CHƯƠNG 1 TONG QUAN 1.1 Giới thiệu Trong những năm gan đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và tốc độ đô thị hóa cao, quỹ đất nhà ở tại các đô thị ngày càng trở nên hạn hẹp. Ngoài ra, do mật độ dân cư tại các đô thị không ngừng tăng và nhu cầu nhà ở, nhà văn phòng v. cũng tăng cao, nên việc các nhà đầu tư chú trọng phát triển các dự án nhà cao tầng là một sự lựa chọn tất yếu. Tuy nhiên, nhà cao tang là loại công trình có kết cấu phức tạp và có chiêu cao lớn, nên trong quá trình làm việc, công trình chịu tác động lớn của tải trọng ngang (do gió, động đất).
Những loại tải trọng ngang này có thé gây ra chuyển vị ngang lớn cho công trình, tạo ra tâm lý bất an cho người sử dụng cũng như gây ra nội lực lớn trong hệ kết cấu. Để giải quyết van dé trên, một trong những giải pháp mà các kỹ sư thiết kế thường sử dụng là bố trí hệ kết cau tang cứng. Hệ kết cau tầng cứng bao gồm một hệ dầm công xôn nằm ngang có độ cứng kháng uốn lớn, kết nối lõi chính với hệ cột bên ngoài. Hệ kết cau này có thé bằng bê tông cốt thép (BTCT) hoặc khung giăng bang thép.
Lõi có thé được bồ trí ở giữa với hệ dầm công xôn kéo ra hai phía hoặc được bố trí ở một bên của công trình với hệ dầm công xôn kéo ra phía ngược lại như trong Hình 1. Chiều cao của hệ dầm công xôn tương đối lớn có thé bang chiều cao của một hoặc hai tầng nhà. Tổng quan 2 Lỗi cứng Lõi cứng (tường ) (dan) an bP F— Tang Ting cưng cửng PS ZS _~ Cột LISS ELEIAL ELL EL GE PELE ETE FELT SE Hình 1: Cau tao của hệ tang cứng Ngoài ra, dé tan dụng kha năng chịu lực của các cột biên, người kỹ su thiết kế thường bố trí các hệ đai xung quanh tòa nhà tại cao độ của tang cứng. Hệ dai này có thé là dầm hoặc dàn và thường được gọi là ”belt truss” như trong Hình 2.
outriger Sbelt truss _— outriger belttruss Hình 2: Cau tạo của hệ tầng cứng có “belt truss” Khi chịu tác động của tải trọng ngang (do gió, động đất), hệ dầm công xôn ngang sẽ tham gia làm việc cùng với lõi bang cách chuyển một phan tải trọng ngang thành lực kéo tại cột phía đón gió và lực nén tại cột phía khuất gió. Từ đó làm giảm chuyên vi ngang tại đỉnh công trình và làm giảm moment uôn trong lõi so với khi Tổng quan 3 không có tầng cứng như được minh họa trong Hình 3. Như vậy, khả năng chịu tải trọng ngang của kết cau được tăng cường đáng kê. Chuyển vj của câu trúc cô tâng cửng W she.
/ =o / / Moment lõi khi ean không có — / tang cứng — Nhớ vi của Se ! 7 Phía khuất gió ha ứng a _— cột chu nên ỶÏ Sre / a Moment lồi — khi có mgr Phia don g10 ting cứng cột chịu kéo fŒ///#f/7///0t////£ Hình 3: Sơ đô làm việc của tâng cứng Việc sử dụng tầng cứng làm giảm chuyển vị ngang của nhà cao tầng đã được nghiên cứu và áp dụng tương đối pho biến trên thé giới. Một số công trình cao tầng tiêu biểu được thiết kế có bố trí hệ tầng cứng trên thế giới như: Tòa nhà New York Time Tower 52 tang [1] tai New York (Hình 4), Tòa nhà Taipei 101 với 101 tang [2] tại Đài Bac (Hình 5) v. Tại nước ta cũng có một SỐ công trình sử dụng loại kết cầu này như: Tòa nhà Bitexco tower 68 tầng [3l tại Tp. Hồ Chí Minh (Hình 6), tòa nhà Lotte centre Hanoi 65 tang [4] tai Hà Nội (Hình 7) v.
