Thạc Sĩ Nghiên cứu và so sánh các phương pháp tính toán dầm cao bê tông cốt thép

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2011

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt.
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.
Phần i: Phần mở đầu
Phần II: nội dung luận văn

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG VÀ DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1. Tổng quan hệ thống kết cấu nhà cao tầng. 13
1.1.1. Các cấu kiện chịu lực cơ bản: 13
1.1.2. Các hệ kết cấu nhà cao tầng. 13
1.1.2.1. Hệ kết cấu cơ bản: 13
1.1.2.2. Hệ kết cấu hỗn hợp. 20
1.1.2.3. Hệ kết cấu tạo không gian lớn. 22
1.2. dầm cao bê tông cốt thép. 25
1.2.1. Định nghĩa dầm cao: 25
1.2.1. Phân loại và phạm vi sử dụng dầm cao BTCT trong xây dựng. 26
1.2.2. Sự làm việc của dầm cao bê tông cốt thép. 28
1.2.3. Tình hình phát triển nhà cao tầng có hệ thống dầm cao bê tông cốt thép 30
1.2.4. Lịch sử nghiên cứu tính toán dầm cao bê tôngcốt thép. 31

CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP
2.1. phương pháp phần tử hữu hạn 33
2.1.1. Phân tích ứng suất - biến dạng trong dầm caobằng phương pháp PTHH 33
2.1.1.1. Khái niệm về phương pháp PTHH: 33
2.1.1.2. Đường lối chung giải kết cấu bằng phương pháp PTHH: 33
2.1.1.3. Xây dựng ma trận độ cứng phần tử [K ]eK . 34
2.1.2. Dùng chương trình Sap 2000 để phân tích trạng thái ứng suất -biến dạng
của dầm cao bê tông cốt thép. 37
2.1.2.1. Giới thiệu: 37
2.1.2.2. Thực hiện tính toán dầm cao bằng Sap 2000. 38
2.2. phương pháp sử dụng mô hình chống giằng 42
2.2.1. Phân vùng ứng suất biến dạng của các cấu kiện bê tông cốt thép 42
2.2.2. Cơ sở của mô hình chống - giằng, các giả thiết áp dụng . 43
2.2.2.1 Cơ sở của mô hình chống - giằng. 43
2.2.2.2 Các giả thiết áp dụng 43
2.2.3. Các bộ phận cấu thành của mô hình chống-giằng . 44
2.2.3.1. Thanh chống bê tông chịu nén 44
2.2.3.2. Thanh giằng cốt thép chịu kéo 44
2.2.3.3. Nút giàn 45
2.2.3.4. Quạt chịu nén 47
2.2.3.5. Vùng chịu nén xiên 47
2.2.4. Các dạng phá hoại của mô hình chống-giằng 48
2.2.5. Quy trình thiết kế vùng D theo phương pháp chống-giằng. 48
2.2.6. Khả năng chịu lực của thanh chống 49
2.2.7. Khả năng chịu lực của vùng nút 54
2.1.8. Khả năng chịu lực của thanh giằng 57
2.1.9. Tính toán thiết kế dầm cao sử dụng mô hình chống -giằng 58

CHƯƠNG III: VÍ DỤ TÍNH TOÁN DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP SO SÁNH VÀ KẾT LUẬN
3.1. ví dụ tính toán dầm cao bê tông cốt thép 60
3.1.1. Thiết kế dầm chịu một lực tập trung. 60
3.1.1.1 Theo phương pháp Phần tử hữu hạn: 61
3.1.1.2 Theo phương pháp chống giằng 68
3.1.2 Thiết kế dầm chịu hai lực tập trung 73
3.1.2.1 Theo phương pháp Phần tử hữu hạn: 73
3.1.2.2 Theo phương pháp chống giằng 80
3.2. So sánh kết quả tính toán của hai phương pháp. 85
Phần IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
A. Kết luận: 87
1. Nhận xét chung về hai phương pháp tính toán dầm cao. 87
a. Về sơ đồ tính toán: 87
b. Về phương pháp tính toán: 87
c. Về kết quả tính toán: 88
2. Phạm vi áp dụng
B. kiến nghị 89
1. Kiến nghị khi vận dụng phương pháp phần tử hữu hạn. 89
2. Kiến nghị khi vận dụng phương pháp chống giằng. 89
Tài liệu Tham Khảo 91
Tiếng Việt 91
Tiếng Anh 92


Phần1: Phần mở đầu
1. Lý do chọn đề tài đề tài:

