CÁC HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC NHÀ CAO TẦNG 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.
CÁC HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC NHÀ CAO TẦNG 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, cịn 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 vng hình trịn tạo nên hệ kết cấu gọi ống ống Dạng kết cấu thường sử dụng nhà có chiều cao lớn Phụ thuộc vào giải pháp kiến trúc, từ thành phần kết cấu (cấu kiện dạng thanh, tấm, khơng gian) liên kết tạo thành nhóm kết cấu chịu lực: Nhóm 1: Gồm cấu kiện chịu lực độc lập – khung, tường, vách, lõi hộp (ống); Nhóm 2: Hệ chịu lực tổ hợp từ cấu kiện trở lên: - Kết cấu KHUNG + VÁCH; - Kết cấu KHUNG + LÕI; - Kết cấu KHUNG + VÁCH + LÕI v.v… Sự phân chia quy ước tương ứng với giả thiết mơ hình tính tốn cơng trình cụ thể, phụ thuộc vào chiều cao (H), tỷ lệ chiều rộng (B) chiều dài (L) mặt nhà v.v Khi H tăng lên vai trị khung cột dầm giảm dần tác động tải trọng ngang Dầm, cột khung chủ yếu chịu loại tải trọng thẳng đứng truyền từ sàn tầng vào Bởi thực tế, hệ vách, lõi, ống kết hợp với hệ thống khung cột bố trí theo ô lưới định, phù hợp với giải pháp mặt kiến trúc Hệ khung chịu lực - Các khung ngang khung dọc liên kết thành khung phẳng khung không gian, tải lên khung bao gồm tải theo phương đứng phương ngang Để đảm bảo độ cứng tổng thể cho cơng trình nút khung phải nút cứng Sơ đồ hệ khung chịu lực - Dưới tác dụng tải trọng, cột dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo, nén Chuyển vị khung gồm thành phần chuyển vị ngang uốn khung chuyển vị ngang côngxon thẳng đứng, tỷ lệ khoảng 20% Chuyển vị ngang biến dạng thành phần, chiếm khoảng 80% (trong dầm biến dạng khoảng 65%; cột biến dạng khoảng 15%) - Khung có độ cứng ngang bé, khả chịu tải không lớn, thơng thường lưới cột bố trí đặn, mặt khoảng 6-9 m, nên áp dụng cho nhà 30 tầng - Về tổng thể, biến dạng ngang khung cứng thuộc loại biến dạng cắt - Khung túy nên sử dụng cho nhà có chiều cao 40 m Trong kiến trúc nhà cao tầng ln có phận hộp thang máy, thang bộ, tường ngăn bao che liên tục chiều cao nhà sử dụng lõi, vách cứng nên hệ kết cấu khung chịu lực tuý thực tế không tồn - Để tăng độ cứng ngang khung, bố trí thêm xiên số nhịp suốt chiều cao nó, phần kết cấu dạng dàn tạo thành làm việc vách cứng thẳng đứng Nếu thiết kế thêm dàn ngang (tầng cứng-OUTRIGER) tầng số tầng trung gian liên kết khung cịn lại với dàn đứng hiệu tăng độ cứng tăng lên làm giảm thiểu chuyển vị ngang Dưới tác động tải trọng ngang, kết cấu dàn ngang đóng vai trị phân phối lực dọc cột khung, cản trở chuyển vị xoay hệ giảm mômen uốn khung - Hệ kết cấu khung sử dụng hiệu cho cơng trình có khơng gian lớn, bố trí nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại cơng trình Tuy nhiên hệ khung có khả chịu cắt theo phương ngang Ngồi hệ thống dầm thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến không gian sử dụng làm tăng độ cao cơng trình - Chiều cao nhà thích hợp cho kết cấu BTCT khơng 30 tầng Nếu vùng có động đất từ cấp trở lên chiều cao khung phải giảm xuống Chiều cao tối đa ngơi nhà cịn phụ thuộc vào số bước cột, độ lớn bước, tỷ lệ chiều cao chiều rộng nhà Hệ tường chịu lực Là hệ tường phẳng vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng, vừa hệ thống chịu tải trọng ngang tường ngăn phòng Căn vào cách bố trí tường chịu tải trọng thẳng đứng chia làm sơ đồ: Tường