kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép

Một công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang có thể dưới dạng gió bão hoặc động đất. Mặc dù chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số các kỹ sư kết cấu chấp nhận, đó là từ nhà thấp tầng sang nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi chịu tải trọng gió, động đất...

Ch ơng 1 −ơng 1

Kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép và một số giải pháp

hạn chế chuyển vị ngang

1.1 Lịch sử phát triển nhà cao tầng

1.1.1 Nguyên nhân xuất hiện Nhà cao tầng [5]

Sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội dẫn đến tại một số đô thị trên thế giới dân số ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm th ơng −ơng 1 mại, khách sạn, tăng lên đáng kể, trong khi quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng làm giá đất tăng lên Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đẩy phát triển kinh tế, giảm chi phí vận hành Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển của Nhà cao tầng 1.1.2 Định nghĩa và Phân loại Nhà cao tầng

Định nghĩa [10]: Theo ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: “Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông th ờng đ ợc gọi là Nhà cao tầng” Có thể định nghĩa theo cách −ơng 1 −ơng 1 khác: “Nhà cao tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh h ởng tới ý đồ và cách −ơng 1 thức thiết kế”

Phân loại theo chiều cao nhà:

- Nhà cao tầng loại 1: 09 – 16 tầng (cao nhất 50m)

- Nhà cao tầng loại 2: 17 – 25 tầng (cao nhất 75m)

- Nhà cao tầng loại 3: 26 – 40 tầng (cao nhất 100m)

- Nhà cao tầng loại 4: 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng)

Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:

Về mặt kết cấu, một công trình đ ợc định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và −ơng 1 chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định Tải trọng ngang có thể d ới dạng −ơng 1 gió bão hoặc động đất Mặc dù ch a có sự thống nhất chung nào về định nghĩa Nhà −ơng 1 cao tầng nh ng có một ranh giới đ ợc đa số các Kỹ s kết cấu chấp nhận, đó là từ −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 nhà thấp tầng sang Nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi nhà chịu tải gió, động đất, tức là vấn đề dao động và ổn định

sự phồn thịnh và phát triển mà điển hình là sự phát triển ở Mỹ: năm 1913 cao ốc

Woolworth xuất hiện (chiều cao 241m); năm 1930 cao ốc Crystler trở thành công

trình cao nhất với chiều cao 319m nh ng chỉ sau vài tháng đã bị đánh bại bởi State −ơng 1 Emprire Building cao 344m (102 tầng) Kỷ lục này chỉ giữ đ ợc đến khi World −ơng 1

Trade Center ra đời cao 381m (110 tầng) ở Châu á xu h ớng phát triển này cũng −ơng 1 bắt đầu từ những năm 70 mà điển hình là Bank of China Tower – HongKong cao 269m (70 tầng); Jin Mao Tower ShangHai cao 421m (86 tầng); Petronas Tower

ở Việt Nam trong những năm gần đây số l ợng nhà có số tầng từ 20 trở lên −ơng 1

tăng rất nhanh: SaiGon Plaza 33 tầng, Hanoi Tower 25 tầng, Vetcombank Tower 22 tầng, Khách sạn Melia 22 tầng, KĐT Trung Hòa 34 tầng, Chung c Sông Đà ở −ơng 1 Km10 Nguyễn Trãi 34 tầng; Keangnam Hanoi Landmark Tower 345m (70 tầng), Trung tâm tài chính Bitexco 262,5m (68 tầng), Hanoi City Complex 195m (65 tầng)

Sự phát triển của nhà cao tầng tạo điều kiện cho sự phát triển các hệ kết cấu chịu lực đặc biệt là các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang

1.2 Các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng [10] Nguyên

tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang

1.2.1 Các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng

Các cấu kiện chịu lực cơ bản bao gồm:

- Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm

- Cấu kiện dạng phẳng: tấm đặc hoặc tấm có lỗ

- Hệ l ới thanh dạng dàn phẳng: tấm sàn phẳng hoặc có s ờn −ơng 1 −ơng 1

- Cấu kiện không gian: lõi cứng, l ới hộp đ ợc tạo thành bằng cách liên kết −ơng 1 −ơng 1 các cấu kiện phẳng hoặc các thanh lại với nhau

Các hệ kết cấu chịu lực:

