luận văn: thiết kế kết cấu nhà cao tầng

Theo cách phân loại chi tiết của Wolgang Schueller 1976, kết cấu thông dụng nhất trong xây dựng nhà cao tầng nh sau: Hệ kết cấu chỉ có vách cứng song song theo một hớng H.2a; Hệ có lõi

Chơng 1: Tổng quan về thiết kế nhà cao tầng Đối với các nhà cao tầng, thiết kế kiến trúc có ảnh hởng quyết định tới thiết

kế kết cấu Trong giai đoạn hiện nay, yêu cầu cần phải có những giải pháp thiết

kế đạt hiệu quả kinh tế Các công trình có thiết kế kiến trúc phức tạp xuất hiệnngày càng nhiều, yếu tố ấy dẫn tới vai trò ngời kỹ s kết cấu rất quan trọng thamgia ngay trong giai đoạn thiết kế

Nhiệm vụ của kỹ s kết cấu trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng là tìm ra mộtgiải pháp tối u với giá thành thấp nhất Nh vậy, ngời kỹ s kết cấu cần ý thức đợctầm quan trọng và mối liên hệ giữa các lĩnh vực khác nhau nh kiến trúc, kỹ thuậtcông nghệ và kinh tế

I Định nghĩa về nhà cao tầng.

Về mặt kết cấu một công trình đợc định nghĩa là nhà cao tầng khi độ bềnvững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định Tải trọng ngang có thểdới dạng gió bão hoặc động đất Mặc dù cha có một thống nhất chung nào về

đinh nghĩa nhà cao tầng, nhng có một ranh giới đợc đa số các kết cấu s chấp

nhận đó là từ nhà thấp tầng đến nhà cao tầng có một sự chuyển tiếp từ phân tích

tĩnh học sang phân tích động học.

Các công trình cao tầng sẽ ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn sovới nhà cao tầng trong quá khứ Các nghiên cứu trên thế giới khẳng định xu hớngnày thông qua các kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao sẽ

đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn

II Các yêu cầu về mặt kết cấu.

Trong thiết kế nhà cao tầng để đạt tới một thiết kế hợp lý thì cần phải phốihợp đợc 3 điều kiện sau: về khả năng chịu lực, các yêu cầu sử dụng bình thờng( dao động , chuyển vị) và độ ổn định Yếu tố ảnh hởng lớn nhất là tải trọngngang, công trình càng cao thì ảnh hởng này đối với hình dạng kết cấu càng lớn.Khi chiều cao công trình tăng lên thì các yếu tố sau trở nên hết sức quan trọng:

 ảnh hởng của tải trọng ngang do gió và động đất

 Việc xác định độ lớn của tải trong ngang đa vào thiết kế

 Chuyển vị ngang tại đỉnh công trình và chuyển vị lệch giữa các mứctầng

 Gia tốc dao động

 ảnh hởng của chuyển vị ngang đến các bộ phận không chịu lực

 Hiệu ứng uốn dọc ( P – Delta ), chuyển vị do từ biến, chuyển vị chênhlệch giữa các kết cấu chịu tải trong thẳng đứng

Ngoài ra: Kết cấu nhà cao tầng cũng cần phải đợc tính toán kiểm tra với các

tr-ờng hợp tải trọng sau :

- Do ảnh hởng của sự thay đổi nhiệt độ

- Do ảnh hởng của từ biến

- Do sinh ra trong quá trình thi công

- Do áp lực của nớc ngầm và đất

Khả năng chịu lực của kết cấu cần đợc kiểm tra theo từng tổ hợp tải trọng,

đợc quy định theo các tiêu chuẩn hiện hành

Riêng với tải trọng gió: Đối với nhà cao tầng thì cần kể thêm ‘’ Hệ số tầm quan trọng ‘’

+ Khác với nhà thấp tầng trong thiết kế nhà cao tầng thì việc kiểm tra ổn

định tổng thể công trình đóng vai trò hết sức quan trọng Các điều kiện cần kiểmtra gồm:

+ Các bộ phận kết cấu chịu lực chính của nhà cao tầng nh vách, lõi, khungcần phải đợc bố trí đối xứng Trong trờng hợp các kết cấu này không thể bố trí

đối xứng thì cần phải có các biện pháp đặc biệt chống xoắn cho công trình theophơng đứng

+ Hệ thống kết cấu cần đợc bố trí làm sao để trong mỗi trờng hợp tải trọngsơ đồ làm việc của các bộ phận kết cấu rõ ràng mạch lạc và truyền tải một cáchmau chóng nhất tới móng công trình

+ Tránh dùng các sơ đồ kết cấu có các cánh mỏng và kết cấu dạngcongson theo phơng ngang vì các loại kết cấu này rất dễ bị phá hoại dới tác dụngcủa động đất và gió bão

+ Trong các trờng hợp đặc biệt nói trên ngời thiết kế cần phải có các biệnpháp tích cực làm cứng thân hệ kết cấu để tránh sự phá hoại ở các vùng xungyếu

IV.3 T ơng tác giữa các bộ phận trong hệ kết cấu chịu lực (hệ kết cấu

Hệ kết cấu khung giằng: Đặc điểm nổi bật là kết cấu khung chịu lực cắt

kém nhng lại có độ cứng chống uốn lớn, ngợc lại các vách cứng lại có độ cứngchống cắt lớn hơn nhng độ cứng chống uốn tơng đối nhỏ, đặc biệt là khi chiềucao nhà tăng lên Do tính chất khác biệt của hai bộ phận kết cấu nói trên trongquá trình làm việc đồng thời chịu tải trọng ngang vách cứng và khung cứng tơngtác lẫn nhau Hiệu ứng này thể hiện rõ khi chiều cao nhà tăng lên

IV.4 Cấu tạo các bộ phận liên kết:

+ Kết cấu nhà cao tầng cần phải có bậc siêu tĩnh cao để trong trờng hợp bị

h hại do các tác động đặc biệt nó không bị biến thành các hệ biến hình

+ Các bộ phận kết cấu đợc cấu tạo làm sao để khi bị phá hoại do các trờnghợp tải trọng thì các kết cấu nằm ngang sàn, dầm bị phá hoại trớc so với các kếtcấu thẳng đứng: cột, vách cứng

VI Thiết kế nhà cao tầng theo ph ơng pháp đa ngành đa lĩnh vực

Thiết kế nhà cao tầng yêu cầu một sự phối hợp hết sức chặt chẽ giữa nhiềulĩnh vực, nhiều thành phần khác nhau nh chủ đầu t, công t tài chính, công ty bất

động sản, kiến trúc s, kỹ s kết cấu, kỹ s kinh tế, kỹ s cơ điện, nhà thầu thi công

và các đơn vị kỹ thuật liên quan khác Trớc đây công việc thực hiện bởi mỗithành viên tham gia thiết kế rất ít khi đợc tối u hoá

Trong vòng thập kỹ gần đây, xu hớng đẩy mạnh sự phối hợp giữa các bênliên quan trong quá trình thiết kế đã trở nên rất phổ biến trên thế giới Mục tiêucuối cùng của việc tăng cờng hợp tác này nhằm đạt tới một giải pháp thiết kế

tổng thể có hiệu quả kinh tế cao nhất.

Một trong những ví dụ điển hình là đánh giá sự lợi ích phối hợp giữa kỹ skết cấu và kỹ s cơ điện trong việc thiết kế lõi cứng và hệ thống sàn ở đây cácyếu tố quan trọng nhất yêu cầu sự kết hợp là việc quyết định chiều cao tầng, vịtrí cũng nh kích thớc của các kết cấu thẳng đứng nh lõi cứng, lõi, cột

Trong quá trình thiết kế định hớng vai trò của ngời kỹ s cơ đIửn chỉ giớihạn xung quanh việc cung cấp các thông số yêu cầu về không gian cần thiếtchophòng đặt máy, chiều cao tối thiểu cho các hệ thống ống đi ngầm trên trần vàkích thớc thang máy

VII Thiết kế tính đến toàn bộ thời gian sử dụng công trình

dân sống trong nhà cao tầng nên luôn có yêu cầu hiện đại hoá các nhà cao tầng

đang sử dụng

Chính vì lẽ đó nên trong quá trình thiết kế ngời kỹ s phải lờng trớc đợcnhững thay đổi có thể xảy ra trong tơng lai, chọn giải pháp kết cấu hợp lý, chophép thực hiện những thay đổi mà không ảnh hởng gì đến độ bền vững của côngtrình và đồng thời cũng không đợc quá tốn kém Các yếu tố cần quan tâm baogồm:

- Kết cấu: chọn vật liệu nào cho phép dễ thay đổi, ví dụ hệ thống sàn composite

có u thế hơn sàn ứng suất trớc

- Tải trọng: theo kinh nghiệm thiết kế thì tại các khu công cộng hay kho chứa

nên tăng tải trọng thiết kế so với nhu cầu hiện tại để tính đến những thay đổi vềsau

- Tầng kỹ thuật: việc bố trí tầng kỹ thuật cũng nh trọng lợng bản thân của hệ

thống kỹ thuật ( thiết bị , máy móc, ) phải đợc xác định đầy đủ

- Kết cấu bao che: chọn loại dễ tháo lắp để thay đổi ( vì thờng có cờng độ bền

10 – 20 năm) ví dụ thay đổi tờng gạch pa- nen đúc sẵn với các liên kết cho phépsửa đổi nhanh chóng

- Kết cấu chịu lực thẳng đứng: chú ý đến tải trọng hiện tại, tơng lai và tải trọng

phát sinh trong thi công , sữa chữa (khi cần nâng thêm tầng hoặc lắp thêm cáctháp ăng teng trên nóc nhà)

- Độ bền theo thời gian: Sự suy giảm độ bền theo thời gian phải đợc kiểm soát,

quan trắc, tuy là công việc kho khăn, nhng cần thiết để thực hiện việc bảo trì

đúng thời gian yêu cầu, nhằm duy trì độ bền lâu của công trình

Trong cơ cấu giá thành nói trên không đợc quên những chi phí cho bảotrì, và để tính những chi phí sau xây dựng thì phơng pháp thực dụng là chuyển

