BÀI GIẢNG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

Nếu chuyển vị ngang lớn tăng nội lực do độ lệch tâm của trọng lượng; hư hỏng các bộ phận phi kết cấu; khó bố trí thiết bị; người có cảm giác khó chịu và hoảng sợ Yêu cầu chống động đất

1

Uûy ban nhà cao tầng quốc tế

Phân lọai theo số tầng và chiều cao :

Loại I : 9 – 16 tầng (chiều cao nhà H<50m)

Loại II : 17-25 tầng (H=50 – 75m)

Loại III : 26-40 tầng (H=75 – 100m)

Loại IV: siêu cao tầng (>40 tầng, cao > 100m)

ĐỊNH NGHĨA NHÀ CAO TẦNG

Một tòa nhà đuợc xem là cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công và sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường.

Theo vật liệu xây dựng :

BTCT, thép, liên hợp BTCT+ thép

Theo sơ đồ kết cấu:

khung, tường (vách), hộp, khung-tường kết hợp, vv…

Bài 1 TỔNG QUAN

Yêu cầu đối với thiết kế kết cấu nhà cao tầng:

Yếu tố quan trọng: Tải trọng ngang

Hạn chế chuyển vị ngang Nếu chuyển vị ngang lớn tăng nội lực do độ lệch tâm của trọng lượng; hư hỏng các bộ phận phi kết cấu; khó bố trí thiết bị; người có cảm giác khó chịu và hoảng sợ

Yêu cầu chống động đất: không hư hại khi động đất nhẹ; hư hại các bộ

phận không quan trọng khi động đất vừa; có thể hư hại nhưng không sụp đổ khi động đất mạnh  kết cấu cần có độ dẻo và khả năng tiêu tán năng

lượng động đất

Giảm nhẹ trọng lượng bản thân  giảm tải trọng xuống móng; giảm tải

động đất  kinh tế, an toàn

Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng vì kết cấu vốn có độ siêu tĩnh cao quan tâm tương tác kết cấu thượng tầng –nền đất

Khả năng chịu lửa cao, dễ thoát hiểm

Yêu cầu độ bền, tuổi thọ cao

TỔNG QUAN

TOÅNG QUAN

Bài 2 HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC

CÁC HỆ KẾT CẤU CƠ BẢN

• Hệ khung: Dầm-cột; chịu tải đứng+ ngang

• Hệ tường chịu lực (vách cứng): tường chịu trọng đứng + ngang; ngăn phòng

• Hệ lõi: dạng vỏ hộp rỗng ghép bởi tường vách, không gian bên trong tận

dụng làm thang bộ, thang máy, hệ thống kỹ thuật, …

• Hệ ống: cột dày đặc trên toàn bộ chu vi nhà,liên kết nhờ hệ dầm ngang

CÁC HỆ KẾT CẤU HỖN HỢP

• Hệ khung-giằng, hệ khung-vách

• Hệ ống-lõi

• Hệ ống tổ hợp (bó ống)

• Vv,

Sàn phẳng (không dầm) và cột

Sàn phẳng và vách cứng

Sàn phẳng, vách cứng và cột

Khung cứng (có dầm)

Hệ ống mở rộng theo chu vi

Khung cứng với dầm mở rộng vách

Có lõi cứng chịu lực (và cột)

Hệ khung và vách cứng

Hệ khung và vách cứng, dầm có vách

Hệ ống theo chu vi khép kín

Hệ ống theo chu vi và lõi cứng

Hệ ống chéo theo chu vi, lõi cứng

Hệ bó ống (theo chu vi và lõi)

10152025303040506070

80 (WTC)90

120 (thường là thép)

Taranath B.S, đối với nhà cao tầng, hệ chịu lực bằng BTCT:

Structural Analysis & design of Tall Buildings – Bungale S Taranath – Mc Graw Hill, 1988

HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC

HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC

Credit : Dr.Hal S Iyengar (1972)

HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC

Credit : Dr.Hal S Iyengar (1972)

1 HỆ KHUNG CỨNG

Shear frame systems

HỆ KHUNG CỨNG

2 HỆ KHUNG -GIẰNG

Các hệ thống giằng

 Khu thang bộ, thang máy, WC,

điều hòa, kỹ thuật  thường tập

trung thành lõi (services cores)

 Kết cấu tường của khu này có thể

thiết kế thành kết cấu giữ ổn định

ngang cho công trình:

 vách, lõi cứng BTCT toàn

khối  độ cứng cao, thi công

chậm

 Khung thép có thanh giằng:

 đối xứng  thườngdùng, liên kết đơn giản

 không đối xứng  cầnkhả năng chống uốn

Shear truss (shear wall) and frame systems

Các hệ thống giằng

 Khu thang bộ, thang máy, WC,

điều hòa, kỹ thuật  thường tập

trung thành lõi (services cores)

 Kết cấu tường của khu này có thể

thiết kế thành giữ ổn định ngang

cho ctrình:

 vách, lõi cứng BTCT toàn

khối  độ cứng cao, thi công

chậm

 Khung thép có thanh giằng:

 đối xứng  thườngdùng, liên kết đơn giản

 không đối xứng  cầnkhả năng chống uốn

HỆ KHUNG – GIẰNG

15

3 LÕI CỨNG + DÀN BIÊN

Frame, vertical truss, belt and outrigger truss

20

-kết hợp lõi và khung

-Cột biên dày đặc + dầm cao giữa các cửa sổ  hệ hộp có đục lỗ

- Outrigger Frames'moment: lõi cứng giảm nhiều nhờ các dàn ngang

4 ỐNG (HỘP)

Framed tube

23

5 HỆ CHỊU LỰC CHÉO

Diagonalized Tube

6 HỆ BÓ ỐNG

Bundled Tube, Modular Tube system

7 KẾT CẤU HỖN HỢP THÉP-BÊTÔNG

Mixed Steel-Concrete system

Sàn thép –BT hỗn hợp

Bản sàn:

BTCT tòan khối

Tấm BT đúc sẵn (dày 40÷50mm) làm coppha, lớp BT toàn khối phủ lên trên

Tấm deck bằng thép + bản BTCT

 BT mặt trên: đúc tại chỗ

trên tấm deck bằng thép

[⇔ coppha + cốt thép]

 CT đặt thêm trong BT:

chống nứt; lúc hỏa hoạn,

tấm deck không chịu lực

 Thi công nhanh phổ

biến Nếu nhịp < 3.5m  có

thể bỏ cây chống tạm

29

Số tầng càng cao, BTCT thuần tuý rất nặng, xử lý móng phức tạp, tốn kém Do vậy, kết cấu thép sẽ là hệ chịu lực thay thế.

Kết cấu thép lại chịu lửa kém, cần được bảo vệ bằng bê tông, do vậy xuất hiện bê tông cốt cứng Sàn thép ồn, rung, độ cứng kém, chi phí bảo trì, cao, cần được “ốp” bê tông, xuất hiện sàn BTCT liên hợp Và kết cấu bê tông cốt cứng, sàn liên hợp, gọi chung là kết cấu liên hợp

Nhà cao tầng, có khẩu độ lớn, để dễ bố trí, kiến trúc nên dùng dầm

BTCT DUL thì vẫn nặng Dầm thép và sàn liên hợp sẽ là phương án tối ưu Khẩu độ có khi vượt đến 20m Một số trường hợp khác, hệ dầm thép còn được thay thế bằng hệ dàn thép , hay sử dụng dầm bê tông cốt cứng (dầm liên hợp ).

31

8 KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG Ở VIỆT NAM

-Cao ≤ 35 tầng; ≤ 2 tầng hầm

-Thường dùng móng cọc (BTCT đúc sẵn : ép, đóng; khoan

nhồi, barrete)

-Thường dùng kc BTCT Cường độ bêtông 25-40 MPa; giới hạn chảy của thép 240-420 MPa;

33

Bài 3 NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN

THIẾT KẾ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

BTCT TOÀN KHỐI

1.Vật liệu

−Cường độ chịu lực, độ bền mỏi, tính biến dạng, khả năng chống cháy

−Mác Bêtông ≥ 300 (BTCT thường), ≥ 350 (BTCT ứng lực trước.)

