CHUYÊN ĐỀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

CHUYÊN ĐỀ LỰA CHỌN KẾT CẤU

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT

CẤU NHÀ CAO TẦNG

Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép là giai đoạn quan trọng nhất

trong toàn bộ quá trình thiết kế và thi công xây dựng Đây là công tác tạo nên “bộ xương” của công trình, thỏa mãn ba tiêu chí của

một sản phẩm xây dựng: mỹ thuật – kỹ thuật – giá thành xây

dựng

4

Các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép toàn khối được sử dụng phổ biến trong các nhà cao tầng là hệ kết cấu khung Do đó lựa chọn kết cấu hợp lý cho một công trình cụ thể sẽ hạ giá thành xây dựng công trình, trong khi vẫn đảm bảo độ cứng và độ bền của công trình, cũng như chuyển vị tại đỉnh công trình Việc lựa chọn kết cấu dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của công trình, công năng sử dụng, chiều cao của nhà và độ lớn của tải trọng ngang ( động đất, gió).

- Dưới đây là một số phương án và tùy thuộc vào yêu cầu của kiến trúc Kết cấu công trình mà chúng ta có sự phân tích,lựa chọn sơ đồ tính cho thích hợp vừa đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ kiến trúc,vừa có tính khả thi cao vừa đạt được chi phí hợp lý cho giải pháp lựa chọn của mình

6

- Móng nông được sử dụng đối với công trình quy mô vừa

và nhỏ (thường ≤ 5 tầng) Đây là loại móng rất phổ biến ở Việt Nam và là loại móng "rẻ" nhất

1

Móng nông tận dụng khả năng làm việc của các lớp đất phía trên cùng Chính vì vậy khả năng ổn định về sức

chịu tải (đại diện là chỉ tiêu sức chịu tải quy ước R0) và

biến dạng (mô đun tổng biến dạng E0) của các lớp đất này

quyết định tới sự ổn định của công trình

Điều kiện địa chất công trình như thế nào thì sử dụng phương án móng nông? Nhìn chung, các lớp đất sét

(sét pha) ở trạng thái dẻo cứng đến cứng có bề dày đủ lớn

(thường 5 → 7 m) phân bố phía trên cùng đều có thể đặt

móng nông Chiều sâu chôn móng phổ biến từ 0.5m đến

3m, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bề dày lớp đất lấp,

chiều sâu mực nước dưới đất, sự phân bố của đất yếu

Chiều sâu chôn móng càng lớn, khả năng chịu tải của đất

nền càng cao, nhưng cần chú ý đến các lớp đất yếu (bùn

hoặc đất loại sét có trạng thái dẻo chảy, chảy) phân bố dưới

nó

8

- Được sử dụng khi phương án móng nông không đáp ứng được về mặt kỹ thuật (không ổn định, biến dạng nhiều) hoặc chi

phí xử lý nền trong móng nông quá tốn kém.

- Có thể do địa tầng chủ yếu gồm các lớp đất yếu phân bố

ở phía trên, đất tốt lại nằm sâu phía dưới, hoặc bề dày lớp đất tốt

phía trên không đủ lớn, bề dày không ổn định, đất yếu lại phân bố ngay phía dưới với bề dày lớn Việc chọn giải pháp móng cọc

phải có cơ sở, khi tính toán móng nông không đảm bảo kỹ thuật

Ép cọc

Sử dụng máy đóng cọc

Trong thi công nhà cao tầng hiện nay , người ta ít dùng phương án đóng cọc cho giải pháp móng Thật ra, phương án đóng cọc có thể thi công trong điều kiện mà các phương án móng khác khó có thể thi công hoặc rất tốn kém trong biện pháp thi công

12

- Ngoài ra còn chú ý đến điều kiện và phương pháp thi

công Khu vực đô thị không được

dùng phương pháp đóng cọc, khu

vực chật hẹp không sử dụng được

phương pháp ép đối tải (phải sử

dụng phương pháp neo), nếu là

nhà xây chen thì không thể ép sát

vào nhà bên cạnh được, nhiều

trường hợp cọc không đạt độ sâu

thiết kế do ma sát của các lớp đất

phía trên quá lớn (dẫn đến trường

hợp khoan mồi),

Thi công đóng cọc.