đổi tất cả các chi phí cho công trình trong tơng lai về giá trị hiện tại

Trong giai đoạn thiết kế và thi công thì việc lựa chọn giải pháp thiết kếhợp lý , hoặc có thể chọn phơng pháp thiết kế tối u, là có ý nghĩa nhất

Ví dụ khi chọn hệ lõi để chịu lực ngang của nhầco tầng thì những vấn đềsau đây cần đợc xem xét kỹ

- Giảm tối đa giá thành vật liệu: cân nhắc 3 yếu tố liên quan là khối lợng

bêtông, lợng cốt thép và cờng độ bêtông Nh hình vẽ dới đây thể hiện, trong 3yếu tố trên thì tăng cờng độ bêtông đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất

1.0 2.0 3.0 4.0

hà

m l

Ư ợ

g té

Chỉ tă

ng chiều dà

y tƯờng

Chỉ tăng cƯờng độ b

êtông

- Giảm tối thiểu diện tích lõi để tăng tối đa diện tích sử dụng

- Giảm tối thiểu thời gian thi công để giảm lãi suất ngân hàng

- Giảm tối thiểu chiều cao tầng khi đặt hệ thống ống kỹ thuật đi ngầmtrong sàn

Hiện nay có 2 xu hớng tác động đến giá thành nhà cao tầng Một là giáthành nhà sẽ giảm xuống đáng kể khi dùng xật liệu mới nhẹ nhng cờng độ cao,khai thác không gian ngầm dới mặt đất nên hiệu suất 1m2 đấtđợc tăng lên và ph-

ơng pháp thi công hiện đại đã rút ngắn thời gian xây dựng Hai là giá thành hệthống thiết bị kỹ thuật (thang máy, an toàn, cháy nổ, đảm bảo điều kiện môi tr-ờng…) có xu h) có xu hớng tăng hơn trớc Do vậy, giá thành càng là bài toán có tínhchiến lợc trong phát triển xây dựng nhà cao tầng

Chơng 2 : nghiên cứu về kết cấu nhà cao tầng

và lựa chọn giải pháp tối u

Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cũng nh trên thế giới, yêu cầu vềnhà cao tầng ngày một bức xúc vì nhiều lý do khác nhau xuất phát từ yêu cầuthực tế dân số tăng và sự tiến bộ của xã hội, đi kèm theo đó là sự phát triển củakhoa học công nghệ, cơ khí và tự động hoá Để đáp ứng những yêu cầu đó và

để giải quyết thi công nhanh, nhất là đối với cao ốc có tầm cao rất lớn, giải pháp

sử dụng kết cấu thép hoặc kết cấu liên hợp thép - bê tông cho khung sờn nhà caotầng là phơng án rất có hiệu quả vì nhiều lý do sau đây:

* Kết cấu tơng đối nhẹ so với bê tông cốt thép, trọng lợng chỉ bằngkhoảng 60% kết cấu BTCT Tuy đơn giá vật liệu đắt hơn, nhng theo thống kê từnhững công trình đã thi công trớc đây, giá thành xây lắp vẫn có khả năng giảmkhoảng 80%; vì phơng án nền móng có thể đơn giản, đỡ tốn kém hơn và nhịpkhung dầm có thể vợt khẩu độ lớn hơn, vì vậy có khả năng bớt đợc số lợng cột

* Các cấu kiện đợc tiền chế trong điều kiện kiểm tra giám sát chất lợngchặt chẽ trong nhà máy và dễ dàng cơ giới hoá khi lắp dựng, có khả năng thicông với mức độ chính xác cao, tiết kiệm nguyên vật liệu, nhân công Đồng thời,khung thép vốn dĩ là những cấu kiện lắp ghép ở mức độ lý tởng, tạo điều kiện

đẩy nhanh tiến độ thi công, sớm đa công trình vào phục vụ khai thác

* Các chi tiết trong khung thép nhà cao tầng thờng giống nhau, có thể lắpráp theo nhiều động tác trùng lặp Hiện trờng công tác gọn nhẹ, điều kiện thicông trong khô ráo cũng là nguyên nhân giảm bớt các thất thoát về vật liệu, lao

động và thời gian

Để đạt đợc những u điểm trên và khắc phục những nhợc điểm của kết cấuthép là giá thành cao, biến dạng lớn, thanh nén dễ mất ổn định, rất nhạy cảm đốitải trọng động, với môi trờng xâm thực và nhất là hoả hoạn vấn đề thiết kế nhàcao tầng bằng thép đòi hỏi phải có những nghiên cứu nghiêm túc của kiến trúc s,

kỹ s thiết kế và các nhà thầu thi công Không những phải thông hiểu bản chất kếtcấu khung sờn thép, mà còn phải biết rõ mọi cấu kiện hoàn thiện khác lắp dựngsau, chẳng hạn, kết cấu bao che, trang thiết bị kỹ thuật, hoàn thiện nội thất v.v Cần phải xem kết cấu thép nh một phần của tổng thể kết cấu, phải phối hợp các

bộ phận có liên quan, đảm bảo tiêu chuẩn hoá và lặp lại tối đa Về nguyên tắc,mục tiêu chủ yếu vẫn là ba vần đề : kỹ thuật, kiến trúc và kinh tế

+ Về kỹ thuật, mục tiêu hàng đầu là phải đảm bảo kết cấu khung thép nhàcao tầng đủ chắc khoẻ, chịu đợc mọi tác động trong suốt quá trình thi công vàkhai thác sử dụng công trình, kể cả các tác dụng của những tải trọng tai biến, hoảhoạn Vật liệu nên dùng loại có cờng độ cao, trọng lợng nhẹ và dẻo dai bền chắc

+ Về tổ chức không gian sử dụng, kết cấu khung thép là một trong nhữngloại ít khống chế ngăn trở ý đồ thiết kế kiến trúc, có khả năng tạo đợc những bớccột rộng rãi thông thoáng, rất cần cho các đại sảnh, hội trờng, các phòng ốc cầnthoáng đãng, nhng vẫn có thể dễ dàng chia nhỏ, phục vụ cho các văn phòng làmviệc bằng các vách ngăn nhẹ nhàng

+ Về kinh tế, nếu xét cả vốn đầu t xây lắp và hiệu quả do thi công nhanh,mức độ công nghiệp hoá cao, khai thác sử dụng công trình sớm v.v nhiều côngtrình nhà cao tầng khung thép và thép-bê tông liên hợp đã đạt mục tiêu kinh tế

2 - Khung sên thÐp, sµn tÇng vµ phßng ho¶ : 10%

Phần còn lại là chi phí chủ yếu cho kiến trúc bao gồm công tác hoàn thiện và lắp

đặt trang thiết bị, kể cả phần cơ điện (khoảng 10%) và các hệ thống phục vụkhác (khoảng 20%)

II Hệ thống nhà cao tầng khung thép và thép bêtông liên hợp.

II.1 về ph ơng diện kết cấu

Đối với công trình nhà cao tầng bằng thép, mặc dù có nhiều u điểm nhng

về mặt kết cấu, khung thép thờng có độ mảnh lớn Những cấu kiện chủ yếu đềuchịu nén và chịu uốn, rất dễ mất ổn định Mặt khác, các loại tải trọng ngang nh :gió, động đất, sẽ gây ra những tác động bất lợi Do đó, khi nghiên cứu thiết kế hệthống kết cấu, đòi hỏi phải có sự lu ý đặc biệt về một số tiêu chí quan trọng,chẳng hạn, tải trọng ngang thiết kế, điều kiện địa kĩ thuật, tiêu chuẩn về cáctrạng thái giới hạn ( chuyển vị ngang, dao động, cờng độ, ổn định v.v ) Ngoài

ra, hệ thống kết cấu nhà cao tầng còn cần đợc nghiên cứu thiết kế một cách tổnghợp, thoả mãn cả những yêu cầu phi kết cấu, ví dụ: về hình thức bề ngoài, về tỷ

lệ kích thớc và cảnh quan kiến trúc; về tổ chức không gian sử dụng; về chủngloại vật liệu phù hợp và dễ cung ứng; về vốn đầu t và điều kiện kinh tế; về côngnghệ xây dựng và tổ chức thi công; về hệ thống trang thiết bị kĩ thuật và cấp độphòng hoả; về điều kiện khai thác và quản lý công trình v.v

Cao ốc với khung sờn bằng thép cũng thờng sử dụng làm nhà ở chung c,văn phòng cho thuê, khách sạn Một số khác còn dùng làm bệnh viện, trờng họcv.v Tuy công năng không giống nhau, nhng nguyên tắc xử lý kết cấu nói chungkhông khác nhau nhiều: cấu trúc khung sờn nhà cao tầng gồm dầm và cột vớinhiều cách bố trí cấu tạo khác nhau sẽ cùng chịu lực và mọi tác động trong một

hệ kết cấu thống nhất và truyền tải trọng xuống nền móng công trình Các bộphận khác nh sàn tầng, tờng ngăn và kết cấu bao che tuy chủ yếu chịu lực cục

bộ nhng rồi cũng đều truyền tải trọng lên hệ khung sờn thép

Những siêu cao tầng hoặc nhà có độ mảnh lớn thờng rất nhạy cảm với tảitrọng gió và động đất, nh vậy cần thấu hiểu mọi trạng thái của kết cấu Nhữngthông số quan trọng nhất tác động đến công trình, chẳng hạn nh biên độ dao