−Dùng thép cường độ cao, có thể dùng thép hình trong kết cấu hỗn hợp thép−BTCT

-Trọng lượng kết cấu ảnh hưởng đến tải trọng động đất

2.Hình dạng công trình

a/Mặt bằng

−đơn giản, nên đối xứng, tránh dùng MB trải dài hoặc có các cánh

mảnh

−MB hình chữ nhật: thỏa L/B ≤ 6 (với cấp phòng chống động đất ≤ 7)

−MB gồm phần chính và các cánh nhỏ: tỷ số chiều dài cánh và chiều rộng cánh nên thỏa l/b ≤ 2 (với cấp phòng chống động đất ≤ 7)

Mặt bằng

Mặt bằng

Mặt bằng

Mặt bằng

b/Hình dạng theo

phương đứng

−đều hoặc thay đồi đều,

giảm kích thước dần lên

phía trên

−Theo chiều cao, không

nên thay đổi vị trí trọng

tâm và tâm cứng của

mặt bằng các tầng

- Tránh mở rộng ở tầng

trên hoặc nhô ra cục bộ

quá nhiều (nguy hiểm

khi động đất)

c/Chiều cao nhà

3.Chọn hệ kết cấu chịu lực

Theo Taranath B.S,

đối với nhà cao

tầng, hệ chịu lực

Yêu cầu không gian kiến trúc

−Nhà ở (chung cư ), khách sạn không yêu cầu không gian lớn → tường

(vách) cứng chịu lực.

−Nhà có chức năng hành chính và công cộng (văn phòng, dịch vụ …) cần

không gian linh hoạt, các phòng lớn không có vách ngăn → cấu khung;

khung kết hợp vách cứng, lõi cứng.

Chọn hệ kết cấu chịu lực

Mặt bằng chạy dài → khung, khung+vách MBcó hình dạng giao nhau→ khung + lõi cứng

Giảm ảnh hưởng của nhiệt độ và co ngót của bêtông: -Tăng thép tại nơi nhạy cảm với nhiệt độ: sàn mái, sàn tầng dưới cùng, tường đầu hồi, vv

4 Bố trí khe lún, khe co giãn, khe kháng chấn

Khe lún:do lệch tầng lớn, do địa chất thay đổi phức tạp …

Có thể không cần khe lún nếu:

-Công trình tựa trên nền cọc chống vào đá; hoặc bằng các biệnpháp khác chứng minh được độ lún công trình không đáng kể

•-Việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiện độ chênh lún giữa cácbộ phận nằm trong giới hạn cho phép

• -Thi công phần cao tầng trước, phần thấp tầng sau, có tínhmức độ chệnh lệch lún hai khối đề khi làm xong thì độ lún haikhối xấp xỉ nhau Phải chừa một mạch bêtông giữa hai khối đểđổ sau khi độ lún hai khối đã ổn định

Nhà có “cánh” dạng chữ L, T, U, H, Y … thường hay bị hư hỏng hoặc bị đổ khi gặp động đất mạnh ⇒ bố trí khe kháng chấn tách rời phần cánh ra khỏi công trình Các khe kháng chấn phải đủ rộng để khi dao động các phần của công trình đã được tách ra không va đập vào nhau

Khe kháng chấn

-Nên điều chỉnh mặt bằng, dùng các biện pháp thi công và cấu tạo để giảm số lượng khe(co giãn, lún, kháng chấn).

-Khe co giãn và khe kháng chấn không cần xuyên qua móng, trừ trường hợp trùng với khe lún.

Ví dụ công trình Mexico City, một tầng nhà bị phá hoại hoàn toàn khi hai tòa nhà, có chiều cao và đặc trưng động lực học khác nhau, va đập vào nhau.

Sự chuyển động của nền đất gây nên những dao động khác nhau giữa các khối công trình, tại những nơi có sự gián đọan kết cấu.

a/ Theo phương ngang

Độ cứng và cường độ  bố trí đều đặn và đối xứng trên mặt bằng Tâm cứng nên trùng hoặc gần trùng với tâm khối lượng để giảm thiểu biến dạng xoắn do tải trọng ngang.

Hệ thống chịu lực ngang chính  bố trí theo cả hai phương.

Các vách cứng theo phương dọc không không nên bố trí chỉ ở một đầu nhà mà nên bố trí ở khu vực giữa nhà hoặc cả ở giữa nhà và hai đầu nhà.