Khái niệm: hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu của công

trình nhận các tải trọng và truyền xuống đất nền, chúng tạo thành từ một hay nhiều loại cấu kiện cơ bản ở trên

Các hệ kết cấu chịu lực đ ợc chia thành 2 nhóm: −ơng 1

- Nhóm các hệ cơ bản: hệ khung (I), hệ t ờng (II), hệ lõi (III), hệ hộp (IV) −ơng 1

- Nhóm các hệ hỗn hợp tạo thành từ sự kết hợp hai hay nhiều hệ cơ bản trên

1.2.2 Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng

Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng có hai sơ đồ chính, bao gồm:

Sơ đồ giằng: khung chỉ chịu tải trọng đứng còn toàn bộ tải trọng ngang do vách cứng chịu Nút khung có thể cấu tạo khớp hoặc độ cứng chống uốn của cột bé vô cùng

Sơ đồ khung - giằng: hệ khung chịu cả tải trọng đứng và ngang, nút khung phải

là nút cứng

Nhận thấy: tất cả các hệ chịu lực cơ bản và hỗn hợp tạo thành từ các t ờng, lõi −ơng 1

và hộp chịu lực đều thuộc sơ đồ giằng Hệ khung chịu lực đ ợc xếp vào sơ đồ khung −ơng 1

- giằng

Hình 1.2 Các sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng [10]

a) Sơ đồ giằng b) Sơ đồ khung - giằng

1.2.3 Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang [4]

D ới tác dụng của tải trọng ngang trong công trình có thể xuất hiện ba dạng −ơng 1

nội lực chính: mômen uốn, lực cắt ngang, mômen xoắn (xuất hiện khi tải trọng ngang đặt lệch với tâm cứng của công trình)

Do sự bố trí của hệ kết cấu, đặc biệt là bố trí trên mặt bằng, mà các nội lực này

đ ợc phân phối cho các kết cấu thành phần khác nhau Chính vì vậy việc bố trí kết −ơng 1

cấu trên mặt bằng sao cho phù hợp là hết sức quan trọng

Để có thể bố trí một cách hợp lý, tr ớc hết phải thấy đ ợc ảnh h ởng của các −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 nội lực lên các kết cấu:

Đối với mômen uốn: các kết cấu vuông góc với mặt phẳng uốn và cách xa trục uốn có xu h ớng chịu tải trọng lớn, nhất là các kết cấu ở biên Ngoài ra các kết cấu −ơng 1 nằm trong mặt phẳng uốn có mômen quán tính lớn cũng có tác dụng chống uốn theo

ph ơng đó tốt Bởi vậy, để tăng khả năng chống uốn do tải trong ngang gây ra, nên −ơng 1

bố trí các kết cấu có tiết diện ngang lớn ra càng ra gần biên vuông góc với mặt phẳng uốn càng tốt và bố trí một số kết cấu có kích th ớc theo ph ơng mặt phẳng −ơng 1 −ơng 1

uốn đ ợc kéo dài Đồng thời liên kết các hệ kết cấu biên thành một hệ liên tục để có −ơng 1

độ cứng chống uốn tổng thể cao

Đối với lực cắt ngang: các kết cấu có diện tích tiết diện ngang lớn, kết cấu càng nằm ở tâm công trình có khả năng phải tiếp nhận tải trọng lớn Các kết cấu có dạng dải sẽ phát sinh ứng suất tập lớn ở giữa dải Do đó, khi công trình phải chịu lực cắt

lớn th ờng cấu tạo các kết cấu dạng tổ hợp để có tiết diện ngang lớn, các kết cấu ương 1

dạng dải theo ph ơng của tải trọng ngang Bên cạnh đó theo ph ơng mặt phẳng ương 1 ương 1 thẳng đứng cấu tạo các hệ liên kết để tăng khả năng chịu cắt