14

- Phương án móng cọc nhồi thường được với nhà cao tầng (thường trên 10 tầng) Rõ ràng cọc khoan nhồi chi phí tốn kém hơn so với cọc ép nên không ai muốn sử dụng, trừ trường hợp bắt buộc do cọc ép (hoặc cọc đóng) không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật Thật sai lầm khi nghĩ rằng cứ nhà cao tầng là phải sử dụng cọc khoan nhồi! Tại khu đô thị mới Linh Đàm, Định Công, ,

chung cư quy mô 12 ÷ 14 tầng đều sử dụng cọc đóng (đều không

có hầm ngầm) Cần phải khẳng định rằng chất lượng cọc ép

thường ổn định và dễ kiểm soát hơn nhiều so với cọc khoan nhồi

Với nhà cao tầng, tải trọng truyền xuống 1 cột thường lớn hoặc rất lớn (còn tuỳ thuộc vào kết cấu như mạng lưới cột, khẩu độ, ), nếu sử dụng cọc ép thì số lượng cọc sẽ rất nhiều, cho máy ép cọc có lực ép đầu cọc Ví dụ tải trọng truyền xuống 700 T/ đài, mỗi cọc chịu được 50 T thì cần trên 14 cọc (lưới cọc

bố trí 4 x 4) Cứ cho là các cọc thi công bình thường thì kích thước đài cọc sẽ rất lớn (cả chiều cao và chiều rộng) Nếu mặt bằng móng đủ rộng để bố trí đài cọc và không ảnh hưởng đến các hạng mục hạ tầng, phương án móng đó hoàn hợp lý.

Tuy nhiên, nhà cao tầng hiện nay có tầng hầm, bể nước ngầm, bể phốt,

hệ thống cấp thoát nước, hạ tầng kỹ thuật khác, chiếm khoảng không gian đáng kể Với cách bố trí đó có trường hợp mặt bằng công trình không đủ để bố trí cọc, đặc biệt là nhà có quy mô cao tầng Như vậy, phương án móng cọc ép (hoặc đóng) thường không khả thi mà cần giải pháp móng khác chiếm diện tích nhỏ hơn, sức chịu tải cao hơn Đó chính là cọc khoan nhồi Ví dụ với tải trọng công trình trên, đài cọc sẽ gồm 2 cọc khoan nhồi đường kính 800 hoặc chỉ cần một cọc đường kính khoảng 1200 ÷ 1500

16

Thi công cọc khoan nhồi.

- Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống.

Cấu kiện dạng phẳng: Tấm tường (vách đặc hoặc có lỗ cửa), tấm sàn(tấm phẳng hoặc tấm có sườn ).

Trong nhà cao tầng, sàn các tầng, ngoài khả năng chịu uốn do tải trọng thẳng đứng, còn phải có độ cứng lớn để không bị biến dạng trong mặt phẳng khi

truyền tải trọng ngang vào cột, vách, lõi nên còn gọi là những sàn cứng (tấm cứng).

20

Cấu kiện không gian là các vách nhiều cạnh hở hoặc khép kín, tạo thành các hộp bố trí bên trong nhà, được gọi là lõi cứng Ngoài lõi cứng bên trong, còn có các dãy cột bố trí theo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành một hệ khung biến dạng tường vây Tiết diện các cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng Khi là những cột rỗng hình hộp vuông hoặc tròn sẽ tạo nên hệ kết cấu được gọi là ống trong ống Dạng kết cấu này thường sử dụng trong nhà có chiều cao lớn.