dọc chịu lực Tường ngang chịu lực Tường dọc ngang chịu lực Sơ đồ hệ tƣờng chịu lực Trong nhà mà tường chịu lực đặt theo phương, ổn định cơng trình theo phương vng góc đảm bảo nhờ vách cứng Như vậy, vách cứng hiểu theo nghĩa tường thiết kế để chịu tải trọng ngang Trong thực tế, nhà cao tầng, tải trọng ngang chiếm ưu nên tường chịu lực thiết kế để vừa chịu tải trọng ngang vừa chịu tải trọng đứng Các tường làm BTCT có khả chịu cắt chịu uốn tốt nên gọi vách cứng Để đảm bảo độ cứng khơng gian cho cơng trình nên bố trí vách cứng theo hai phương dọc ngang nhà Số lượng vách theo phương xác định theo khả chịu tải trọng theo phương Ngồi ra, vách cứng nên bố trí cho cơng trình không bị xoắn chịu tải trọng ngang Tải trọng ngang truyền đến tường chịu tải thông qua hệ sàn xem tuyệt đối cứng mặt phẳng chúng Do vách cứng làm việc dầm cơngxon có chiều cao tiết diện lớn Khả chịu tải vách cứng phụ thuộc nhiều vào hình dáng kích thước tiết diện ngang Các vách cứng thường bị giảm yếu có lỗ cửa, số lượng, vị trí, kích thước lỗ cửa ảnh hưởng định đến khả làm việc chúng Hình dạng vách cứng Các đặc điểm hệ tường chịu lực: Các vách cứng đổ chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phương ngang lớn Khả chịu động đất tốt: kết nghiên cứu thiệt hại trận động đất lớn gây ra, cho thấy rằng: cơng trình có vách cứng bị hư hỏng tương đối nhẹ, cơng trình có kết cấu khung bị hư hỏng nặng sụp đổ Hệ vách cứng có trọng lượng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất tác động lên công trình có giá trị lớn Đây đặc điểm bất lợi cho cơng trình thiết kế chịu động đất Hệ kết cấu thích hợp cho cơng trình mà có khơng gian bị ngăn chia bên nhà ở, khách sạn, bệnh viện cho cơng trình có chiều cao 40 tầng Hiện VLXD đa dạng nên cấu tạo tường đa dạng Ngoài việc xây gạch đá, hệ lưới tạo thành cột đặt ngần liên kết qua dầm ngang, xiên xem loại kết cấu Hệ lõi chịu lực Lõi có dạng vỏ hộp rỗng tiết diện kín hở, chịu tải trọng đứng ngang tác dụng lên cơng trình truyền xuống đất Lõi xem kết hợp nhiều tường theo phương khác Trong lõi bố trí hệ thống kỹ thuật, thang bộ, thang máy Sau số cách bố trí thơng dụng: - Nhà lõi trịn, vng, chữ nhật, tam giác (kín hở) - Nhà có lõi hai lõi - Lõi nằm nhà theo chu vi nhà có phần nằm ngồi Các hệ lõi chịu lực Trường hợp nhà có nhiều lõi cứng chúng đặt xa sàn tựa lên hệ thống dầm lớn liên kết với lõi Các lõi cứng bố trí mặt nhà cho tâm cứng cơng trình trùng với trọng tâm để tránh bị xoắn dao động Lõi cứng làm việc consol lớn ngàm vào mặt móng cơng trình, lõi có tiết diện kín, hở hồn tồn nửa hở, nhiên thực tế lõi cứng thường có tiết diện hở nửa hở Đây hệ kết cấu sử dụng phổ biến, sử dụng cho cơng trình có số tầng lên đến 60-70 tầng Cơng trình “The Miglin-Beiler Tower” Chicago (Hoa Kỳ) Hình mơ tả cơng trình “The Miglin-Beiler Tower” Chicago (Hoa Kỳ) có phần kết cấu thân khơng kể tháp thép cao 443,2m sử dụng hệ kết cấu lõi chịu lực, cơng trình đặt lõi bê tơng cốt thép chịu lực có bề dày giảm dần từ 0,91m đến 0,46m, xung quanh bố trí thêm số cột thép rỗng nhồi bê tông số dàn thép biên để tăng độ cứng tổng thể Hệ hộp chịu lực Ở hệ này, sàn đƣợc gối lên kết cấu chịu tải nằm mặt phẳng tường mà không cần gối trung gian khác bên Hệ hộp với giải pháp lưới khơng gian có chéo thường dùng cho nhà có chiều cao lớn Các hệ hộp chịu lực Xuất phát từ phát triển vật liệu bê tông cốt thép, nhiều cơng trình có chiều cao lớn xây dựng