động giới hạn  trên đỉnh lầu do gió bão gây ra không đợc ảnh hởng đến sinhhoạt bình thờng cũng nh tác động xấu đến tâm sinh lý của những ngời c trú trêntầng cao, đồng thời cũng không gây hậu quả bất lợi cho hoạt động của thangmáy, không làm rạn nứt kết cấu bao che và các vách ngăn, không ảnh hởng đếnkích thớc vốn chặt chẽ của khuôn cửa khi đóng mở v.v Ví dụ nh ở Hoa Kỳ chỉ

số ''lắc ngang'' tơng đối /h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy địnhh ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy địnhkhông đợc vợt quá 1,5 – 3%o trong  gió bão 10 năm “, tức là biên độ dao độngchỉ khoảng 1m khi đỉnh lầu cao 400m so với mặt đất Nếu thiết kế với gió bãolớn hơn nữa, ví dụ: tần suất 1/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định100 và 2/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định100 (gió bão 100 năm và 50 năm ) chỉ số

/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy địnhh giới hạn khoảng 4,8%o tức là chuyển vị trên dới 2m đối với các loại nhà caohơn 400m Theo tiêu chuẩn thiết kế của Vơng quốc Anh BS 5950 cũng tơng tự

nh vậy:   (1/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định300 ~1/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định600)h

Vấn đề động đất đối với nhà cao tầng nói chung cần nghiên cứu thiết kế

đặc biệt, nhất là với gia tốc nằm ngang của địa chấn Ngoài thép bổ sung cho cáccấu kiện chịu lực, phải tăng cờng thêm các giằng chống và mối nối chịu mômen,

đồng thời cũng phải nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu phù hợp có cờng độcao, trọng lợng nhẹ và tính năng mềm dẻo v.v

Trong thực tế thiết kế và xây dựng nhà cao tầng, biện pháp giảm chấn cục

bộ hoặc tổng thể trong thời gian gần đây cũng đợc nghiên cứu nhiều, mục đíchtránh gây cảm giác khó chịu và bất lợi cho sinh hoạt của c dân sống trên các tầngcao khi có gió bão hoặc động đất Có thể bố trí bổ sung những chi tiết giảm chấn

II.2 Phân loại kết cấu nhà cao tầng :

Các loại nhà cao tầng có thể phân thành nhiều cách khác nhau Riêng vềkết cấu khung sờn chịu lực có mấy cách phân loại sau :

a Theo cách phân loại của khan Fazlur (1966), gồm 4 loại :

Loại I : Hệ khung, gồm 2 loại: khung cứng và khung nửa cứng (thờng dùng chonhững cao ốc 1518 tầng);

Loại II : Hệ khung giằng, gồm 2 loại: khung giằng có và không có dàn đai(thích dụng đối với cao ốc 4550 tầng);

Loại III : Hệ ống thanh thành mỏng, tiết diện hở, gồm 2 loại : có các vách dạngdàn phẳng và dạng tiết diện chữ I (6065 tầng);

Loại IV: Hệ ống kín, gồm 3 loại: ống có khung bên trong , ống lồng ống, kể cảống bó và ống có giằng chéo lớn bên ngoài ( 90, 100, 110 tầng)

b Theo cách phân loại chi tiết của Wolgang Schueller (1976), kết cấu thông dụng nhất trong xây dựng nhà cao tầng nh sau:

Hệ kết cấu chỉ có vách cứng song song theo một hớng (H.2a);

Hệ có lõi cứng ở giữa và vách cứng xung quanh biên (H.2b);

Hệ gồm các blốc lắp ghép theo kiểu khối xây (H.2c);

Hệ lõi cứng và các tầng sàn ngàm công-xôn xung quanh (H.2d);

Hệ khung gồm cột và các sàn tầng không dầm (H.2e);

Hệ lõi cứng và các côngxôn cao bằng một tầng, bố trí cách tầng (H.2f);

Hệ lõi cứng và các sàn treo vào dầm gánh bố trí trên tầng đỉnh (H.2g);

Hệ có các dàn cao bằng một tầng đặt so le và cách tầng (H.2h);

Hệ khung không gian nút cứng (H.2i);

Hệ lõi cứng làm việc tơng tác với khung cứng (H.2j);

Hệ vách cứng dạng dàn tơng tác với khung cứng (H.2k);

Hệ lõi cứng dạng dàn với dàn đỉnh và dàn đai (H.2l);

Hệ ống lồng ống (H.2m);

Hệ gồm nhiều ống bố trí thành cụm, thành bó ống (H.2n)

H×nh 2

c Theo hệ kết cấu do CTBUH, group SC phân loại (1980):

Loại I : Khung chịu cắt gồm : khung nửa cứng và khung cứng;

Loại II : Hệ hỗn hợp : khung+dàn giằng và khung+dàn giằng+dàn đai;

d Theo Uỷ ban về nhà cao tầng ( 1984, Falconer và Beedle ) gồm 4 cấp

Cấp A: Các hệ khung (xx): vách, lõi, khung, ống;

Cấp B : Các hệ giằng (xx,yy,z): khung giằng, khung cứng, vách, lõi giằng; Cấp C : Các hệ khung sàn (xx): thép, bê tông, liên hợp thép-bê tông;

Cấp D : Dạng cao ốc và hệ truyền tải (xx,yy,z): dạng mặt bằng, dạng mặt đứng,

hệ truyền tải

HÖ khung

HÖ gi»ng

V¸ch Lâi Khung èng KÕt cÊu ph¼ng 2 èng

Khung gi»ng Lâi thÐp gi»ng Nót cøng V¸ch gi»ng Lâi BT gi»ng

KÕt cÊu ph¼ng 1

KÕt cÊu ph¼ng 2 D¹ng cao èc vµ truyÒn t¶i

- KÕt cÊu têng chÞu c¾t ( v¸ch cøng );

- KÕt cÊu hçn hîp khung-têng chÞu c¾t;

- KÕt cÊu èng (lâi): èng trong, èng ngoµi, èng lång, èng bã vµ èng tæ hîp

f Riªng vÒ chung c cao tÇng míi ®©y (th¸ng 4 n¨m 2002) ë NhËt b¶n ph©n lo¹i gåm 4 d¹ng kÕt cÊu kh¸c nhau:

KÕt cÊu khung cã nót cøng chÞu m«men (H.5a lµ vÝ dô cao èc 38 tÇng);

KÕt cÊu khung vµ têng chÞu c¾t (H.5b lµ vÝ dô cao èc 25 tÇng);

KÕt cÊu èng (lâi) lång èng (H.5c lµ vÝ dô cao èc 25 tÇng);

KÕt cÊu èng lång vµ v¸ch nh èng thø 3 (H.5d lµ vÝ dô cao èc 32 tÇng)

H×nh 4

III Sự làm việc của kết cấu thép nhà cao tầng :

Cấu kiện chịu lực chủ yếu của nhà cao tầng khung thép cũng gồm nhữngcấu kiện cột, dầm, sàn tầng tạo thành khung không gian và các hệ thống giằngtạo thành các vách cứng, lõi cứng hoặc các loại dầm dàn ngang (dàn đỉnh, dàn

đai, dầm vơn ) Những cấu kiện này về mặt chịu lực có thể phân loại thành 2nhóm chính :

1/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định Hệ chịu tác động của tải trọng thẳng đứng Bao gồm hệ dầm thép đỡcác sàn tầng nằm ngang, chịu toàn bộ tải trọng đứng tác dụng trên sàn, liên kếtvới hệ thống cột hoặc vách, lõi cứng cấu tạo dới dạng các dàn tờng thẳng đứng

và truyền tải xuống nền móng theo nguyên tắc truyền tải trọng thẳng đứng thôngthờng

2/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định Hệ chịu tác động của tải trọng nằm ngang Bao gồm cột và dầm thép,nối cứng với nhau tạo thành một hệ khung cứng trong không gian hoặc gồm hệcác thanh giằng chéo phối hợp với cột và dầm tạo thành những dàn đứng đợc gọi

là các vách hoặc lõi cứng (các thanh giằng chéo bố trí trong các ô chữ nhật baoquanh bởi các phần tử cột và dầm) Các phần tử của sàn tầng liên kết chặt chẽ

Hình 5

Ngoài giải pháp sử dụng khung sờn chịu lực hoàn toàn bằng thép, nhất làtrong các trờng hợp siêu cao tầng, đối với các loại cao ốc có tầm cao trung bình(khoảng trên 20 tầng), phơng án đợc dùng nhiều nhất là kết cấu thép-bêtông liênhợp, vì kết cấu bêtông với cốt thép thông thờng cũng sẽ không hợp lý: hoặc kíchthớc tiết diện cấu kiện quá lớn, hoặc là hàm lợng cốt thép vợt quá giới hạn maxtrong điều kiện tính toán kết cấu BTCT.

Ưu điểm của kết cấu thép-bêtông liên hợp đã đợc thử nghiệm trong nhiềunhà cao tầng ở nhiều nớc, cụ thể là:

Nếu so với kết cấu thép, u điểm nổi bật của loại hình kết cấu này là có khảnăng bảo vệ thép chống xâm thực của môi trờng, tăng cờng độ cứng, do đó tăngkhả năng ổn định cho kết cấu thép thanh mảnh và nhất là tăng khả năng chốngcháy nổ cho công trình

Nếu so với kết cấu BTCT, kết cấu thép-bêtông liên hợp có biến dạng lớnhơn, do đó chịu các tải trọng ngang tốt hơn, nhất là đối với tác động của địachấn Kết cấu cho phép không sử dụng đà giáo đúc sàn, dễ dàng dùng ván khuôntrợt trên hệ khung thép để thi công vách và lõi cứng, đẩy nhanh tiến độ xâydựng.Với kích thớc tiết diện cột khá nhỏ so với kết cấu BTCT, nên hiệu suất sửdụng mặt bằng các sàn tầng sẽ kinh tế hơn

kỹ thuật trong khoảng trống giữa tấm trần treo và sàn tầng cũng có thể khắc phục

đợc yếu điểm này, đặc biệt là nếu dùng kết cấu liên hợp thép-bê tông Bản thândầm thép còn có thể giảm bớt chiều cao nếu đợc liên kết cứng hoặc liên kết nửacứng vào cột, vì mômen âm xuất hiện ở hai đầu dầm sẽ làm giảm mô men dơng

Riêng bản sàn, nếu chọn quá mỏng, độ cứng chống uốn nhỏ, độ võng củasàn không bảo đảm, ảnh hởng đến điều kiện sử dụng, khả năng cách âm và mỹquan công trình, nhất là gây ra những bất lợi do rung động khi đi lại trên sàn,

đồng thời cũng kém hiệu quả khi toàn bộ kết cấu khung sờn thép chịu tải trọngngang Nếu chọn bản sàn quá dày, không những trọng lợng bản thân tăng màcòn ảnh hởng trực tiếp đến chiều cao, nền móng và giá thành công trình

Dầm sàn thép thờng bao gồm các cấu kiện tiền chế tiêu chuẩn, tạo thànhnhững mạng dầm điển hình hoá với các bớc cột nhất định, phù hợp với côngnăng của từng loại cao ốc Tuy nhiên, kết cấu sàn thép thờng chịu lực theo mộthớng, bởi vậy cần lu ý thiết kế mạng dầm sàn sao cho phù hợp, để tải trọng phân

bố hợp lý và hiệu quả nhất Ô sàn giữa các cột có dạng hình chữ nhật sẽ có hiệuquả hơn các ô sàn hình vuông Dầm chính chịu lực lớn sẽ bố trí theo nhịp ngắn( theo chiều rộng ) Dầm phụ có nhịp dài, bố trí tơng đối dày, kê vào dầm chính

và bảo đảm cho bản sàn BTCT kề lên có chiều dài nhịp phù hợp (khoảng

2,53,0m, nh hình 8).

