liên hợp thép – bê tông, phổ biến nhất là vách BTCT. Bắt nguồn từ yêu cầu thi công, yêu cầu kiến trúc cũng như khả năng chịu lực, chịu kháng chấn, vách liên hợp đã được sử dụng và được đúc kết có những ưu điểm sau:

+ Khả năng chịu lực của vật liệu tăng, do thép tham gia chịu lực đáng kể, giảm kích thước cấu kiện, làm tăng không gian sử dụng và tăng hiệu quả kiến trúc.

+ Khả năng biến dạng và khả năng kháng chấn tốt hơn so với kết cấu BTCT.

+ Tăng ổn định của kết cấu do kết cấu liên hợp được bọc bê tông bên ngoài (hoặc nhồi bê tông bên trong) sẽ làm giảm độ mảnh so với cấu kiện thép thông thường, từ đó tăng tính ổn định.

+ Làm giảm hàm lượng thép tròn ở hai đầu vách, thuận tiện cho việc thi công.

Dưới đây là hình ảnh về sử dụng kết cấu vách liên hợp thép – bê tông trong nhà cao tầng tại công trình Dolphin Plaza, 28 Trần Bình, Hà Nội:

H. 1 Thi công vách liên hợp

2. Tính toán vách liên hợp

Trong vách liên hợp, việc tính toán cốt cứng vẫn chưa được đề cập cụ thể trong tiêu chuẩn Việt Nam. Hiện trên thế giới cũng có đề cập một số phương pháp tính song nó khá phức tạp và chưa được sử dụng rộng rãi. Vì vậy nội dung bài báo trình bày phương pháp tương đối đơn giản để xác định khả năng chịu lực của vách liên hợp thép – bê tông.

Để đảm bảo cho việc tính toán thống nhất và đơn giản, sử dụng một số giả thiết sau [5]:

+ Các thành phần trên tiết diện làm việc như một thể thống nhất trước khi đạt tới trạng thái giới hạn. Thép đạt đến giới hạn chảy và bê tông đạt đến giới hạn cường độ chịu nén.

+ Khi cấu kiện đạt tới trạng thái giới hạn thì vẫn xem vách có tiết diện phẳng, nhằm cho phép áp dụng các giả thiết cơ bản của sức bền.

+ Khi cấu kiện đạt tới trạng thái giới hạn thì xem cả phần thép và bê tông cùng đạt tới trạng thái giới hạn, thép đạt tới trạng thái giới hạn chảy, bê tông đạt tới giá trị ứng suất nén giới hạn.

+ Lực dính kết giữa bê tông và thép được đảm bảo, không tách rời trong suốt quá trình làm việc (nhờ vào việc cấu tạo các chốt liên kết).

Dùng phương pháp giả thiết vùng biên mô men để tính toán: phương pháp này cho rằng cốt thép đặt trong vùng biên ở hai đầu tường được thiết kế để chịu toàn bộ mô men. Lực dọc trục được giả thiết là phân bố đều trên toàn bộ chiều dài tường.

Quan niệm tính toán:

+ Ứng suất kéo do cốt thép chịu.

+ Ứng suất nén do cả cốt thép và bê tông chịu.

Ký hiệu		Ý nghĩa
A_bien		Diện tích vùng biên của vách
B_l , B_r		Bề rộng vùng biên bên trái và bên phải vách
L		Chiều dài vách
f_c		Cường độ chịu nén của bê tông
f_s, f		Cường độ tính toán của thép tròn và thép tấm.
f_b, f_c		Hệ số giảm độ bền khi uốn và nén
A_b , A_a		Diện tích bê tông và thép tấm
N_k , N_n		Lực kéo và nén trong vùng biên

2.1. Các bước tính toán

· Bước 1: Giả thiết chiều dài B của vùng biên chịu mômen. Xét vách chịu N và M trong mặt phẳng vách.