Đối với mômen xoắn: tr ớc hết cần bố trí sao cho xuất hiện mômen xoắn càng ương 1 nhỏ càng tốt Muốn vậy trên mặt bằng, các kết cấu thành phần cần phải bố trí sao

cho càng đối xứng càng tốt, tâm cứng của toàn bộ hệ kết cấu càng gần với tâm khối

l ợng, và điểm đặt của hợp lực tải trọng ngang Trên suốt chiều cao công trình cần ương 1 hạn chế sự thay đổi độ cứng cục bộ để hạn chế sự phát sinh các mômen xoắn phụ

giữa các phần của công trình Mômen xoắn tác dụng vào hệ kết cấu sẽ đ ợc phân ương 1

thành những cặp ứng lực cắt ng ợc chiều trong các kết cấu thành phần Trong ương 1

tr ờng hợp này các kết cấu biên th ờng tiếp nhận ứng lực cắt rất lớn Vì vậy, để chịu ương 1 ương 1 mômen xoắn th ờng cấu tạo các kết cấu cứng ở biên và các kết cấu có khả năng ương 1

kháng xoắn lớn nh các kết cấu có dạng không gian kín, kết cấu hộpương 1 … Ngoài ra còn

có thể tăng khả năng chịu xoắn tổng thể của cả công trình bằng cách liên kết hệ kết cấu biên theo ph ơng đứng thành khối không gian ương 1

1.3 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản [10]

1.3.1 Hệ khung chịu lực (I)

Hệ này đ ợc tạo thành từ các thanh thẳng đứng (cột) và ngang (dầm) liên kết ương 1

cứng tại các chỗ giao nhau giữa chúng (nút) ở nhà khung, các khung phẳng lại liên kết với nhau qua các thanh ngang tạo thành khối khung không gian có mặt bằng

hình vuông, chữ nhật, tròn, đa giác (Hình 1.3) Khoảng cách giữa các cột th ờng từ ương 1 4-8m, khoảng cách giữa các dầm bằng chiều cao tầng (2,8-4m)

Hình 1.3 Nhà có Hệ khung chịu lực [10]

Hệ kết cấu khung sử dụng hiệu quả cho công trình có không gian lớn, bố trí nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại công trình Tuy nhiên Hệ khung có khả năng chịu cắt theo ph ơng ngang kém, ngoài ra hệ thống dầm th ờng có chiều cao −ơng 1 −ơng 1 lớn nên ảnh h ởng đến không gian sử dụng và làm tăng độ cao của công trình −ơng 1

Hình 1.4 Tháp Bảo tàng The Museum Tower, Los Angeles [22]

(a) Tổng thể công trình; (b) Hệ kết cấu chịu lực

Chiều cao nhà thích hợp cho Kết cấu BTCT là không quá 30 tầng Nếu trong vùng có động đất từ cấp 8 trở lên thì chiều cao khung phải giảm xuống Chiều cao tối đa của ngôi nhà còn phụ thuộc vào số b ớc cột, độ lớn các b ớc, tỷ lệ chiều cao −ơng 1 −ơng 1

và chiều rộng nhà

Hình 1.4 mô tả công trình “The Museum Tower” ở Los Angeles cao 73m (22 tầng) sử dụng kết cấu bê tông cốt thép với hệ kết cấu chịu lực là hệ khung không gian b ớc cột 3,96m chiều cao tầng 2,7m.−ơng 1

1.3.2 Hệ t ờng chịu lực (II) −ơng 1

Là một hệ tấm t ờng phẳng vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng, vừa là hệ −ơng 1 thống chịu tải trọng ngang và là t ờng ngăn giữa các phòng Căn cứ vào cách bố trí −ơng 1 các tấm t ờng chịu tải trọng thẳng đứng chia làm 3 sơ đồ: −ơng 1

- T ờng dọc chịu lực −ơng 1

- T ờng ngang chịu lực −ơng 1

- T ờng dọc và ngang cùng chịu lực −ơng 1

Hình 1.5 Hệ t ờng chịu lực [10] −ơng 1

Trong các nhà mà t ờng chịu lực chỉ đặt theo một ph ơng, sự ổn định của công −ơng 1 −ơng 1 trình theo ph ơng vuông góc đ ợc đảm bảo nhờ các vách cứng Nh vậy, vách cứng −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1