Sau thời gian thực tế chứng minh với cơng trình q cao (trên 30 tầng) việc sử dụng hệ kết cấu khung không kinh tế kích thước dầm cột lớn ảnh hưởng nhiều đến không gian sử dụng, kết cấu móng Nếu sử dụng hệ vách, lõi bên cơng trình thường cơng trình khơng đủ độ cứng, độ ổn định tổng thể cần thiết Từ hệ kết cấu hộp xuất nhằm đáp ứng yêu cầu đặt cho cơng trình siêu cao tầng Hệ kết cấu gồm cột đặt dày đặc toàn chu vi cơng trình liên kết với nhờ hệ thống dầm ngang gọi kết cấu hộp (còn gọi kết cấu ống) Hệ hộp chịu tất tải trọng đứng tải trọng ngang Các sàn gối lên kết cấu chịu tải nằm mặt phẳng tường ngồi mà khơng cần kết cấu trung gian khác bên Khi cột đặt thưa kết cấu làm việc theo sơ đồ khung, cột đặt kề hệ dầm có độ cứng lớn tác dụng tải trọng ngang kết cấu làm việc consol Trong thực tế, khoảng cách cột biên đặt theo mức độ cho phép kết cấu ống, thực chất nằm trung gian sơ đồ biến dạng consol sơ đồ khung Các giải pháp kết cấu cho vỏ hộp: - Dùng lưới ô vuông tạo thành từ cột đặt cách khoảng cách bé với dầm ngang có chiều cao lớn Hệ kết cấu phù hợp với chất toàn khối kết cấu bê tông cốt thép Tuỳ thuộc vào chiều cao kích thước mặt cơng trình mà khoảng cách cột từ 1,5m đến 4,5m, chiều cao dầm từ 0,6 đến 1,2m Dùng cho nhà cao từ 40-60 tầng Hệ hỗn hợp Khung – Tường (Vách) chịu lực Sơ đồ giằng Sơ đồ khung – giằng Hệ KHUNG-LÕI chịu lực Phụ thuộc vào liên kết cột-dầm hệ chia thành sơ đồ Trong hệ kết hợp này, tải trọng ngang truyền vào hệ lõi cứng hệ khung chủ yếu chịu phần tải trọng đứng phạm vi nó, bố trí hệ kết cấu cần ý: - Bố trí tâm cứng hệ lõi gần với tâm đặt tải trọng tốt để hạn chế gây mômen xoắn; - Bố trí chu vi hệ lõi lớn tốt để tăng khả ổn định tổng thể; - Đưa hệ khung chu vi để tận dụng khả chịu uốn tốt khung hình thành nên hệ khối khơng gian để tăng độ cứng tổng thể chịu uốn chịu xoắn cơng trình Hình 12 Hệ khung – lõi chịu lực Hệ HỘP-TƯỜNG chịu lực Ở hệ tường chịu tải bố trí bên hộp tham gia chụ tải (đứng ngang) với vỏ hộp Hệ có sơ đồ sau: - Hộp-tường ngang chịu tải; - Hộp- tường dọc chịu tải; - Hộp- tường dọc tường ngang chịu tải (hệ hộp nhiều ngăn) Hệ HỘP-LÕI chịu lực (ống ống) Hộp lõi có kích thước lớn thường bố trí bên gần Khác với hệ khung-lõi, hệ hộp chịu lực toàn tải trọng đứng ngang sàn truyền vào, khơng có cột trung gian đỡ sàn Hình 15 Các giải pháp lõi - ống, ống ống Hộp nhà giống lõi, hợp thành từ tường đặc có lỗ; Hộp ngồi biên có diện tích mặt phẳng lớn, tạo thành từ cột có khoảng cách nhỏ liên kết với ngang có chiều cao lớn theo hai phương ngang chéo tạo nên mặt nhà dạng khung - lưới, có hình dáng phù hợp với giải pháp kiến trúc mặt đứng Tiết diện cột ngồi biên đặc rỗng tạo nên dãy ống nhỏ nên gọi kết cấu hộp hộp hay ống ống, thường đươc sử dụng nhà cao Ở hệ hỗn hợp hộp lõi tham gia chịu tải trọng đứng ngang Các sàn liên kết phận chịu lực lại chúng làm việc hệ tải trọng ngang xuất Phần hộp chịu phần lớn tải trọng ngang phía trên, phần lõi cứng lại chịu phần lớn tải trọng ngang phía nhà Hệ TƯỜNG-LÕI chịu lực Ở hệ phần lõi chịu lực bố trí bên nhà, cịn tường bố trí phía ngồi, vừa làm nhiệm vụ phân chia không gian vừa làm nhiệm vụ chịu tải Hệ KHUNG - VÁCH - LÕI Hình 16 Kết cấu khung – vách – lõi Lựa chọn hệ chịu lực theo số tầng: Sơ đồ lựa chọn hệ kết cấu theo số tầng Đây hệ kết hợp phổ biến hiệu cao kết cấu nhà cao tầng Khi bố trí hệ kết cấu khung - vách lõi cần ý: - Bố trí hệ lõi đối xứng tâm nhà