Từ các thành phần kết cấu chính nêu trên, tuỳ thuộc vào các giải pháp kiến trúc, khi chúng được liên kết với nhau theo những yêu cầu cấu tạo nhất định sẽ tạo thành nhiều hệ chịu lực khác nhau

Tuỳ theo cách tổ hợp các kết cấu chịu lực có thể chia thành 2 nhóm:

Nhóm thứ nhất, chỉ gồm một loại cấu kiện chịu lực độc lập khung, tường, vách, lõi hộp (ống)

Nhóm thứ hai là các hệ chịu lực được tô hợp từ 2 hoặc 3 loại cấu kiện cơ bản trở lên chẳng hạn :

+kết cấu khung + vách

+kết cấu khung + lõi

+kết cấu khung + vách + lõi v.v…

22

Khi chiều cao tăng lên thì vai trò khung cột dầm giảm dần đối với tác động của tải trọng ngang Dầm, cột khung chủ yếu chịu c ácloại tải trọng thẳng đứng truyền từ sàn tầng vào Bởi vậy trong thực tế, ngay cảcác hệ vách, lõi, ống vẫn luôn kết hợp với hệ thống khung cột đ ược bố trí theo

các ô nhất định, phù hợp với giải pháp mặt bằng kiến trúc.

Đặc điểm kết cấu chịu lực nhà cao tầng không chỉ phụ thuộc và hìnhdạng, tính chất làm việc của các bộ phận kết cấu mà còn phụ thuộc v

Hệ khung chịu lực (I):

thành từ các cột,

dầm liên kết với nhau

theo hai phương tạo thành

hệ khung không gian

Trên mặt bằng, hệ khung

có thể có dạng chữ

giác… Trong Nhà nhiều

tầng, tác dụng của tải

trọng ngang lớn Để tăng

độ cứng ngang của khung,

đồng thời có thể phân

phối đều nội lực trong

cột, bố trí thêm các

thanh xiên tại một số

nhịp trên toàn bộ

chiều cao hoặc tại một

số tầng Tác dụng của

hệ thanh xiên (dạng dàn)

làm cho khung làm việc

như vách cứng thẳng

đứng;

Nhà có hệ khung chịu lực

24

Hệ tường chịu lực (II): ở hệ kết cấu này các cấu kiện thẳng đứng chịu lực đứng và

ngang của nhà là các tấm tường phẳng, thẳng đứng –vách cứng Tải trọng ngang được truyền đến các vách cứng thông qua kết cấu sàn, được xem là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng Các vách cứng làm việc như những console đứng, có chiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu tải của vách cứng phụ thuộc rất lớn về hình dạng tiết diện ngang và vị trí bố trí chúng trên mặt bằng Ngoài ra, trong thực tế các vách cứng thường bị giảm yếu do có sự xuất hiện các lỗ cửa.

Hệ lõi chịu lực (III):

Lõi có dạng vỏ hộp rỗng, tiết diện kín hoặc

hở, nhận các loại tải

trọngtác động lên công

trình và truyền xuống

móng Trong Nhà nhiều

tầng, lõi cứng thường

được bố trí kết hợp với vị

trí thang máy.

Hình dạng, số lượng,

vị trí bố trí các lõi cứng

chịu lực trên mặt bằng

rất đa dạng.

vuông, chữ nhật,… (dạng

Hệ hộp chịu lực (IV):

Các bản sàn được gối vào các kết cấu chịu tải

nằm theo chu vi công trình

mà không cần gối vào

vào kết cấu chịu tải bên

trong Với dạng kết cấu

này, sẽ tạo ra một không

gian lớn bên trong nhà.