Khoảng cách các vách cứng : theo quy định

b/ Theo phương đứng

Tránh thay đổi độ cứng đột ngột Độ cứng có thể được giảm dần lên phía trên, tuy nhiên độ cứng của kết cấu ở tầng trên phải không nhỏ hơn 70% độ cứng của kết cấu ở tầng dưới kề với nó Nếu 3 tầng giảm độ cứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50%

Trong trường hợp độ cứng kết cấu bị thay đổi đột ngột, ví dụ như dùng hệ khung ở các tầng dưới và hệ khung−vách ở các tầng trên thì cần có các giải pháp kỹ thuật đặc biệt

5 Phân bố độ cứng và cường độ

Độ cứng chống lực ngang của một tầng nhà

K = (G w A w + 0,12G c A c )/H

6 Bố trí kết cấu khung chịu lực

-Khung đối xứng, độ siêu tĩnh cao

-Các nhịp gần bằng nhau

-Tránh hẫng cột, thông tầng,

công-son (động đất phương đứng)

-Nếu tầng dưới không chèn gạch

mà tầng trên chèn gạch thì phải

tăng độ cứng tầng dưới

“ CỘT KHỎE- DẦM YẾU”

khi phá họai, các khớp dẻo phải được hình thành trong dầm trước khi hình thành trong các cột

Kết cấu khung

48

7 Bố trí vách cứng

Ít nhất có 3 vách cứng trong một đơn nguyên, trục 3 vách không được gặp nhau tại một điểm

Đối xứng (độ cứng và hình học); tâm cứng trùng với tâm khối lượng

 Chiều dày vách ≥150 mm và ≥ 1/20 chiều cao tầng nhà

 Sơ bộ xác định diện tích vách :

F vách = 1,5 /100 diện tích một sàn tầng

 Không nên chọn

vách có khả năng chịu

tải lớn nhưng số lượng

ít; mà nên phân đều

ra trên mặt bằng

 Gia cố lỗ cửa vách

Vách cứng trong kết cấu khung-vách cứng

1.Vách cứng theo phương ngang: đều đặn, đối xứng tại vi trí gần đầuhồi, ô thang máy, …

2.Vách cứng theo phương dọc: ở khỏang giữa đơn nguyên Khi nhàdài, không nên tập trung vách dọc ở hai đầu  nhiệt độ, co ngót bố trí mạch thi công

3.Vách cứng phương dọc nên bố trí thành nhóm: chữ L, T,

4.Vách chạy suốt chiều cao nhà; có thể giảm dần (không đột ngột)chiều dày vách

Vách trong kết cấu Vách cứng

1.Bố trí vách theo hai chiều hay nhiều chiều, nên vuông góc với

nhau

2.Có thể chia vách cứng dài thành nhiều đọan độc lập, nối với

nhau bằng dầm hoặc sàn tầng

3 Lỗ vách cứng phải đều đặn từ trên xuống dưới, không lệch

Bài 4.

KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU

nhà cao tầng 52

1.Các dạng

tải trọng động

điển hình

Số thành phần chuyển vị cần xem xét để đại diện cho tác động của mọi lực quán tính chủ yếu của kết cấu gọi là số bậc tự do (động lực học) dynamic degrees of freedom

2 Bậc tự do

3 HỆ MỘT BẬC TỰ DO (SDOF)

nhi ều so với cột, hệ có

th ể đơn giản hoá thành

h ệ 1BTD.

1

2

6 5

4 3

Theo quan điểm

DAO ĐỘNG TỰ DO KHÔNG CẢN

) sin(

B ) cos(

A )

u = ωn + ωn

m k

n =

ω

n t

t

u u u

u u u

ω

B

A

o o

o o

C ) (t = ω t + θ

(s)

T

Kh ối lượng m được đưa

kh ỏi vị trí cân bằng rồi thả

cho nó dao động tự do.

Phương trình chuyển động: m  u + u k = 0

Nghi ệm của p/trình:

) sin(

) cos(

) (t uo t uo t

cos )

C

57

4

60

5 Phương pháp chồng chất dạng dao động

64

Bài 6.

XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC

(chu kỳ & dạng dao động tự nhiên)

1 Theo TCXD 229:1999

[ chỉ dẫn tính toanù thành phần động của tải trọng gió ]

Aùp dụng cho công trình có sơ đồ tính là thanh công-xon có khối lượng phân bố đều (m), ngàm ở đáy

a.Nếu độ cứng không đổi theo chiều cao

q

EJg H

fi _ tần số dao động riêng thứ i (Hz)

q _ trọng lượng đơn vị dài theo chiều cao nhà (kN/m)

EJ _ độ cứng chống uốn (kNm2)

g _gia tốc trọng trường (m/s2)

H _chiều cao nhà (m)

hj _chiều cao của điểm khối lượng thứ j (m)

Tung độ của ba mode

shape đầu tiên

H

y P

gy f

g _ gia tốc trọng trường (m/s2)

yH, yj _ chuyển vị ngang ở đỉnh và ở trọng tâm đọan

thứ j của công trình, do lực ngang P = 1kN đặt ở đỉnh công trình gây ra

Pj _ trọng lượng của đọan công trình thứ j (kN)