Hình 8

Cấu tạo của sàn tầng thờng ảnh hởng lớn tới các chỉ tiêu đơn giá của côngtrình nhà cao tầng Do đó, cần nghiên cứu thiết kế tổng thể cả hệ mạng l ới dầmsàn, nhất là chiều dầy toàn bộ của hệ, bảo đảm các yêu cầu kinh tế-kỹ thuật, dựatrên cơ sở chiều cao tầng nhà quy định, chiều dài nhịp (bớc cột), cách bố trí đờngống và các trang bị kỹ thuật, công nghệ thi công ,vì đối với nhà cao tầng, tíchluỹ những gia số về chiều dày cấu tạo hệ dầm sàn của nhiều tầng sẽ là một con

số đáng kể và kéo theo hàng loạt vấn đề về tải trọng ngang (gió, địa chấn ), kíchthớc của những cấu kiện thẳng đứng (cột, vách ), nền móng, khối lợng vật liệu

và giá thành công trình v.v

Hình 9 giới thiệu khái quát về phạm vi chiều dài nhịp của ô sàn (theo

đơn vị dùng ở Hoa Kỳ) tơng ứng với một số dạng loại kết cấu dầm sàn thờngdùng thép hình cán nóng, loại tiết diện chữ I cánh rộng (hoặc chữ H)

Mặt cắt A-A ( tốt hơn )

để bố trí đ ờng ống Trần giả.3"

đối nhẹ và cũng có ảnh hởng tích cực đến sự chịu lực của khung sờn và nềnmóng công trình Ngoài ra, cấu kiện sàn thép dễ gia công, vận chuyển, lắp ráp

đơn giản, tốc độ thi công nhanh; phòng hoả tốt, có khả năng chịu lửa đến 2 giờkhông cần bảo vệ đặc biệt và 4 giờ nếu có bọc thêm lớp phòng cháy Khi thiết kếsàn loại này tốt nhất là cho lớp bêtông trên mặt cùng chịu lực liên hợp với sànthép, loại tấm tôn gấp nếp, để giảm bớt chiều dày và trọng lợng sàn đến mức tối

Mấu neo Btct đổ tại chỗ

Tấm đúc sẵn Sàn lắp ghép

Vật liệu hoàn thiện

khối lợng thép cho dầm (Hình 12) Trờng hợp chiều dài nhịp bản sàn không lớn,

khi đúc bêtông sàn có thể dùng ván khuôn tháo lắp, gá tựa ngay vào cánh dầmthép, không cần đà giáo Muốn cấu tạo bản sàn BTCT có độ dày tối thiểu, cầnchọn lựa khoảng cách hợp lý giữa các dầm thép Có thể chọn kích thớc sàn và hệdầm theo lý thuyết tối u hoá kết cấu, thoả mãn mọi rằng buộc thiết kế, để đạt đợccác hàm mục tiêu, chẳng hạn, về khối lợng vật liệu thép, hoặc về trọng lợng bảnthân, hoặc gía thành xây lắp là nhỏ nhất

3

4

5

Bản sàn thép gấp nếp liên hợp với bê tông đúc tại chỗ có thể dùng trongphạm vi nhịp khoảng 3m.

Đa số các sàn BTCT làm việc liên hợp với dầm thép thờng có độ cứng uốntơng đối lớn, do đó có khả năng chỉ gây ra những dao động với biên độ nhỏ khi

có ngời đi lại trên sàn tầng Những nghiên cứu gần đây cho thấy các nhịp ngắn L

 7,6 m cũng nh nhịp rất dài L  13,7m, các sàn tầng liên hợp thép-bê tôngkhông gây cảm giác chấn động cho ngời sử dụng bình thờng Do đó, cần đặc biệtchú ý với những chiều dài nhịp của bản sàn liên hợp trong phạm vi từ 9,1m đến10,7m

III.2 Hệ dầm:

Trong các nhà cao tầng khung sờn thép, thờng hệ dầm sàn đợc cấu tạo bởicác dầm hoặc dàn thép liên hợp cùng chịu lực với bản sàn BTCT dới dạng cáctiết diện liên hợp chữ T và chủ yếu chịu uốn dới tác dụng của tải trọng thẳng

đứng Nh vậy, bản sàn BTCT ở phía trên dầm sẽ chịu nén và dầm thép chịu kéo,phù hợp với bản năng chịu lực của 2 thành phần vật liệu nói trên Ngoài ra, hệliên hợp ở đây còn có khá nhiều u điểm khác, chẳng hạn vợt đợc các nhịp dài,tạo đợc các khoảng không gian lớn, thông thoáng; giảm đợc chiều dày cấu tạocủa hệ dầm sàn, đẩy nhanh tiến độ thi công; giảm nhẹ đợc khối lợng công trìnhtác động trực tiếp đến các vấn đề về nền móng và giá thành xây lắp Mặt khác,

hệ dầm thép-bê tông liên hợp còn tạo ra các điaphắc nằm ngang có độ cứng khálớn, giúp cho công trình cao tầng đợc ổn định tổng thể dới tác dụng của tải trọngngang

Dầm thép và sàn bê tông cốt thép có thể cùng chịu lực trong một kết cấuliên hợp theo nhiều cách cấu tạo khác nhau

Sau đây giới thiệu nguyên tắc cấu tạo của một số loại dầm sàn liên hợpthép-bê tông thờng gặp :

3.2.1/ Dầm thép bọc bê tông ( hình 14a) :

Dầm sàn thép đợc bao bọc hoàn toàn trong bê tông và làm việc liên hợpphụ thuộc chủ yếu vào sự dính kết trực tiếp do tác động hoá học và ma sát cơ họcgiữa thép và bê tông Dầm đợc phun phủ các lớp vữa xi măng hoặc bả các vậtliệu phòng cháy trớc khi bọc bê tông

loại dầm hình, cán nóng, tiết diện chữ I , hoặc ghép tổ hợp từ thép tấm Vì cánhtrên gần trục trung hoà của tiết diện liên hợp khi chịu uốn, nên hiệu quả nhất vẫn

là sử dụng các loại tiết diện không đối xứng Một số giải pháp có thể tiết kiệmvật liệu triệt để hơn nh :

1) Thu nhỏ cánh trên (Hình 14b);

2) Thay đổi cả chiều dày và chiều rộng cánh trên (Hình 14c);

3) Dùng các loại thép cờng độ thấp hơn cho cánh trên ;

4) Dùng thép cán nóng tiết diện chữ T ngợc (  ) hàn với thép tấm tạo thành

cánh trên có chiều rộng nhỏ hơn và bằng loại thép cờng độ thấp hơn (Hình 14d)

v.v

III.2.3/ Dầm thép liên hợp với bản sàn BTCT bán lắp ghép (Hình 15a).

Hệ dầm sàn loại này đợc toàn khối hoá bởi lớp bê tông tơi, liên kết toàn

bộ các dầm thép với bản bê tông lắp ghép Có thể không cần ván khuôn, vì lớpbêtông tơi đợc đúc tại chỗ trên mặt và những chỗ giáp nối giữa các bản bêtôngtiền chế, đã lắp sẵn trên dầm Mặt đỉnh cánh trên của dầm thép cũng bố trí hàngmấu neo để khắc phục lực cắt trợt giữa các thành phần của dầm sàn

Mấu neo Btct đổ tại chỗ

Tấm đúc sẵn

Mấu neo Btct đổ tại chỗ

Sàn thép

Mấu neo

Sàn thép

Hình 15

III.2.4/ Dầm thép liên kết với sàn thép và lớp BT đổ tại chỗ (hình 15b).

Cũng nhằm mục đích gia tăng cờng độ và giảm thiểu độ võng cho dầm.

Trờng hợp này các mấu neo đợc hàn lên cánh trên của dầm sau khi xuyên thủngqua bản thép sàn Sau đó dùng bêtông loại thờng hoặc bêtông nhẹ đổ trực tiếplên sàn thép ở đây sàn thép vừa có tác dụng nh ván khuôn vĩnh cửu cho bê tôngtơi (có thể cũng không cần cây chống, đà giáo), vừa nh cốt thép chịu kéo của bảnsàn liên hợp Các đờng gân gấp nếp của tấm sàn thép mỏng, cán hoặc dập nguội,vừa để tăng cờng cho độ cứng khi đổ bêtông, vừa để bố trí gài móc các tấm trầntreo Những đờng gấp nếp của tấm thép sàn có thể đặt song song hoặc thẳng gócvới hệ dầm sàn Từ những năm 60 của thế kỷ 20 cho đến nay, loại ván khuônthép cố định, bỏ lại và cho liên hợp chịu lực cùng với bản sàn bêtông nói trên, đã

đợc sử dụng rất phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng, đặc biệt ở Hoa kỳ và Nhậtbản

động nhiều khi chịu hoạt tải, thì độ cứng của dầm thờng là nhân tố quyết địnhchiều cao của dầm sàn.