Tùy theo cách tổ hợp, các kết cấu chịu lực có

thể chia theo hai nhóm:

− Nhóm thứ nhất: chỉ gồm một loại cấu kiện chịu

lực độc lập như khung,

tường, vách, lõi chịu lực;

− Nhóm thứ hai: là các hệ chịu lực được tổ hợp

27

Các hệ kết cấu hỗn hợp:

Các hệ kết cấu hỗn hợp được tạo thành từ sự kết hợp giữa các hệ kết

cấu cơ bản trên:

- Hệ khung –vách: kết cấu khung –vách thường được sử dụng hơn cả vì hệ

này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc của nhà nhiều tầng Hệ kết

cấu này tạo điều kiện ứng dụng linh hoạt các công nghệ XD khác nhau như vừa có thể lắp ghép, vừa đổ tại chỗ.;

- Hệ khung –lõi chịu lực;

- Hệ khung –hộp chịu lực;

- Hệ hộp –lõi chịu lực;

- Hệ khung –hộp –tường chịu lực…

28

Phương án 1: Phương án sàn có dầm 2

phương(Đây là phương án từ trước đến nay chúng ta hay

dùng)nó hầu như có mặt khắp các công trình và chiếm đa

số đối với các công trình là nhà dân dụng thấp tầng

Phương án 2: Hệ sàn gồm dầm chính dầm

phụ.Trường hợp này thường sử dụng cho các nhà công nghiệp,nhà kho,tầng hầm các nơi cần khoảng không gian lớn hạn chế bố trí các cột giữa nên một trong những giải pháp kết cấu được lựa chọn là phương án dầm chính phụ

30

Phương án 3:Hệ sàn không dầm có mũ cột(hay

trước đây còn gọi là sàn nấm).Ngày nay đã đượng sử dụng rất nhiều nhất là trong các trung tâm thương mại,các khối tổng hợp phía trên là căn hộ nhưng phía dưới là các tầng thương mại.Nó có ưu điểm giải quyết được không gian vượt nhịp lớn,lại không thấy các hệ đà ngang,dọc phía trên mà tăng tính thẩm mỹ kiến trúc công trình

Phương án 4:Là một loại biết thể khác của sàn có

mũ cột.Nhưng loại này được kết hợp thêm với hệ dầm bản rộng theo 2 phương nhằm góp phần làm tăng thêm độ cứng không gian cho hệ sàn và tạo 1 hình thức trang trí cho trần bê tông cốt thép.Nó cũng thường được sử dụng ở các trung tâm thương mại,siêu thị,sảnh khách sạn hoặc hầm để xe

32

Trong xây dựng nhà cao tầng, việc sử dụng vật liệu cho kết cấu chịu lựcvà kết cấu bao che có những đòi hỏi nhất định sau đây.

a) Đặc điểm nổi bật về phương diện chịu lực của nhà cao tầng là

các cấukiện đều chịu các tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngan

g rất lớn Để đủ khảnăng chịu lực đồng thời đảm bảo tiết diện cá

c kết cấu thanh như cột, dầm, cáckết cấu bản như sàn, tường có kích thước hợp lý, phù hợp với giải pháp kiếntrúc mặt bằng và không gian sử dụng, vật liệu dùng trong kết cấu nhà cao tầng

cần có cường độ chịu kéo, nén, cắt khá cao

b) Bê tông là vật liệu đàn - dẻo, nên có khả năng phân phối lại nội lực

trong các kết cấu, sử dụng rất hiệu quả khi chịu tải trọng lặp lại (động đất, gió bão) Bê tông có tính liền khối cao (khi dùng công nghệ đổ liền khối) giúp cho các bộ phận kết cấu của ngôi nhà liên kết lại thành một hệ chịu lực thống nhất với bậc siêu tĩnh cao Tuy vậy bê tông có trọng lượng bản thân lớn nên thường

sử dụng có hiệu quả cho các ngôi nhà dưới 30 tầng Khi nhà cao trên 30 tầngng

ườ ta thường dùng kết cấu thép hoặc kết cấu - thép bê tông liên hợp, tùy

theo điều kiện kinh tế kỹ thuật

34

Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước, còn gọi

là kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước, hay bê tông tiền

áp, hoặc bê tông dự ứng lực là kết cấu bê tông cốt thép sử

dụng sự kết hợp ứng lực căng rất cao của cốt thép ứng

suất trước và sức chịu nén của bê tông để tạo nên trong

kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải, ở ngay

trước khi chịu tải Nhờ đó những kết cấu bê tông này có

khả năng chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông thông

thường, hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn

kết cấu bê tông cốt thép thông thường

Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại

vật liệu là bê tông và thép.