Trong những năm gần đây, việc thiết kế, thi công nhà cao tầng không còn mới
mẻ với chúng ta. Từ những năm 1990, cùng với sự phát triển kinh tế, do nhu cầu về
nhà ở, dịch vụ, các công trình công cộng nên vấn đềthiết kế, thi công nhà cao tầng
đã bắt đầu du nhập vào Việt Nam.
Qua gần 20 năm phát triển, hiện nay có thể nói nhà cao tầng đang trong giai
đoạn phát triển rầm rộ ở nước ta. ởnước ta hiện nay quy mô, chiều cao của nhà cao
tầng cũng rất đa dạng, nó phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, tổng mức đầu tư của các
nhà đầu tư, quy định của Sở quy hoạch kiến trúc các địa phương Các chung cư
thuần tuý cao từ 15-30 tầng như khu đô thị mới Trung Hoà Nhân Chính, khu đô thị
mới Nam Trung Yên , khu đô thị mới Bắc Linh Đàm .Các hỗn hợp văn phòng cho
thuê và chung cư thường cao từ 20-34 tầng như khu đô thị mới Trung Hoà Nhân
Chính, khu đô thị mới Mỹ Đình, toà nhà Thuận Kiều (Thành Phố Hồ Chí Minh) .
Thậm chí có các toà nhà đang xây dựng cao tới 65 tầng (toà nhà Landmark -Liễu
Giai -Hà Nội ), cao tới 70 tầng (toà nhà Keangnam -đường Phạm Hùng - Hà Nội)
Tuy nhiên mỗi hình thức kiến trúc hay mỗi hệ kết cấu nó thường chỉ phù hợp với
một dạng công năng, nhu cầu sử dụng cụ thể.
Một thực tế đang tồn tại đó là xu hướng nhà ở hỗn hợp, đó là trong nhà cao tầng
sử dụng các tầng hầm làm garage để xe, một vài tầngtiếp theo để làm dịch vụ nhà
hàng, siêu thị . cần những không gian lớn. Mặt khác tại các căn hộ cũng cần có
những không gian hiệu quả hơn. Và như vậy không phải hệ kết cấu nào cũng có thể
phù hợp một cách hiệu quả với vấn đề nói trên. Hệ kết cầu có sử dụng dầm cao đỡ
cột, đỡ vách tỏ ra rất ưu việt trong vấn đề này.
Kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu được dùng phổ biến nhất trong ngành
xây dựng hiện nay. Lý thuyết tính toán và thiết kế các loại cấu kiện bê tông cốt thép
cơ bản như dầm, cột, bản sàn được đề cập trong rất nhiều tài liệu chuyên ngành và
được quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam cũng như của nước ngoài.

Việc nghiên cứu tính toán các cấu kiện dầm có chiềucao lớn với nhiều mô hình
và phương pháp đã được thực hiện, ứng dụng nhiều ở Đức và các nước Châu Âu.
Những kết quả nghiên cứu bằng phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng mô hình
chống-giằng đã được ghi nhận và từng bước đưa vào tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê
tông cốt thép của ACI - Hoa Kỳ. Tuy nhiên trong thực tế, việc tính toán thiết kế theo
phương pháp này còn ít được thảo luận trong các tàiliệu của Việt Nam và chưa được
đề cập tới trong tiêu chuẩn thiết kế công trình bê tông cốt thép TCVN 5574:1991.
Xuất phát từ những lý do trên mà tác giả lựa chọn và nghiên cứu đề tài này.

2. Mục đích nghiên cứu:
Từ việc nghiên cứu đề tài, tác giả mong muốn bổ sung nâng cao kiến thức và
tìm hiểu sâu hơn về kết cấu dầm cao trong nhà cao tầng. Qua đó có cái nhìn đầy đủ
hơn về dầm cao, từ phạm vi sử dụng, đến lựa chọn phương án tính toán cấu tạo sao
cho hiệu quả nhất.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi luận văn là dầm cao BTCT một nhịp, chịu
tải tập trung. Về mặt lý thuyết tác giả sử dụng cácnghiên cứu của phương pháp số,
các tài liệu thiết kế kết cấu theo tiêu chuẩn ACI. Còn trong tính toán thực hành có sử
dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap-v9.03 để tính toán cho các cấu kiện dầm cao.
4. Nội dung nghiên cứu:
Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tìm trạng thái ứng suất, biến dạng của
một số cấu kiện dầm cao một nhịp, nhiều nhịp, khôngkhoét lỗ, có mở lỗ. Sau đó vẽ
các quy luật phân bố ứng suất - biến dạng. Từ trường ứng suất - biến dạng của dầm
cao, tính toán và cấu tạo thép hợp lý, so sánh, đánh giá kết quả.
Trong phương pháp chống - giằng, đưa ra mô hình mô tả chịu lực. Tính toán nội
lực với các dạng dầm cao như trong phương pháp phầntử hữu hạn, sau đó tính toán
và bố trí cốt thép.
So sánh ưu nhược điểm của 2 phương pháp trên trong từng trường hợp, và nêu
nên phạm vi ứng dụng của từng phương pháp.