để tăng khả chịu uốn - Bố trí vách phẳng kết hợp với hệ khung phẳng biên để vừa chịu uốn vừa chịu cắt đồng thời tăng khả chống xoắn Trong thiết kế xây dựng nhà cao tầng, việc lựa chọn hệ kết cấu chịu lực hợp lý phụ thuộc vào nhiều yếu tố chiều cao, điều kiện địa chất thuỷ văn, đồ phân vùng động đất khu vực toàn lãnh thổ đất nước giải pháp kiến trúc cơng trình Nhà cao tầng chịu tải trọng đứng (tĩnh tải hoạt tải), chịu ảnh hưởng tác động tải ngang lớn nên cần ý đến việc lựa chọn bố trí kết cấu đứng cột, vách, lõi… phù hợp đẻ giảm chuyển vị ngang GIẢI PHÁP KẾT CẤU THEO PHƯƠNG ĐỨNG Hệ kết cấu chịu lực thẳng đứng có vai trị quan trọng kết cấu nhà nhiều tầng vì: - Chịu tải trọng dầm sàn truyền xuống móng xuống đất - Chịu tải trọng ngang gió áp lực đất lên cơng trình - Liên kết với dầm sàn tạo thành hệ khung cứng, giữ ổn định tổng thể cho cơng trình, hạn chế dao động chuyển đỉnh cơng trình Cấu tạo khung (theo tiêu chuẩn 198-1997) Các cơng trình bị sụp đổ động đất gây vị trí bị phá hoại trước tiên thường nút khung phần dầm, cột tiếp xúc với Tại vị trí đó, bê tơng bị nát vụn biến dạng ngang lớn bị nén lamd cho cốt đai bị kéo đứt, cốt dọc bị ổn định, oằn ngồi Để giảm biến dạng ngang bê tơng, tăng cường ổn định cốt dọc cần thiết phải tăng cường cốt đai vùng (gọi vùng tới hạn) Tiết diện ngang cột, dầm nên chọn theo quy định sau: Đối với cột: chiều dài thông thủy cột Đối với dầm: Cấu tạo cốt thép cột Vùng tới hạn cột Vùng tới hạn vùng có khả xuất khớp dẻo nhất, phá hoại thường vùng này, vùng cần có cấu tạo đặc biệt để đảm bảo độ dẻo cần thiết khả phân tán lượng Những vùng sau gọi vùng tới hạn: Đoạn từ đầu mút cột tiếp giáp với khung có chiều dài L Chân cột giáp với móng có chiều dài Hc /4 Cốt đai Cốt đai cột dùng cốt đai rời hai đầu phải uốn mốc neo góc chiều dài đoạn thẳng neo ( – đường kính cốt đai), cách cốt dọc có cốt đai Vách, lõi cứng Tổng diện tích mặt cắt ngang vách (lõi) cứng xác định theo cơng thức gần đúng: Avl = 0,015Asi Asi – diện tích sàn tầng Cốt thép vách đặt thành lưới gồm cốt thép đứng ngang, phải đặt hai lớp, mặt lưới Cốt thép ngang không nhỏ cốt thép đứng Đường kính cốt thép đứng ngang: dd, dng Dùng cốt thép neo (chữ C S) để liên kết lưới thép, đường kính Cần có cho mét vng lưới, khoảng cách cốt neo không 400mm Trong vùng nối buộc khoảng cách cốt neo khơng q 300mm Các góc lỗ trống có kích thước nhỏ, có cạnh nhỏ 3t l/6 cần gia cường cốt thép chéo, chéo có đường kính bé 12mm mặt lỗ Trường hợp có lỗ trống kích thước nhỏ, tính tốn xem vách đặc cần bố trí cốt thép xung quanh lỗ tạo thành khung kín giả Đối với vách có lỗ cửa lớn, phần lanh tơ cửa cần bố trí cốt thép chéo Các cốt thép chéo nằm cốt đai (giống cột giả) với chiều dài neo tăng thêm 50% so với cốt thép chịu kéo BTCT thông thường Bước cốt đai không lớn 100mm ... chịu tải Hệ KHUNG - VÁCH - LÕI Hình 16 Kết cấu khung – vách – lõi Lựa chọn hệ chịu lực theo số tầng: Sơ đồ lựa chọn hệ kết cấu theo số tầng Đây hệ kết hợp phổ biến hiệu cao kết cấu nhà cao tầng Khi... hệ kết cấu hộp xuất nhằm đáp ứng u cầu đặt cho cơng trình siêu cao tầng Hệ kết cấu gồm cột đặt dày đặc tồn chu vi cơng trình liên kết với nhờ hệ thống dầm ngang gọi kết cấu hộp (còn gọi kết cấu. .. PHÁP KẾT CẤU THEO PHƯƠNG ĐỨNG Hệ kết cấu chịu lực thẳng đứng có vai trò quan trọng kết cấu nhà nhiều tầng vì: - Chịu tải trọng dầm sàn truyền xuống móng xuống đất - Chịu tải trọng ngang gió áp lực