Đối với nhịp dới 1012m các dầm I cán nóng ''vạn năng'' thờng đợc dùngphổ biến vì lý do kinh tế Tuy nhiên, phạm vi chiều dài nhịp khi sử dụng loạidầm này còn có thể kéo dài tới 15m

Đối với các nhịp lớn hơn, dầm tổ hợp tỏ ra rất lợi hại, đặc biệt khi chịu tảinặng và tổng chiều dày của dầm sàn bị hạn chế

Các loại dầm thép có tiết diện không thay đổi suốt chiều dài nhịp, tuy cấutạo đơn giản, nhng có nhợc điểm là :

+) Cấu kiện thờng thiết kế để chịu mô men lớn nhất ở giữa nhịp, do đó sẽthừa khả năng chịu uốn tại hai đầu dầm hoặc ngợc lại;

+) Phải bố trí các đờng ống kỹ thuật ra ngoài phạm vi chiều cao dầm, nếukhông sẽ phải đục lỗ rỗng ở bản bụng, gây nhiều tốn kém khi gia công khoan cắt

và gia cờng miệng lỗ bằng các nẹp bản thép hay thép góc

Vì vậy đã có nhiều phơng án cấu tạo dầm để giải quyết những tồn tại trên

- Dạng cánh dới vát chữ V (Hình 17a);

- Dạng vát hình thang (bụng cá) (Hình 17b);

- Dạng cắt khấc vuông góc với các nẹp gia cờng (Hình 17c)

Cũng có thể gia công theo các đờng cắt khấc nhiều bậc thẳng góc Nhữngdầm này có thể dùng hai loại thép trong một tiết diện, trong đó cánh dới dùng

Hình 16

Độ vát của dầm hông ngợc chiều với mái vát của những loại dầm nói trên.

Do đó chiều cao của dầm cũng thay đổi, nhng theo chiều ngợc lại và các đờngống kỹ thuật phải bố trí trong phạm vi giữa nhịp Đó là trờng hợp rất hay gặptrong các cao ốc văn phòng Loại này phù hợp với các dầm chịu lực theo sơ đồ

ngàm hai đầu Chiều dài nhịp tối u của dầm có thể từ 1018m (Hình 18).

l =10m - 18m

Hình 18

*/ Dầm ô rỗng lục lăng ( hoặc bát giác ) :

Dầm thép có thể cải tiến, gia công từ các dầm hình, cắt dọc bản bụng theo

đờng răng ca hình thang, rồi hàn chồng hai nửa dầm đó, nhng lệch đi nửa bớcrăng Nh vậy sẽ hình thành một loại dầm mới, có các ô rỗng 6 cạnh ở bụng dầm.Kết quả là đã tăng cờng thêm đợc chiều cao và khả năng chịu uốn của cấu kiệndầm, đồng thời tạo đợc nhiều khoảng trống, dễ dàng bố trí các đờng ống kỹ thuật

trong phạm vi chiều cao dầm (Hình 19b) Muốn tạo ra đợc những dầm cao hơn,

với ô rỗng lớn hơn, có thể ghép chèn thêm các bản thép nhỏ hình chữ nhật, hàn

đối đầu với các đỉnh răng ca (Hình 19c).

Các loại dầm này thờng hay dùng ở các nớc Châu Âu Vơng quốc Anh ờng sử dụng những dầm có các ô rỗng đã đợc tiêu chuẩn hoá và điển hình hoá ởHoa Kỳ loại dầm này ít đợc sử dụng vì các lý do về chế tạo phức tạp, giá thànhgia công tăng và trong thực tế những ô rỗng cũng không đủ kích thớc để bố trícác đờng ống kỹ thuật lớn trong các cao ốc hiện đại Ngoài ra, những dầm tiêuchuẩn cỡ lớn thuộc dạng này cũng không đủ chiều dài nhịp để vợt các khẩu độrất rộng trong các sàn tầng và đồng thời cũng vẫn lãng phí vật liệu thép hơn sovới các loại dàn kiểu nhẹ

th-a) b) c)

Hình 19

*/ Dầm kiểu dàn nhẹ :

Trờng hợp dầm sàn cần vợt các nhịp dài hơn, chẳng hạn khi cần ''trốn cột''

đỡ dới, để tạo không gian lớn Nh vậy, dầm không những có nhịp khá dài mà cònphải chịu các lực tập trung của những cột tầng trên Phơng án tốt nhất là sử dụngdàn thép nhẹ hoặc dầm bê tông ứng lực trớc

Hình 20 giới thiệu các loại dàn thép nhẹ, liên hợp chịu lực với bản sàn

bêtông cốt thép dùng phổ biến cho nhà cao tầng ở Bắc Mỹ Để giảm gía thành,dầm thép đợc thiết kế với các thanh cánh có tiết diện chữ T và thanh bụng là cáccặp thép góc hàn chồng trực tiếp lên bụng thanh cánh, không cần sử dụng bảnmã Đờng ống kỹ thuật có thể dễ dàng bố trí xuyên qua những khoang rỗng củadàn nhẹ Nếu cần có những khoang rộng hơn, có thể bố trí thay thế một haikhoang tam giác bằng một khoang panen chữ nhật (kiểu Vierendeel) ở khoảnggiữa nhịp dàn Chiều cao của dàn thép thờng khá lớn, nên các đờng ống kỹ thuậtphục vụ chỉ đợc lắp đặt trong phạm vi chiều cao dàn Trần treo cũng bố trí trựctiếp ngay mép dới của dạ dàn thép

Hình 20

Các dàn thép thờng đặt cách nhau tơng đối dày, với chiều dài nhịp kinh tếkhoảng trên 9m Để đảm bảo tính kinh tế, không nên dùng nhiều loại dàn thépkhác nhau trong các sàn tầng, vì cùng một kích cỡ dàn nếu sản suất hàng loạttrong xởng kết cấu thép mới bảo đảm sử dụng vật liệu, thiết bị máy móc và nhâncông một cách hiệu quả hơn Các thanh bụng trong dàn nhẹ chủ yếu là nhữngthanh chéo, cấu tạo thành dàn tam giác Những thanh đứng chỉ sử dụng khi độmảnh tính toán của các thanh cánh chịu nén quá trị số giới hạn Ngoài ra, có thể

bố trí các khoang chữ nhật không có thanh chéo ở những miền có lực cắt nhỏ,chẳng hạn ở giữa nhịp dầm (chỗ đó cũng rất phù hợp để bố trí các đờng ống kĩthuật trong cao ốc văn phòng) Góc của thanh chéo làm với thanh cánh có thể lấykhá nhỏ để giảm bớt số lợng thanh chéo cũng nh các mối hàn Tuy nhiên nếugóc xiên nhỏ quá, chiều dài thanh sẽ lớn, lực dọc trục trong thanh sẽ tăng, thanhnén sẽ kém ổn định Nh vậy, yêu cầu phải cấu tạo thêm bản mã, vừa tăng chi phígia công chế tạo, vừa làm hẹp thêm độ rỗng ở bụng dàn, ảnh hởng đến vấn đề bốtrí các đờng ống kỹ thuật Do đó, chiều dài các khoang dàn chỉ nên lấy gần đúngbằng hai hoặc ba lần chiều cao

Tiết diện thanh cánh thờng dùng các loại thép hình (tiết diện chữ T hoặcthép góc đơn (chữ L); các thanh bụng của dàn nhẹ có thể là một hoặc hai thépgóc, hàn chồng trực tiếp lên bụng thanh cánh

Các loại tiết diện ống vuông hoặc hai thép góc cũng đợc dùng cho cácthanh cánh của dàn nhịp lớn, nhng đối với nhịp nhỏ thờng ít sử dụng hơn, vì phảidùng mối nối có bản mã kém hiệu quả Cánh trên của dàn thép nhẹ thờng liênkết chặt với sàn BTCT và làm việc trong một tiết diện liên hợp nhờ các mấu neo

Để khắc phục độ võng do tĩnh tải, ngời ta đã tạo ra độ vồng trớc khi đổ bêtông sàn liên hợp, bằng cách uốn nguội dầm thép cho vồng ngợc ở giữa nhịp,hoặc kích dầm ở vị trí các thanh chống (bố trí chống xiên hoặc thẳng đứng) tại

sàn tầng dới, sau khi đã hàn cố định hai đầu dầm thép vào cột (Hình 23) :

H×nh 23

Về mặt công năng, cột có thể phân loại nh sau:

- Cột ngoài, thờng cấu tạo để thể hiện một ý tởng kiến trúc mỹ thuật và có thể

bố trí theo nhiều phơng án khác nhau: khoảng cách có thể bố trí dày, cách nhau

từ 1,8m đến 3m hoặc bố trí tha bằng khoảng 2 đến 4 lần chiều rộng của cửa sổhoặc chiều dài nhịp của sàn tầng

So với vị trí của tờng bao, cột ngoài có thể bố trí theo 5 phơng án khác

nhau nh hình 24.

Hình 24

- Cột giữa : thờng bố trí lẩn vào trong các tờng ngăn, các vách hoặc lõi cứng.

Tuy nhiên, trong trờng hợp cần thể hiện những hàng cột hoành tráng với kích

th-ớc lớn, chẳng hạn trong các sảnh đợi, phòng tiếp tân v.v , cột giữa có thể để lộ,nhng đợc tạo dáng và ốp lát mặt ngoài bằng các chất liệu và màu sắc phù hợp

- Cột góc : thờng có những công năng và kích thớc khác nhau Khoảng cách

giữa cột góc và 2 cột bên cạnh theo 2 hớng dọc và ngang nhà thờng không giốngnhau Mặt khác, còn tuỳ thuộc cách bố trí các hệ dầm trong phạm vi góc nhà,

đặc biệt cách truyền tải sang 2 dầm biên nối với cột góc, mà tải trọng tác dụnglên cột và kích thớc tiết diện theo 2 phơng cũng tơng ứng khác nhau Cũng có thểchọn tiết diện cột góc có hình dạng đặc biệt, không giống các cột biên hoặc cột

giữa (Hình 25).