đ ợc hiểu theo nghĩa là các tấm t ờng thiết kế để chịu tải trọng ngang Trong thực −ơng 1 −ơng 1

tế, đối với nhà cao tầng, tải trọng ngang bao giờ cũng chiếm u thế nên các tấm −ơng 1

t ờng chịu lực đ ợc thiết kế để vừa chịu tải trọng ngang vừa chịu tải trọng đứng Các −ơng 1 −ơng 1 tấm t ờng đ ợc làm bằng BTCT có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt nên đ ợc gọi −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1

là vách cứng

Để đảm bảo độ cứng không gian cho công trình nên bố trí vách cứng theo cả hai ph ơng dọc và ngang nhà Số l ợng vách theo mỗi ph ơng xác định theo khả −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 năng chịu tải trọng theo ph ơng đó Ngoài ra, vách cứng cũng nên bố trí sao cho −ơng 1 công trình không bị xoắn khi chịu tải trọng ngang

Tải trọng ngang đ ợc truyền đến các tấm t ờng chịu tải thông qua hệ các bản −ơng 1 −ơng 1 sàn đ ợc xem là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng Do đó các vách cứng −ơng 1 làm việc nh những dầm công xon có chiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu tải của −ơng 1 các vách cứng phụ thuộc nhiều vào hình dáng và kích th ớc tiết diện ngang của nó −ơng 1 Các vách cứng th ờng bị giảm yếu do có các lỗ cửa, số l ợng, vị trí, kích th ớc lỗ −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 cửa ảnh h ởng quyết định đến khả năng làm việc của chúng −ơng 1

- Các vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo ph ơng ngang −ơng 1 lớn

- Khả năng chịu động đất tốt: kết quả nghiên cứu thiệt hại do các trận động đất lớn gây ra, ví dụ trận động đất vào tháng 2 năm 1971 ở California (Hoa Kỳ), tháng

12 năm 1972 ở Nicaragua, năm 1977 ở Rumania cho thấy rằng: các công trình có vách cứng bị h hỏng t ơng đối nhẹ, trong khi các công trình có kết cấu khung bị h −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 hỏng nặng hoặc sụp đổ

- Hệ vách cứng có trọng l ợng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất −ơng 1 tác động lên công trình có giá trị lớn Đây là đặc điểm bất lợi cho công trình thiết kế chịu động đất

- Hệ kết cấu này thích hợp cho các công trình mà có không gian bị ngăn chia bên trong nh nhà ở, khách sạn, bệnh viện −ơng 1 … và cho các công trình có chiều cao

d ới 40 tầng −ơng 1

1.3.3 Hệ lõi chịu lực (III)

Lõi có dạng vỏ hộp rỗng tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tác dụng lên công trình và truyền xuống đất nền Lõi có thể xem là sự kết hợp của nhiều tấm t ờng theo các ph ơng khác nhau Trong lõi có thể bố trí hệ thống kỹ thuật, −ơng 1 −ơng 1 thang bộ, thang máy Sau đây là một số cách bố trí thông dụng

- Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác… (kín hoặc hở)

Hình 1.6 Hình dạng các Vách cứng [10]

Các đặc điểm cơ bản của Hệ t ờng chịu lực: −ơng 1

- Nhà có một lõi hoặc hai lõi

- Lõi nằm trong nhà hoặc theo chu vi nhà hoặc có một phần nằm ngoài

Hình 1.7 Hệ lõi chịu lực [10]

Tr ờng hợp nhà có nhiều lõi cứng thì chúng đ ợc đặt xa nhau và các sàn đ ợc −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 tựa lên hệ thống dầm lớn liên kết với các lõi Các lõi cứng đ ợc bố trí trên mặt bằng −ơng 1

Hình 1.8 Tháp Miglin - Beiler, Chicago [22]

nhà sao cho tâm cứng của công trình trùng với trọng tâm của nó để tránh bị xoắn khi dao động

Lõi cứng làm việc nh một consol lớn ngàm vào mặt móng công trình, lõi có −ơng 1 tiết diện kín, hở hoàn toàn hoặc nửa hở, tuy nhiên thực tế lõi cứng th ờng có tiết −ơng 1 diện hở hoặc nửa hở

Đây là hệ kết cấu đ ợc sử dụng khá phổ biến, có thể sử dụng cho những công −ơng 1 trình có số tầng lên đến 60-70 tầng

Hình 1.8 mô tả công trình “The Miglin-Beiler Tower” ở Chicago (Hoa Kỳ) có phần kết cấu thân không kể tháp thép ở trên cao 443,2m sử dụng hệ kết cấu lõi chịu lực, trong đó ở giữa công trình đặt một lõi bê tông cốt thép chịu lực chính có bề dày giảm dần từ 0,91m đến 0,46m, ngoài ra xung quanh đ ợc bố trí thêm một số cột −ơng 1 thép rỗng nhồi bê tông và một số dàn thép ở biên để tăng độ cứng tổng thể