68

2 Theo tài liệu Trung Quốc

∆

1 1 7 α

T

PP tải trọng ngang giả

∆ (m) _ chuyển vị đỉnh nhà khi lấy trọng lượng Gj các tầng làm lực ngang

tập trung tại các mức sàn

α0 _ hệ số giảm chu kỳ khi xét ảnh hưởng của tường gạch chèn

Theo dạng kết cấu và số tầng N

Kinh nghiệm ( để kiểm tra kết quả)

Các mode tiếp theo: T2 = (1/5 ÷1/3)T1 ; T3 = (1/7 ÷1/5)T1

Dạng dao động:

 dạng 1: không có điểm không ở trên

dạng 2 : điểm không ở trên vào khoảng cao độ (0.72 ÷ 0.78)H

dạng 3 : điểm không ở trên vào khoảng cao độ (0.85 ÷ 0.9)H và

điểm không ở dưới vào khoảng cao độ (0.42 ÷ 0.5)H

H

l A

i c

Với kết cấu có vách cứng,

có thể lấy C t như sau

Ac _ tổng diện tích hữu hiệu các vách cứng ở tầng đầu tiên, [m 2 ]

Ai _ diện tích tiết diện ngang hữu hiệu vách cứng thứ i

theo hướng đang xét ở tầng đầu tiên, [m 2 ]

lwi _ chiều dài vách cứng ở tầng đầu tiên theo hướng song song

lực tác động, [m], với lwi/H ≤ 0.9

nhà, kích thước mặt

bằng nhà theo

phương đang xét

n

i

i i

F g

W T

δi _ chuyển vị tại cao trình i (có trọng lượng W i )

do bộ lực ngang bất kỳ ΣF i tác dụng.Sự phân phối của F i có thể theo hình dạng của đường đàn hồi.

g _gia tốc trọng trường.

3 Phân tích bằng phần mềm phần tử hữu hạn

Phân tích bằng phần mềm phần tử hữu hạn

Phân tích bằng phần mềm phần tử hữu hạn Mode shape

Bài 7.

TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG

1.Tải trọng gió

Tác động của gió lên công trình phụ thuộc hai nhóm thông số:

Các thông số của không khí: tốc độ, áp lực, nhiệt độ, sự biến động theo thời gian

Các thông số của vật cản: hình dạng, kích thước, độ nhám của bề

mặt, hướng của vật cản so với chiều gió và các vật cản kế cận

Tải trọng gió gồm hai thành phần (hiệu ứng) tĩnh và động

Theo TCVN 2737-1995 và TCXD 229:1999

Thành phần động của tải trọng gió :

Cần xét khi nhà nhiều tầng cao H > 40m

Thành phần động được xác định theo phương tương ứng với thành phần tĩnh

Do xung của vận tốc gió và lực quán tính của công trình.(Gió tĩnh × hệ số)

Tính gió động và phản ứng công trình do gió động ứng với từng dạng dao động

Sơ đồ tính: thanh công-xon có hữu hạn điểm tập trung khối lượng

Có thể kể khối lượng chất tạm thời trên công trình, với hệ số chiết giảm

a Gió tĩnh

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió

W j tại điểm j ứng với độ cao z j so với mốc chuẩn W j = W 0 k(z j ) c

Hệ số khí động c, nếu gộp chung phía đón gió và phía khuất gió, c = 0,8 + 0,6 = 1,4

t

m

g t

j j

t

z

z z

k

2

844,1)

b Gió động

Xác định các tần số và dạng dao động

Nếu f1 < fL (tần số giới hạn) thì phải kể đến tác dụng của cả xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình

Cần tính toán với s dạng dao động đầu tiên, thỏa điều kiện fs < fL < fs+1

δ= 0.3 : BTCT, gạch đá, khung thép

có kết cấu bao che

δ =0.15 : tháp trụ, ống khói thép,

cột thép có bệ bằng BTCT

W Fj _ giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió

tác dụng lên phần thứ j của công trình, ứng với dạng dao động khác nhau, khi chỉ kể xung vận tốc gió

Nếu chỉ kể ảnh hưởng của xung vận tốc gió

W Fj = W j ζjν S j

S j _ diện tích đón gió của phần j của công trình (m 2 )

W j _ gió tĩnh