Hình 25

Các phần tử cột nên chọn thống nhất về hình dạng, chủng loại, kích cỡ vàchi tiết liên kết để giảm bớt chi phí chế tạo do đợc sản xuất trong cùng một dâychuyền công nghệ, đồng thời cũng tạo điều kiện thuận lợi khi thi công lắp dựng

và hoàn thiện, cũng nh bảo trì sau này

Hình 26

Nói chung, các loại thép hình cán nóng tiêu chuẩn tiết diện chữ H (chữ Icánh rộng) với nhiều kích cỡ lớn khác nhau đã đợc sử dụng khá rộng rãi, vì lý docấu tạo đơn giản, hiệu quả kinh tế cao Tuy nhiên, nếu tải trọng lớn hơn, có thểhàn thêm các bản thép bổ sung hoặc dùng các loại tiết diện tổ hợp

Với công nghệ gia công chế tạo cơ giới hoá và tự động hoá, bảo đảm chấtlợng, cũng có nhiều khả năng hạ giá thành, nếu đợc sản xuất hàng loạt (hình 26)

Chẳng hạn, cột ngoài của cao ốc 54 tầng liberty Plaza ở NewYork, có tiếtdiện tổ hợp gồm 2 bản cánh (762 x101) mm và bụng (914 x 76,2) mm

Đặc biệt có thể dùng thép ống tiết diện tròn hoặc chữ nhật, khả năng chịulực chịu tải tơng đối hợp lý hơn, vì tỷ số độ cứng trên trọng lợng đợc cải thiện

Nếu mặt bằng kết cấu theo hai chiều gần nh nhau, không thể u tiên chomột hớng, do đó dùng loại cột có mô men quán tính theo hai chiều xấp xỉ bằngnhau Tiết diện hình ống và hình chữ H bảo đảm tiêu chuẩn này.

Ngoài ra, tiết diện chữ thập có bốn cánh đối xứng cũng có hiệu quả trongtrờng hợp trên, chẳng hạn, cột trong của cao ốc 57 tầng ở Toronto, Canada, là tổhợp gồm bản bụng dày 203mm hàn chéo chữ thập và bốn bản cánh kích thớc(508 x165) mm

Đối với cột nhà cao tầng, cờng độ thờng không phải là chỉ tiêu khống chế

Do đó cần kiểm tra để thoả mãn mọi điều kiện về độ cứng, liên quan đến ổn địnhchung và cục bộ của các loại cột thép vỏ mỏng Vì vậy, các loại tiết diện này th-ờng đợc bọc ngoài bằng bê tông cốt thép, vừa để phòng cháy, vừa là biện pháptạo ra tiết diện liên hợp, tăng cờng khả năng chịu lực của cột

Riêng các cột ống thép rỗng, có thể vừa tận dụng làm ván khuôn nhồi bêtông, vừa cho tham gia chịu lực liên hợp Nh vậy gia tăng đợc cờng độ và sứcchịu tải của cấu kiện lên khá nhiều Một thí nghiệm cho thấy nếu nhồi bê tôngvào cột ống tiết diện vuông loại nhỏ, kích thớc 177,8 x 177,8 mm, dày 6,3mm,cao 3048mm, bằng thép có giới hạn chảy 277 MPa Tải trọng tới hạn sẽ tăng gầngấp rỡi nếu nhồi bê tông mác 400

Nếu so sánh cột BTCT và 2 loại cột thép rỗng và đặc chịu tải trọng10.000KN, chiều cao 3,60m, thì kích thớc tiết diện cột tơng ứng sẽ lần lợt bằng:850X850; 400X400 và 300X300(mm), trong đó tính cả chiều dày 25mm của lớpbọc phòng hoả xung quanh các cột thép (Hình 27)

Hình 27

Về nguyên tắc, tiết diện ngang của cột thép có thể thay đổi từng tầng, vìnội lực trong cột, nhất là lực nén dọc trục tăng dần từ cao xuống thấp Do đó tiếtdiện cột có thể thay đổi kích thớc bên trong, chiều dày hoặc chất liệu thép khácnhau Tuy nhiên, để tăng tốc độ thi công và dễ nối ghép, cột thép thờng đợc lắpdựng với chiều cao thông hai hoặc ba tầng một Nhng nếu kéo dài trên 3 tầng trởlên, sẽ gây không ít phức tạp khi lắp ráp và liên kết

Nếu kích thớc bề ngoài của tiết diện cột không đổi, sẽ tạo điều kiện thuậnlợi khi gia công chế tạo các cấu kiện hoàn thiện nh các tấm bao che, tấm ốp cột,tấm trần và các vách ngăn v.v

của bản nối là giữ ổn định và gióng thẳng cho các đoạn cột chồng lên nhau theochiều thẳng đứng

Nói chung, không có ứng suất kéo trong cột, vì ứng suất do tải trọng néndọc trục thờng khá lớn so với ứng suất kéo do mô men gây ra bởi tải trọngngang Tuy nhiên, trong một số trờng hợp khung sờn thép có nhịp tơng đối nhỏ

so với chiều cao toà nhà vẫn xuất hiện các phản lực âm, mối nối sẽ bị kéo Cũng

có thể thiết kế móng khối, loại nặng, để khắc phục triệt tiêu ứng suất kéo trongcột

Cần phân biệt các bản nối chịu nén và chịu kéo Trong tấm nối chịu nénphần lớn tải trọng đã trực tiếp truyền qua mặt tiếp xúc giữa hai đoạn cột Tuynhiên, tuỳ theo chất lợng và mức độ gia công mặt tiếp xúc, cũng nh trạng tháinội lực tại mối nối, bản nối có khi chịu 100% tải trọng (gia công thô), hoặc từ25% đến 50% (gia công tinh và chỉ chịu lực dọc trục), hay 50 75% (khi chịu cảmômen) Trong mối nối chịu kéo, phần lớn tải trọng sẽ truyền qua mối nối

Về cấu tạo, trong mối nối phải bố trí các khe lắp rộng khoảng 3mm mỗibên để lắp ráp và điều chỉnh dễ dàng nhanh chóng

Hình 28a, giới thiệu mối nối cột thép tiết diện chữ H có bản bụng cùngkích thớc, nhng chiều dày bản cánh của 2 đoạn cột khác nhau khá nhiều

Hình 28b, là mối nối có thêm các bản đệm lót ở hai bên cột trên, khi kíchthớc ngang bản bụng của hai đoạn cột chênh nhau quá 50mm

Hình 28c, giới thiệu loại mối nối cột có thể dùng khi tiết diện hai đoạn cột

có chiều cao bằng nhau hoặc khác nhau Sử dụng một bản thép hàn sẵn lên đỉnhcột dới và 2 thép góc hàn sẵn vào chân cột trên Khi lắp dựng có thể xiết bulôngtạm rồi hàn cột trên với bản thép Mối hàn sẽ chịu mô men và lực cắt ở chân cột

Mặt bào nhẵn Khe lắp Khe lắp

Mặt bào nhẵn

Hình 28

Hình 28d, Giới thiệu mối nối đợc thực hiện ở cả 4 phía xung quanh cột.Tấm nối bản bụng sẽ liên kết bulông và hàn tại chỗ với bụng cột Các tấm nốinày chủ yếu chịu cắt Tám nối bản cánh có tác dụng chịu mômen, đợc hàn sẵn ở

đầu cột dới và cũng hàn tại chỗ với chân cột trên

III.5 Mối nối giữa dầm thép và cột thép :

Theo tiêu chuẩn AISC và Eurocode, khung sờn kết cấu nhà cao tầng đợc

Loại III : Cấu kiện dầm và cột nối với nhau bởi liên kết nửa cứng, một loạiliên kết trung gian giữa loại I và loại II nói trên

Ngoài hệ giằng, nút cứng chịu mômen rất cần thiết đối với nhà cao tầng,khác với khung thép thấp tầng sử dụng nút cứng để giảm chiều cao và kích thớccủa dầm sàn

Tuy nhiên đối với nhà có số tầng dới 810 tầng, dầm và cột có thể nối vớinhau đơn giản nh trong hình vẽ 29 theo hình thức liên kết khớp giản đơn hoặcnửa cứng Liên kết khớp hoàn toàn mềm (độ cứng khoảng từ 0%20%), đầudầm có thể quay tự do nh trong dầm kê đơn giản Dù trong thực tế liên kết cókhả năng chịu đợc một chút mômen, nhng giả thiết tính toán liên kết loại này chỉchịu lực cắt (Hình 29a )

Hình 29

Liên kết nửa cứng cho phép chịu đợc mômen tại đầu dầm, vì độ cứngchống xoay của liên kết khớp đàn hồi này có thể thay đổi trong phạm vi khárộng, từ 20  75% so với liên kết cứng hoàn toàn (hình 29b,c), tuỳ theo bản chất

và hình thức cấu tạo của mối nối Tơng ứng với các độ cứng của những liên kếthai đầu dầm khác nhau ta có thể biểu thị gần đúng sơ đồ mômen khi dầm chịutải trọng phân bố đều nh sau :

2

g.l 16

2

g.l 24

2

g.l 24

liên kết nửa cứng loại yếu, có thể bỏ qua không tính mômen này trong các tiếtdiện dầm bên cạnh mối nối Mức độ cứng của liên kết hoàn toàn phụ thuộc vàochủng loại mối nối và tính chất của các chi tiết liên kết

III.6 Các hệ giằng :