1.3.4 Hệ hộp chịu lực (IV)

Xuất phát từ sự phát triển của vật liệu bê tông cốt thép, nhiều công trình có chiều cao lớn đã đ ợc xây dựng Sau một thời gian thực tế đã chứng minh rằng với −ơng 1 những công trình quá cao (trên 30 tầng) thì việc sử dụng hệ kết cấu khung là không kinh tế do kích th ớc của dầm và cột quá lớn ảnh h ởng nhiều đến không gian sử −ơng 1 −ơng 1 dụng, kết cấu móng Nếu sử dụng các hệ vách, lõi ở bên trong công trình thì th ờng −ơng 1 công trình không đủ độ cứng, độ ổn định tổng thể cần thiết Từ đó hệ kết cấu hộp xuất hiện nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra cho công trình siêu cao tầng

Hệ kết cấu gồm các cột đặt dày đặc trên toàn bộ chu vi công trình đ ợc liên −ơng 1 kết với nhau nhờ hệ thống dầm ngang gọi là kết cấu hộp (còn gọi là kết cấu ống)

Hệ hộp chịu tất cả tải trọng đứng và tải trọng ngang Các bản sàn đ ợc gối lên −ơng 1 các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng t ờng ngoài mà không cần các kết cấu −ơng 1 trung gian khác bên trong Khi các cột đặt th a nhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ −ơng 1 khung, khi các cột đặt kề nhau và hệ dầm có độ cứng lớn thì d ới tác dụng của tải −ơng 1 trọng ngang kết cấu làm việc nh một consol Trong thực tế, khoảng cách giữa các −ơng 1 cột biên đặt theo một mức độ cho phép cho nên kết cấu ống, thực chất nằm trung gian giữa sơ đồ biến dạng consol và sơ đồ khung

Các giải pháp kết cấu cho vỏ hộp:

- Dùng các l ới ô vuông tạo thành từ các cột đặt cách nhau ở khoảng cách bé −ơng 1 với các dầm ngang có chiều cao lớn Hệ kết cấu này rất phù hợp với bản chất toàn

khối của kết cấu bê tông cốt thép Tuỳ thuộc vào chiều cao và kích th ớc mặt bằng ương 1 công trình mà khoảng cách giữa các cột có thể từ 1,5m đến 4,5m, chiều cao của dầm

từ 0,6 đến 1,2m Dùng cho nhà cao từ 40-60 tầng

- Dùng l ới không gian với các thanh chéo: tạo thành l ới ô vuông từ cột và ương 1 ương 1

dầm, tạo thành ô l ới quả trám có hoặc không có thanh ngang Dùng cho nhà có ương 1

chiều cao cực lớn trên 80 tầng Tác dụng của thanh chéo: làm tăng độ cứng ngang và chống xoắn của công trình, khắc phục tính biến dạng của dầm ngang Các thanh chéo không chỉ tạo ra một hệ giàn phẳng mà còn hoạt động t ơng hỗ với các giàn ương 1

trong mặt phẳng vuông góc tạo thành hình chữ X giữa các cột góc trên mặt đứng

ới những công trình cao chọc trời dạng tháp (Tower)

Hình 1.10 mô tả công trình “JinMao Tower” ở Th ợng Hải cao 421m (87 tầng) ương 1

sử dụng hệ kết cấu hộp giàn không gian, trong đó giữa nhà bố trí một lõi bê tông cốt thép bề dày giảm dần từ 0,84m đến 0,46m, và một hệ giàn thép bao bên ngoài công trình liên kết các hệ cột ở biên

Hình 1.9 Hệ hộp chịu lực [10]

Nhìn chung hệ hộp là hệ kết cấu đ ợc sử dụng chính vương 1

Sự tham gia chịu lực của hệ giằng chéo không chỉ làm giảm momen, lực cắt

trong cột mà còn làm tăng độ cứng theo ph ơng ngang của công trình một cách −ơng 1

đáng kể Nh ợc điểm của hệ kết cấu khung – giằng là sự cản trở của hệ giằng chéo −ơng 1