5. Hướng kết quả nghiên cứu:
Phương pháp Phần tử hữu hạn là cơ sở để xây dựng các phần mềm tính toán kết
cấu hiện nay như Sap, Etab, Về lý thuyết tính toán phương pháp này rất cồng
kềnh, phức tạp và khó có thể giải quyết bằng tay nếu có nhiều phần tử. Nhưng ngày
nay với sự trợ giúp của máy tính, các phần mềm chuyên ngành thì đây là phương
pháp ưu việt có thể giải quyết tất cả và trọn vẹn các bài toán kết cấu công trình.
Phương pháp chống giằng giúp cho các kĩ sư kết cấucó một cái nhìn đầy đủ và
toàn diện về quá trình làm việc của dầm cao. Tuy nhiên đây là cách tính mang nhiều
tính lý thuyết và chỉ dừng ở mức độ giải quyết các kết cấu dầm cao đơn giản. Đối
với các trường hợp phức tạp hơn ( dầm nhiều nhịp, có mở lỗ, ) phương pháp này
chưa có lời giải cụ thể.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài tổng kết quá trình nghiên cứu, tính toán dầmcao bê tông cốt thép. Qua
đó phần nào giúp người thiết kế có cái nhìn được đầy đủ hơn về dầm cao - một loại
cấu kiện ngày càng xuất hiện nhiều hơn trong giải quyết các bài toán về nhà cao
tầng hiện nay. Công việc tính toán các kĩ sư chủ yếu được thực hiện bằng các phần
mềm chuyên ngành (theo phương pháp phần tử hữu hạn ), nhưng khi triển khai trên
bản vẽ thi công thì những nội dung của phương pháp chống - giằng sẽ giúp cho việc
bố trí thép được rõ ràng, kinh tế.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống, Nguyễn Xuân Liên, Trịnh Kim Đạm,
Nguyễn Tấn Phấn (1998): Kết cấu BTCT –Phần cấu kiện cơ bản, NXB Khoa
học kỹ thuật, Hà Nội.
2. Tạ Đình Vĩnh, Lê Trọng Vinh (1983): Phương pháp tính, NXB Đại học và
trung học chuyên nghiệp, Hà Nội.
3. Tô Văn Tấn (1991): Lý thuyết đàn hồi, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
4. GS.TSKH Nguyễn Trâm (1995): Phương pháp phần tử hữuhạn và giải hữu
hạn, trường ĐHXD, Hà Nội.
5. Nguyễn Viết Trung (2000), "Thiết kế kết cấu bê tôngcốt thép hiện đại theo
tiêu chuẩn ACI", NXB Giao thông vận tải.
6. Trần Mạnh Tuân (2003), "Tính toán Kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn
ACI 318-2002", Nxb Xây dựng.
7. Nguyễn Viết Trung (2005), "Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo mô hình
giàn ảo", Nxb Giao thông vận tải.
8. W.Sullo, Kết cấu nhà cao tầng, , NXB xây dựng Hà Nội 1995
9. Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737-1995): Kết cấu bê tông cốt thép, Tiêu
chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội.
10. Triệu Tây An và nhóm tác giả, Hỏi - Đáp thiết kế vàthi công kết cấu nhà cao
tầng, tập 1, NXB xây dựng, Hà Nội –1996.
11. Triệu Tây An và nhóm tác giả, Hỏi - Đáp thiết kế vàthi công kết cấu nhà cao
tầng, tập 2, NXB xây dựng, Hà Nội –1996.
12. PGS.TS Nguyễn Mạnh Yên (2000), Phương pháp số trong cơ học kết cấu,
NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

Tiếng Anh
13. ASCE-ACI Committee 445 on Shear and Torsion (1998), "Recent
Approaches to Shear design os Structural Concrete", Journal of Structural
Engineering, Decem ber 1998/1375.
14. The Strut-and-Tie Models of Concrete Structures By Dr. C. C. Fu, PhD., P.E,
The Best Center University of Maryland. Presented to The Maryland State
Highway Administration. August 21, 2001.
15. ACI 318-02, "Building Code Requirements for Structural Concrete (318-02)
and Commentary (318RM-02)", American Concrete Institute, FarmingtonHills, Michigan.
16. Kenneth M.Leed, Reinforced Concrete Design, Northeastern University
1999.
17. Rogowsky D. M. and MacGregor J (1986), "Design of reinforced Concrete
Deep Beams", Concrete International, No.08, pp. 49-58.
18. Foster, S. J. (1995), "Non-flexural Member", Lecture of the University of
New South Wales, Australia.
19. Ray W.Clough, Joseph Penzien (1993), Dynamics of Structure, McGaw-hill
Inc.
20. O.C.Zienkiewicz and R.L.Taylor (1989), The Finite Element Method,
Mcgraw-Hill Book company Europe. England