Khung thép nhà cao tầng nếu không có hệ giằng sẽ rất yếu khi chịu tảitrọng ngang, vì nếu các nút đợc mô hình hóa nh những liên kết khớp tơng tự ởcác loại dàn thép thì kết cấu khung sẽ dễ dàng bị siêu lệch hoặc biến hình dới tácdụng của lực ngang ( hình 31b )

Hình 31

Để tránh cho khung sờn không mất ổn định tổng thể nh vậy, đơn giản nhất

là tạo ra những hệ giằng trong các vách và lõi cứng dới dạng khung giằng bằngthép hình, đợc bảo vệ chống xâm thực và tăng cờng khả năng chịu lực bằng cáchliên hợp với bê tông đổ tại chỗ bọc xung quanh So với vách và lõi BTCT chỉ bốtrí cốt mềm (cốt thép thờng), vách khung giằng thép - bêtông liên hợp thờng cótiết diện nhỏ hơn, mở rộng không gian sử dụng mặt bằng nhà cao tầng, nhất là ởcác tầng thấp

Các tầng trên lực cắt nhỏ, có thể bớt hoặc không dùng hệ giằng

Nếu cao ốc có bình đồ hình vuông, các hớng chịu lực ngang đều bình

đẳng, nên hệ giằng cũng vì thế mà bố trí theo cả hai hớng Nhng nếu bình đồhình chữ nhật có chiều dài gấp nhiều lần chiều rộng nhà, cũng có thể chỉ cần bốtrí hệ giằng theo chiều ngang

Hệ sàn tầng coi nh tuyệt đối cứng trong mặt phẳng nằm ngang Các tảitrọng ngang giả định tập trung tại cao độ sàn và phân bố lực cắt cho các cột và

hệ giằng theo tỷ lệ độ cứng Không nhất thiết mọi khoang đều bố trí giằngchống

Hình 32 giới thiệu khả năng bố trí các hệ giằng gió trên mặt bằng kết cấu :

Nói chung, các hệ giằng đều bố trí đối xứng để loại bỏ chuyển vị xoắnhoặc biến dạng không bình thờng khi kết cấu khung sờn chịu lực ngang.

Trên mặt bằng, hệ giằng đứng cần bố trí theo cả 2 hớng Trong nội thấtcác hệ giằng này thờng là những trở ngại cho vấn đề bố trí mặt bằng kiến trúc.Cho nên cũng cần chú ý một số nguyên tắc sau :

- Hệ giằng không đợc bố trí tại những vách ngăn tạm, vì không thể dichuyển hoặc thay đổi trong quá trình khai thác sử dụng công trình

- Hệ giằng mặt ngoài của cao ốc phải kết hợp với ý tởng về kiến trúc mặt

đứng của công trình

- Hệ giằng phải kết hợp với quy hoạch giao thông nội bộ trong từng sàntầng, tơng ứng với phơng án bố trí cầu thang bộ thoát hiểm, giếng thang máyv.v

Tốt nhất là bố trí hệ khung giằng tại các tờng hành lang cố định không trổcửa; tại những ngăn dành riêng để bố trí các trang thiết bị phòng chữa cháy;xung quanh giếng thang máy; tum cầu thang bộ, hoặc các mảng tờng đặc không

ảnh hởng tới các ô cửa, tờng khung kính hoặc các khoảng trống khác Đối vớicấc tờng đầu hồi thờng không lắp khung kính, có thể giằng toàn bộ chiều rộngnhà; nếu có trổ cửa, chẳng hạn có hàng cửa sổ đầu hành lang giữa, chỉ giằngphần tờng hồi của hai ngăn buồng hai bên

Đối với khu vực không lắp kính của tờng bao xung quanh, hệ giằng đứngnên bố trí rộng tối đa, có thể phối hợp với kiến trúc mặt đứng, giằng xen vàonhững chỗ không lắp các ô kính

Đôi khi còn dùng hệ giằng ngang trên tầng đỉnh hoặc tại các tầng lngchừng của khung nhà cao tầng và đợc gọi là giằng mũ và giằng lng để tăng cờng

độ cứng chung của cao ốc, giảm bớt chuyển vị ngang

Về độ cứng, hệ giằng đứng có tác dụng nh một hệ tăng cờng rất hiệu quả

và kinh tế Độ cứng của hệ giằng còn có thể tăng thêm nếu các nút liên kết trongdàn giằng là những liên kết cứng

Về sơ đồ chịu lực ngang, dàn đứng là những kết cấu côngxon đợc ngàmtại móng Nếu hai cột (tức thanh cánh của dàn giằng) gần nhau, độ mảnh của kếtcấu dàn côngxon sẽ lớn, do đó chuyển vị khi dao động ngang cũng sẽ lớn Tráilại, hệ giằng với các cột cách nhau càng xa thì chuyển vị ngang của đầu côngxoncàng giảm Vậy giải pháp phát triển hệ giằng theo hớng mở rộng chiều ngang ratoàn bộ chiều rộng cao ốc là một trong các phơng án hữu hiệu

Độ mảnh của dàn giằng đứng còn đợc cải thiện nếu bổ xung thêm các dàngiằng nằm ngang vơn ra tới cột ngoài cùng (cột biên), tạo điều kiện cho các hàngcột đó cùng tham gia vào độ cứng chung của công trình Nếu thay dàn này bằngnhững dầm đặc có chiều cao khá lớn, bằng 1;2 hay nhiều tầng, cũng sẽ thu đợchiệu quả tơng tự

Về nguyên tắc, trong các thanh cánh của dàn giằng, tức là trong các phần

tử cột tơng ứng, sẽ xuất hiện lực dọc trục khi dàn chịu tải trọng đứng cũng nh tảingang, do đó sẽ bất lợi cho cả chân cột chịu nén (do mất ổn định), cũng nh đốivới chân cột chịu kéo (do lực nhổ có thể lớn hơn lực nén) Vậy nếu hệ giằng cóchân khá rộng, móng sẽ chịu tải ít hơn và không cần đối trọng Nếu chỉ giằng

nhau; nh vậy tải trọng ngang truyền từ các sàn tầng đến từng khoang giằng, sẽtuần tự đi dần xuống tới móng.

Riêng các hệ dàn chéo, giằng toàn bộ mặt ngoài công trình, còn tham giatruyền các tải trọng thẳng đứng trực tiếp xuống nền móng

Về hình dạng kết cấu, có thể phân loại hệ khung giằng theo một số phơng

án sau :

1/ Hệ khung nút cứng ( Hình 33a ) :

Trong khung sờn thép nhà cao tầng nếu sử dụng mối nối cứng, chịu đợcmômen tại các nút liên kết giữa cột và dầm trong toàn bộ kết cấu sẽ tạo ra một

hệ khung cứng trong không gian ba chiều

Hệ khung cứng có u điểm là đơn giản và tiết kiệm thép làm các thanhgiằng chéo và không ngăn cản nhiều các ý đồ thiết kế kiến trúc và giao thôngtrong nội bộ sàn tầng, vì có khả năng bố trí hành lang và ô cửa tuỳ ý Tuy nhiên,

ở các nút giao, cột và dầm sẽ chịu mômen uốn lớn hơn Cấu tạo mối nối phức tạp

và tốn phí, nhất là khi phải đảm bảo độ cứng gần nh tuyệt đối Liên kết hàn ởhiện trờng khá nhiều và khó bảo đảm chất lợng hơn Độ cứng của khung hoàntoàn phụ thuộc vào kích thớc của dầm và cột

Về tổng thể, tuy là khung có nút cứng nhng kết cấu vẫn không đảm bảo độ cứngchung bằng các hệ giằng khác Mặc dầu vậy, hệ khung nút cứng vẫn đợc dùngrất hiệu quả trong các cao ốc dới 20 hoặc 30 tầng

Hệ giằng chéo kép hai chiều kiểu chữ X là một hệ kết cấu giằng trực tiếp, có

hiệu quả về kinh tế và kĩ thuật nếu góc xiên gần 45 độ Mỗi thanh xiên đợc thiết

kế chủ yếu để chịu kéo theo một chiều gió thổi nhất định, do đó tiết diện thanh

có thể cấu tạo đơn giản : chẳng hạn tiêt diện thanh là thép góc, thép máng hoặcthép tấm v.v Tỉ số độ cứng ngang của hệ giằng trên trọng lợng vào loại khá tốt.Nhợc điểm của hệ là :

- Khó trổ cửa sổ cũng nh bố trí cửa ra vào trong phạm vi giằng chéo;

- Các tờng ngăn di động khó bố trí linh hoạt;

Thông thờng hệ giằng chéo chữ X chỉ phù hợp với các mảng tờng đặc, chẳnghạn giếng thang máy, tum cầu thang bộ và những bức tờng ít hoặc không trổ cửa

và có kích thớc hai chiều gần bằng nhau Tuy nhiên, nếu chỉ giằng với kích thớcngang hạn chế nh vậy, sẽ không tăng cờng đợc độ cứng bao nhiêu

3/ Hệ giằng thanh chống tam giác (chữ /\ hoặc \/) (Hình 33- d,e ) :

* Ưu điểm của hệ giằng này là :

- Nhịp của dầm trong khung đợc chia đôi, giảm nội lực trong dầm, do đó tiếtkiệm vật liệu cho dầm khá nhiều;

- Các thanh giằng có chiều dài ngắn hơn và cùng tham gia chịu lực trong nhiều

tổ hợp tải trọng khác nhau;

- Điều kiện mở cửa dễ dàng hơn, nhất là trờng hợp dùng các thanh giằng lệchtâm

* Nhợc điểm là :

- Sử dụng không hiệu quả khi kết cấu bao che là các tấm kính có kích thớc lớn;

- Các thanh giằng chéo chủ yếu chịu nén, do đó dễ mất ổn định, tiết diện cầnlớn để bảo đảm có độ mảnh tơng đối nhỏ theo yêu cầu quy định

- Giằng chéo chữ V tuy có u điểm là chủ yếu chịu kéo dới tác dụng của tảithẳng đứng, nhng về mặt cấu tạo hệ giằng này không cho phép mở đợc lối đitrong hành lang hoặc lối vào thang máy