Tổng quan 4 Hình 5: Tòa nha Taipei 101 Tổng quan 5 Tuy nhiên, việc bố trí tầng cứng chiếm nhiều không gian sử dụng, đồng thời đòi hỏi chi phí lớn. Ngoài ra, hiệu quả làm việc của tầng cứng phụ thuộc vào vị trí của chúng trên chiều cao của tòa nhà. Số lượng tầng cứng phù hợp cho một công trình cụ thể cũng là vấn đề nan giải cho người thiết kế. Lúc này, người thiết kế phải cân nhắc giữa hai yếu tố: yêu cầu kỹ thuật và tính kinh tế để đưa ra lựa chọn của mình.
Do đó vấn đề đặt ra là phải xác định vị trí làm việc tối ưu của tầng cứng trong nhà cao tầng, đồng thời xác định số tầng cứng cần thiết để mang lại hiệu quả cao nhất cho một công trình. Từ yêu câu cấp thiết này, luận văn sử dụng phương pháp số xây dựng một mô hình tính toán nhằm xác định vị trí tối ưu của tầng cứng trong nha cao tang. Bài toán tối ưu có biến thiết kế là vị trí của 1, 2 hoặc 3 tầng cứng. Hàm mục tiêu là cực tiêu chuyển vị ngang tại đỉnh của công trình.
Đề minh họa tính hiệu qua, đúng dan của phương pháp, luận văn trình bày 2 ví dụ số minh hoa: ví dụ thứ nhất được thiết lập theo dữ liệu của một công bố khoa học sử dụng phần mềm Etabs dé xác định vị trí tối ưu của tầng cứng trong tòa nha 30 tầng được thiết kế theo tiêu chuẩn Ấn Độ. Công trình có mặt băng, tiết diện cột và lõi không đối theo chiều cao. Tải trọng gió và động đất được tính toán tại khu vực Tổng quan 6 Hyderabad miền trung Ấn Độ. Ví dụ số này được sử dụng để kiểm chứng độ chính xác cũng như hiệu quả của mô hình tính toán.
Ví dụ thứ hai là một mô hình kết câu thực tế cao 60 tầng được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam. Công trình có mặt băng thay đôi. Từ tầng 1 đến tầng 7 là khu vực tầng thương mại. Từ tang 8 đến tang 38 là khu vực nhà văn phòng.
Từ tầng 39 đến tầng 59 là khu vực nhà ở. Công trình có kết cau 2 lõi. Từ tang 1 đến tang 7 là kết cau lõi kết hợp khung chịu lực. Từ tang 8 đến tang 59 có kết cau lõi kết hợp với vách chịu lực và sàn không dam.2 Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giới Trên thế giới, từ thé ky trước, đã có nhiều tác giả nghiên cứu về dé tài xác định vị trí tối ưu của tầng cứng trong nhà cao tầng.
Một số công trình tiêu biểu có thể liệt kê như sau: B.Staford Smith và Irawan Salim [5] (1981) trong nghiên cứu của minh: “Formulae for optimum drift resistance of outrigger braced tall building structure” đã phân tích ứng xử của tang cứng trong nhà cao tang có tiết diện lõi và cột không đổi theo chiều cao tầng, tác dụng của tải ngang phân bố đều theo chiều cao công trình. Trong nghiên cứu này, vị trí tối ưu của tầng cứng, độ giảm hiệu quả của chuyển vị tại đỉnh và moment của lõi được biểu diễn bởi một tham số đặc trưng vô hướng, là hàm của tỉ số độ cứng kháng uốn giữa lõi- hệ cột và lõi- tầng cứng. Điều đó cho phép các tác giả đưa ra phương pháp đô thị để xác định vị trí tối ưu của tầng cứng trên chiêu cao của kết cầu. Ngoài ra, kết quả của bài báo này còn có thé được sử dụng để đánh giá gần đúng chuyền vị và lực trong công trình có tiết diện lõi và cột không đều theo chiều cao công trình.