H. 2 Mặt cắt và mặt đứng vách

· Bước 2: Xác định lực kéo hay nén trong vùng biên:

(1)

· Bước 3: Tính toán cốt thép chịu kéo và chịu nén

Thép vùng nén: (2)

Thép vùng kéo: (3)

· Bước 4: Kiểm tra hàm lượng cốt thép. Nếu quá lớn thì tăng bề rộng vùng biên B. Vùng biên B có giá trị lớn nhất 0,5L, nếu vượt quá giới hạn đó mà hàm lượng vẫn lớn thì lên tăng chiều dày vách.

· Bước 5: Kiểm tra phần tường còn lại giữa hai vùng biên như đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm. Trường hợp bê tông đủ khả năng chịu lực thì cốt thép chịu nén được đặt theo cấu tạo.

2.2. Nhận xét

· Phương pháp này phù hợp với vách có tiết diện tăng cứng ở hai đầu.

· Phương pháp này thiên về an toàn vì chỉ kể đến khả năng chịu mô men của thép.

3. Ví dụ khảo sát

Khảo sát mô hình nhà 30 tầng. Công trình dùng để làm Trung tâm thương mại và văn phòng cho thuê. Tầng 1 có chiều cao 4m, các tầng điển hình có chiều cao 3,3m. Tổng chiều cao nhà là 99,7m. Mặt bằng kết cấu công trình như hình 3.

Giải pháp kết cấu: dùng cột liên hợp thép bê tông, dầm thép, sàn bê tông và vách. Vách được sử dụng với 2 giải pháp: vách BTCT đơn thuần và vách liên hợp thép bê tông, cốt cứng đặt trong vách chỉ được đặt đến tầng 15, từ tầng 16 trở lên thì đặt vách bê tông cốt thép đơn thuần.

Vật liệu sử dụng:

Bêtông cấp bền B35.

Thép cốt cứng dùngCCT34, f = 210 MPa

Thép tròn:

+ D<10, , thép CI, Rs= 225 MPa

+ D ≥10, thép CII, Rs= 280 MPa

+ D≥F20, thép CIII, Rs= 365 MPa

H. 3 Mặt bằng kết cấu

H. 4 Mô hình không gian công trình

Trong bài báo này, giữ nguyên các kích thước cột, dầm, sàn và đảm bảo khả năng chịu lực của chúng, và tiến hành thay đổi các vách bê tông để khảo sát sự ảnh hưởng của 2 loại vách trên đối với công trình. Khảo sát công trình theo phương trục Y là phương yếu hơn so với phương X. Tải tác dụng bao gồm:

+ Tĩnh tải để máy tự dồn.

+ Sử dụng vách nhẹ ngăn chia và dùng kính bao xung quanh nhà.

+ Hoạt tải: khu hành lang lấy 360(daN/m2), khu làm việc lấy 240 (daN/m2), có xét thêm hệ số giảm hoạt tải của nhà nhiều tầng.

+ Tải gió: công trình được xây dựng tại Hà Nội, gió thuộc vùng IIB.

+ Động đất được đưa vào công trình thông qua phổ phản ứng: công trình được xây dựng tại Hà Nội. Theo bảng 3.1 “Các loại đất nền”, trang 25 TCXDVN375:2006 [3], Hà Nội có đất nền loại C. Hệ số tầm quan trọng công trình là 1,25; công trình được xây dựng tại quận Cầu Giấy.

Các tổ hợp tải trọng được xét để xác định nội lực và chuyển vị bao gồm:

Tổ hợp 1 (TH1): Tĩnh Tải + Hoạt Tải

Tổ hợp 2 (TH2): Tĩnh Tải + Gió

Tổ hợp 3 (TH3): Tĩnh Tải + (Hoạt Tải + Gió)*0,9

Tổ hợp 4 (TH4):Tĩnh Tải+Hoạt Tải *0,8 Gió*0,5+Đ.Đất

Tổ hợp 5 (TH5): Tĩnh Tải + Gió tiêu chuẩn

Tổ hợp 5 để kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình, chuyển vị cho phép 15cm.