Khi kết hợp hai hệ giằng chữ V và /\ sẽ đợc hệ giằng chữ X trong hai tầng

- Có khả năng mở rộng kích thớc ô cửa đi lại qua vách hệ giằng;

- Nút các thanh giằng chống không đồng quy tại một điểm, tạo điều kiện đơngiản hoá cấu tạo các bản mã liên kết;

- Góc giữa cột và giằng chống khá hẹp, do đó kém hiệu quả về mặt chịu lựcngang

5/ Hệ giằng chữ K ( Hình 33j ) :

Tơng tự hệ giằng hình thang hoặc tam giác, nhng các thanh giằng chéo ngắnhơn nhiều Do đó trong mặt phẳng của hệ giằng, chiều dài tính toán của cột giảmbớt một nửa, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chịu lực của cột trong trạng thái uốn

hiểm, hộp đờng ống kỹ thuật hoặc vách tờng hành lang Muốn sử dụng toàn bộ

ô rỗng của khung có thể chỉ cấu tạo những nách cứng bằng các thanh chéo ngắn

ở bên cạnh mối nối giữa cột và dầm, thay vì các hệ khung giằng nói trên Những

u điểm chính của hệ khung có nách cứng là kết cấu gọn nhẹ, ít tốn vật liệu, cóthể bố trí khung cửa sổ hoặc lối đi có kích thớc lớn, đồng thời vẫn tạo ra đợc cácvách cứng theo yêu cầu nhất định

Tuy nhiên, trờng hợp này nhịp dầm khung không đợc thu hẹp nhiều, nội lựctrong dầm và cả chiều dài thiết kế của cột cũng không đợc cải thiện bao nhiêu

7/ Hệ khung giằng có dạng cổng ( Hình 33l ) :

Loại này thờng đợc sử dụng tại những khoang có nhịp gian khá rộng để

bố trí các loại cổng và cửa lớn, cấu tạo gồm các thanh ngắn liên kết với nhauthành một dàn tam giác hai đầu ngàm vào các cột của khung giằng ở hai bên

8/ Hệ khung giằng có các thanh liên kết lệch tâm ( Hình 33-m,n,o )

Các thanh chéo trong hệ giằng thờng liên kết đồng quy, trùng vào đúngtâm điểm của các nút khung Với sơ đồ nh vậy, lực dọc trục trong các thanh sẽkhông gây ra mômen lệch tâm tại nút khung Tuy nhiên, cấu tạo các nút liên kếtvới nhiều thanh cùng đồng quy tại một điểm sẽ trở nên phức tạp, khó bảo đảmchất lợng hơn Bản mã cũng phải có kích thớc lớn hơn Vì vậy trong nhiều trờnghợp có thể sử dụng các hệ thanh giằng có những thanh chéo liên kết lệch tâm

Trong kết cấu thép nhà cao tầng, hệ giằng có hiệu quả về phơng diện sửdụng vật liệu là những loại hệ giằng có ít cấu kiện chịu uốn nhất Trừ khung cónút và nách cứng, các hệ giằng đều có u điểm chung nh sau :

- Mọi liên kết giữa dầm và cột với thanh giằng đều đơn giản, có thể bố trí lệchtâm theo yêu cầu thiết kế ;

- Các hệ giằng dễ thay đổi hình dạng và có thể biến cải tuỳ nhu cầu sửa đổitrong tơng lai;

- Các hệ giằng chiếm vị trí khá hẹp và tập trung trong mặt bằng kết cấu của sàntầng và có thể nằm lẩn trong các tờng ngăn;

- Đó là những hệ thống rất có hiệu quả và thông dụng trong nhà cao tầngkhung thép cỡ trung bình và lớn, tạo thành các vách cứng và lõi cứng

Ví dụ : kết quả về trọng lợng vật liệu thép của các bộ phận cột, dầm khung,các thanh giằng và khối lợng tổng cộng cho 4 phơng án hệ thống dàn giằng khácnhau áp dụng cho cùng một cao ốc 29 tầng Tất cả đều tính toán theo ph ơngpháp ''khung'' Kết quả có thể thống kê trong bảng sau :

Các hệ giằng Cột Dầm khung Thanh giằng Tổng cộng

Hệ giằng tam giác 4780 581 705 6066

Hệ giằng hình thang 4780 950 530 6260

Với các loại cấu kiện phẳng nh khung và dàn giằng nói trên, có thể kiếntạo ra những vách cứng, lõi cứng , từ đó cấu thành các hệ không gian chịu tảitrọng đứng cũng nh tải ngang và có thể phân loại những hệ kết cấu này nh sau:

1 Hệ khung không gian có nút cứng :

Ưu điểm của hệ này là thuận lợi cho các giải pháp bố trí kiến trúc mặt

đứng cũng nh mặt bằng Mở rộng đợc kích thớc nhịp giữa hai cột và có khả năngchịu đợc các lực ngang ngay trong quá trình lắp dựng Độ cứng chung của toàn

bộ kết cấu phụ thuộc độ cứng dọc trục của những cấu kiện cột EA và độ cứnguốn của dầm EJd và cột EJc

Hệ này rất thông dụng đối với kết cấu bêtông cốt thép vì dễ dàng cấu tạo

đợc các nút cứng Nhng đối với kết cấu thép, những nút cứng thờng phải cấu tạokhá phức tạp và tốn kém, nhất là đối với nhịp lớn So với các hệ giằng có liên kếtnút kiểu khớp hoặc nửa cứng thì trong hệ này cấu kiện cột thờng có tiết diện lớnhơn

2 Hệ dàn phẳng thẳng đứng :

Ưu điểm của hệ này là các thanh chỉ chịu lực dọc trục, trong đó các thanhchéo thờng chỉ cho chịu kéo, không xuất hiện trạng thái mất ổn định nh trongcác thanh chịu nén, vì vậy tiết diện thanh có thể khá mảnh, dễ dàng lấp kín trongcác tờng ngăn Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng không thể di dời những loại t-ờng ngăn này theo nhu cầu phát sinh một cách dễ dàng

Thờng hệ chỉ có một hoặc hai thanh giằng chéo trong một khoang panen,

do đó nếu bớc cột càng xít nhau tác dụng của các thanh giằng đối với độ cứngtổng thể càng bị hạn chế Vì vậy tốt nhất là phát triển thanh giằng chéo ra toàn

bộ chiều rộng của ngôi nhà, kết hợp với ý tởng trang trí kiến trúc độc đáo chomặt ngoài công trình

3 Hệ kết cấu ống thẳng đứng :

Hệ này có thể đợc cấu tạo theo hai cách :

- Toàn bộ các cột biên và dầm bo mặt ngoài liên kết cứng với nhau tạothành các vách bao xung quanh nhà nh một ống cứng;

- Cột và các dầm cùng với những thanh giằng chéo cũng tạo ra các vách,quây kín lại thành một ống thẳng đứng, gọi là các lõi cứng

Các vách song song với chiều gió sẽ chịu lực nh những vách cứng chịu cắt.ngợc lại các vách kia sẽ chịu nén hoặc kéo

Đặc điểm chịu tải trọng ngang của hệ ống và lõi là bố trí kích thớc mặtbằng càng rộng thì hiệu quả kinh tế càng lớn vì đã tăng cờng đợc độ cứng tổngthể

Khoảng không gian ở giữa hai thành ống lồng nhau có thể bố trí thôngthoáng, vì có khả năng trốn bớt đợc các cột trung gian

Các ống và lõi cứng thờng có dạng lăng trụ, tiết diện kín, hình vuông, dễngăn cách với bên ngoài lõi để tiện sử dụng khi bố trí giếng thang máy hoặc cácvách ngăn, phòng hoả v.v

Kết cấu ống đơn bao ngoài cao ốc thờng là kết cấu thép với hàng cột bố trí

Hình 34 : Giới thiệu đồ thị biểu diễn các giá trị của chuyển vị và lực cắt phân bố

giữa hệ khung cứng và hệ dàn giằng theo số tầng của cao ốc khi chịu tải trọng

gió ngang

IV Sơ l ợc về các ph ơng pháp tính toán khung thép nhà cao tầng :

Tính toán khung thép nhà cao tầng có nhiều điểm khác biệt với những kếtcấu khác ở chỗ cần phân tích kỹ lỡng những hiệu ứng P-delta của tải trọng đứng,hiệu ứng của các biến dạng cắt đối với khung do tải trọng ngang, hiệu ứng của

độ đàn hồi trong liên kết nửa cứng giữa dầm và cột khung v.v

Trớc đây, các phơng pháp gần đúng rất thông dụng, vì những lý do sau:1/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định Nhà cao tầng là kết cấu có độ siêu tĩnh cao, phân tích theo phơng pháp truyềnthống chính xác“ rất phức tạp

2/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định Khả năng chịu lực ngang có xét ảnh hởng của sàn, vách và lõi cứng rất khóphân tích đánh giá, cho nên kết quả tính toán bằng các phơng pháp cổ điểnkhông chính xác và rất phức tạp

3/h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định Trớc khi tính phải xác định một số tải trọng phụ thuộc vào kích thớc cha biếtcủa kết cấu Nếu sử dụng phơng pháp gần đúng, lực đó có thể sơ bộ xác định

Hiện nay do máy tính điện tử và công nghệ thông tin phát triển mạnh, cácchơng trình chuyên dụng đã đợc soạn thảo và khai thác có hiệu quả, chẳng hạnchơng trình phần mềm STRUDL, SAP 90, SAP 2000, STAADIII, ETABS-CSI,ANSYS, ETAB7.1, ETAB 8 v.v

Tuy nhiên, các phơng pháp gần đúng vẫn đợc sử dụng trong các trờng hợpsau :

- Khi cần có những số liệu sơ bộ để xác định kích thớc các phần tử cấukiện khung trớc khi sử dụng phơng pháp khác chính xác hơn;

- Khi cần có những số liệu cơ sở để so sánh đánh giá với các phơng phápthiết kế sẽ sử dụng;