Hoenderkamp va Bakker [6] (2003) trong nghiên cứu “Analysis of high — rise braced frames with outriggers” đã giới thiệu phương pháp so bộ xác định vi trí tôi ưu của tang cứng trong nhà cao tang với kết cau tầng cứng và lõi dạng khung dan thép chịu tải trọng phân bố đều. Nghiên cứu đã chỉ ra răng ứng xử của hệ tầng cứng dạng khung dàn thép chịu tải trọng ngang cũng tương tự như hệ khung bằng BTCT. Tổng quan 7 Các tác giả cũng đã đưa ra phương pháp đô thi để xác định vị trí tối ưu của tầng cứng một cách đơn giản. Hoenderkamp, Bakker và Snijder [7] (2003) đã trình bày phương pháp xác định vị trí tối ưu của tầng cứng của công trình có kết cấu tầng cứng và lõi băng BTCT đặt trên móng mềm chịu tải phân bố đều.
Nghiên cứu chỉ ra sự kết hợp làm việc giữa hệ kết cau tầng cứng và móng mém trong việc làm giảm chuyền vị trên đỉnh của công trình. Đồng thời đưa ra phương pháp đồ thị để xác định vị trí tối ưu của tang cứng của công trình đặt trên móng mém.2 Tình hình nghiên cứu tai Việt Nam Tại nước ta, vẫn dé tang cứng trong nhà cao tang vẫn còn khá mới mẻ. Hiện tại mới chỉ có một vài nghiên cứu được thực hiện. Nhóm sinh viên Trương Quang Hải, Võ Văn Tý dưới sự hướng dẫn của Trịnh Quang Thịnh [8] Đại học Bách Khoa Da Nẵng đã đưa ra một báo cáo khoa học về sự làm việc của tang cứng trong nhà cao tầng.
Báo cáo đã giới thiệu vé vai trò của tầng cứng đồng thời phân tích hệ kết cau 2 tầng cứng chịu tải trọng phân bố đều theo chiều cao công trình. Từ đó các tác giả đưa ra các đô thị có thé được sử dụng để tìm ra vị trí làm việc tối ưu của hệ tầng cứng. NCS Nguyễn Hồng Hải và PGS.TS Nguyễn Xuân Chính [9] thuộc viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dung đã giới thiệu một báo cáo khoa học về “Tang cứng trong nhà cao tầng”. Báo cáo đã giới thiệu về sự phố biến của việc áp dụng kết cau tang cứng trong thiết kế nhà cao tầng.
Đồng thời cũng giới thiệu sơ bộ về phương pháp phân tích và tính toán moment của lõi và chuyển vị ngang tại đỉnh lõi khi chịu tác động của tải ngang phân bố đều hoặc tải phân bố tam giác. Từ đó xác định được vị trí tối ưu của tầng cứng.3 Nhận xét chung về tình hình nghiên cứu trên thé giới và Việt Nam Tuy nhiên, những nghiên cứu kế trên đều dựa trên co sở phương pháp giải tích. Các phương trình giải tích này được xây dựng dựa trên một số giả thiết nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán. Các giả thiết trên làm cho phương pháp giải tích bị hạn chế ở một số kết câu nhất định, hoặc chỉ giới hạn cho các kết cầu có mặt băng các tầng phải giống nhau.
Khi giải quyết 1 bài toán với những điều kiện khác so với các kết Tổng quan 8 cau này ta lại phải thành lập lại các công thức giải tích riêng cho từng kết cấu cụ thé, hoặc không thé áp dụng cho các kết câu có mặt băng các tầng khác nhau. Do đó luận văn dé xuất một phương pháp số nhằm giải quyết van dé nêu trên.