Dựa trên điều kiện đảm bảo độ bền cũng như biến dạng của công trình, kết quả khảo sát được đưa ra như sau:

· Phương án 1: dùng vách BTCT có bề dày là 400 từ tầng 1 cho đến hết tầng 30. Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16, xem hình 5:

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16

H. 5 Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ nhất

· Phương án 2: dùng vách liên hợp thép – bê tông có bề dày 300, tấm thép trong vách dày 7cm được đặt từ tầng 1 đến tầng 15, tầng 16 đến tầng 30 dùng vách BTCT đơn thuần. Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16 như hình 6:

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16

H. 6 Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ hai

· Phương án 3: dùng vách liên hợp thép – bê tông có bề dày 250, tấm thép trong vách dày 10cm được đặt từ tầng 1 đến tầng 15, tầng 16 đến tầng 30 dùng vách BTCT đơn thuần. Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16 như hình 7:

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16

H. 7 Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ ba

· Phương án 4: dùng vách liên hợp thép – bê tông có bề dày 250, tấm thép trong vách dày 12cm được đặt từ tầng 1 đến tầng 15, tầng 16 đến tầng 30 dùng vách BTCT đơn thuần. Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16 như hình 8:

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16

H. 8 Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ tư

Tần số, chuyển vị và nội lực của các phương án có kết quả như sau:

Bảng 1. Tần số dao động của công trình

Dạng	Tần	Phương án	Phương án	Phương án	Phương án
dao động	số	I	II	III	IV
Phương	f1	1.388	1.351	1.341	1.316
X	f2	0.280	0.291	0.301	0.300
	f3	0.118	0.126	0.132	0.131
Phương	f1	2.358	2.272	2.238	2.217
Y	f2	0.573	0.577	0.583	0.579
	f3	0.240	0.247	0.253	0.251
Phương	f1	0.952	1.015	1.063	1.058
Z	f2	0.300	0.323	0.341	0.340
	f3	0.163	0.175	0.185	0.184

Bảng 2. Chuyển vị đỉnh công trình (Đơn vị: cm)

Tầng	Phương án I	Phương án II	Phương án III	Phương án IV
30	14.34	14.19	14.63	14.36
25	11.90	11.85	12.28	12.04
20	9.2	9.21	9.56	9.36
15	6.29	6.30	6.65	6.40
10	3.44	3.46	3.6	3.51
5	1.11	1.12	1.17	1.13

Bảng 3. Nội lực trong vách 1 (T-m)

Tầng	Nội	Phương án	Phương án	Phương án	Phương án
	lực	I	II	III	IV
Tầng	M	757.32	1043.84	1174.37	1269.03
1	N	-392.40	-427.88	-430.27	-454.00
	V	107.46	103.94	101.97	102.64
Tầng	M	124.04	117.66	113.69	118.84
16	N	-219.02	-190.54	-173.53	-174.38
	V	75.53	70.01	68.09	67.87

4. Nhận xét và kết luận

Vách liên hợp: làm giảm được bề dày của vách còn 30cm, và thậm chí là 250 so với vách BTCT là 40cm. Điều này làm tăng được diện tích sử dụng và cho mặt bằng kiến trúc hợp lý hơn so với kết cấu bê tông thông thường.

Thép vách tầng 1: giảm được hàm lượng thép tròn đầu vách, trách tập trung thép quá nhiều, dễ dàng hơn trong thi công.

Vách tầng 16: với vách BTCT, lực tác dụng không lớn, song vẫn phải làm vách có độ dày lớn để đảm bảo độ cứng của công trình; với vách liên hợp, giảm được bề dày mà vẫn đảm bảo độ cứng của công trình.

Đối với phương án 3 và phương án 4 cho kết quả gần như tương đương vậy chỉ cần chọn thép tấm trong vách dày 10 cm là đảm bảo yêu cầu. Nếu chọn chiều dày bản thép lớn hơn cũng không đem lại hiệu quả kinh tế.

Với kết quả tính toán ở trên đã đưa ra thêm được một lựa chọn khi tính toán kết cấu nhà cao tầng đó là sử vách liên hợp thép bê tông.

Tác giả

TS. Vũ Quốc Anh & Th.S Phạm Ngọc Hiếu

Khoa xây dựng – Đại học Kiến Trúc Hà Nội