Sự kết hợp này đem lại nhiều ưu điểm nổi bật cho bê tông cốt thép Thép và bê tông có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nhau, do đó tránh được sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi sự xâm thực của môi trường, thép định vị bê tông nhằm tránh nứt vỡ Bê tông có đặc tính chịu kéo và uốn kém, khi có cốt thép nhược điểm này sẽ được khắc phục

do thép là vật liệu chịu kéo khá tốt.

Về cơ bản trong cấu kiện bê tông cốt thép thì cốt thép sẽ chịu ứng suất kéo còn bê tông chịu ứng suất nén, vì cốt thép chịu nén và kéo đều tốt, còn nhược điểm của bê tông là chỉ chịu nén tốt, còn chịu kéo thì kém.

Bê tông cốt thép được sử dụng rộng dãi trong xây dưng hiện nay Sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện làm các kết cấu chịu lực của cac công trình.

36

Bê tông cốt thép.

Thép là kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng

được thiết kế và cấu tạo bởi thép Đây là loại kết cấu được

sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong các công trình xây dựng có quy mô lớn (Nhà thép tiền chế) bởi những đặc tính hữu ích của thép

38

Ưu và nhược điểm của kết cấu thép

A Ưu điểm của kết cấu thép

- Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao

- Trọng lượng nhẹ

- Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp

- Tính công nghiệp hóa cao

- Tính kín, không thấm nước

B Khuyết điểm của kết cấu thép

- Có thể bị xâm thực bởi tác động của môi trường, nhiệt độ… Do

vậy, những công trình xây dựng có sử dụng kết cấu thép thường được bao phủ bởi lớp sơn bảo vệ, chống gỉ thép

- Chịu lửa kém

- Giá thành khá cao so với một số vật liệu thô khác như gỗ, sắt…

Kỷ lục xây nhà 30 tầng trong 360 giờ.

40

Tòa nhà Burj

Dubai

Taipei 101 của Đài Loan

42

Trung tâm tài chính Thượng

Hải (trái) và tháp Jin Mao

Trung tâm thương mại quốc

tế hay tháp ICC ở Hong Kong

Tháp đôi Petronas ở

Kuala Lumpur, Malaysia Tháp Willis của Chicago, Mỹ

44

"Thành phố của những Bitexco Việt Nam

1/ Căn cứ vào đâu để lựa chọn kết cấu bê tông hay kết cấu thép ?

Trả lời :

- Căn cứ vào công năng sử dụng

- Căn cứ thời gian đưa vào sử dụng để thu được lợi

nhuận cao nhất

- Căn cứ vào quy mô và tải trọng công trình

2)Lựa chọn phương án kết cấu nhà cao tầng phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Trả lời:

+ điều kiện địa chất công trình

+ qui mô công trình (tải trọng , công năng sử dụng)

+ yêu cầu của chủ đầu tư

46

3) Cách xác định độ sâu chôn cọc, các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình ép cọc:

Trả lời :

- Tiến hành vạch các vệt mực trên thân cọc và số độ dài thân cọc để xác định độ sâu khi ép

Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình ép cọc

- Thời gian ép cọc đảm bảo phù hợp khi ép

- Tải trọng ép phù hợp với độ sâu và loại cọc Không

tăng tải trọng trong quá trình ép

4) Phương pháp thi công cọc khoan nhồi:

- Phương pháp khoan dùng ống vách.

- Phương pháp khoan thổi rửa

- Phương pháp khoan gầu trong dung dịch bentonite