đến công năng sử dụng của ngôi nhà, xét về chịu lực thì hệ giằng có dạng chữ X là

hệ quả nhất; tuy nhiên trong thực tế có thể dùng một số loại giằng khác mặc dù

không hệ quả bằng hệ chữ X, nh ng u điểm của những hệ này là trên các ô đặt −ơng 1 −ơng 1 giằng có thể mở cửa sổ, cửa đi

Hình 1.11 Một số dạng giằng xiên trong NCT [7]

Nếu thiết kế thêm các dàn ngang ở tầng trên cùng hoặc tầng trung gian liên kết các bộ phận khung còn lại với các dàn đứng này thì hiệu qủa chịu tải trọng của hệ sẽ tăng thêm đến 30%

Hình 1.12 Nhà có Vách cứng dạng dàn [10]

D ới tác dụng của tải trọng ngang, các dàn ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực −ơng 1 dọc giữa các cột khung, cản trở chuyển vị xoay của cả hệ và làm giảm mômen uốn ở phần d ới khung −ơng 1

1.4.2 Hệ khung – vách

Kết cấu khung có độ cứng chống uốn tốt nh ng độ cứng chống cắt kém, còn −ơng 1 kết cấu vách có độ cứng chống cắt tốt nh ng độ cứng chống uốn kém Khi chịu tải −ơng 1 trọng ngang khung có xu h ớng chịu biến dạng do cắt còn vách cứng có xu h ớng −ơng 1 −ơng 1 chịu biến dạng do uốn nên hai hệ này sẽ bổ sung cho nhau khi chịu uốn cắt đồng thời, do vậy:

- Các vách cứng th ờng đ ợc bố trí thành các dạng tổ hợp chữ C, I để tăng khả −ơng 1 −ơng 1 năng chống uốn

- Kéo dài các vách theo ph ơng mặt phẳng uốn −ơng 1

- Bố trí các vách phẳng sao cho tâm cứng của hệ vách trùng với tâm đặt tải trọng và hạn chế bố trí nhiều hơn 3 vách đồng quy (vì giảm khả năng chống xoắn)

- Đ a các khung và một số vách phẳng ra biên để chịu lực cắt và mômen xoắn −ơng 1

Hình 1.13 Mặt bằng tầng điển hình của công trình có hệ KC khung - vách [22]

1.4.3 Hệ khung – lõi

Trong hệ kết hợp này khi tải trọng ngang tác dụng hầu nh đ ợc truyền vào hệ −ơng 1 −ơng 1 lõi cứng còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó,

do vậy khi bố trí hệ kết cấu cần chú ý:

- Bố trí tâm cứng của hệ lõi càng gần với tâm đặt tải trọng càng tốt để hạn chế gây mômen xoắn

- Bố trí chu vi của hệ lõi càng lớn càng tốt để tăng khả năng ổn định tổng thể

- Đ a các hệ khung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của khung và −ơng 1 hình thành nên hệ khối không gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu xoắn của công trình

1.4.4 Hệ khung – vách – lõi

Đây là một hệ kết hợp khá phổ biến và hiệu quả cao trong kết cấu NCT

khung - vách - lõi [22]

Khi bố trí hệ kết cấu khung – vách – lõi cần chú ý:

- Bố trí các hệ lõi đối xứng ở tâm nhà để tăng khả năng chịu uốn

Hình 1.14 Mặt bằng tầng điển hình của công trình sử dụng hệ kết cấu

- Bố trí các vách phẳng kết hợp với hệ khung phẳng ở biên để vừa chịu uốn vừa chịu cắt đồng thời tăng khả năng chống xoắn

Hệ hỗn hợp này đ ợc sử dụng ở những công trình có chiều cao lớn, mặt bằng −ơng 1 rộng Khi đó hệ lõi đ ợc bố trí ở giữa nhà để chịu tải trọng đứng và một phần −ơng 1 mômen uốn và lực cắt còn hệ hộp đóng vai trò chính để chịu uốn, cắt, xoắn do tải

trọng ngang gây ra Hình 1.15 mô tả công trình sử dụng hệ kết cấu hộp - lõi không

gian có liên kết theo ph ơng đ ờng chéo (bằng cách chèn cứng khoảng trống giữa −ơng 1 −ơng 1 cột và dầm của hệ hộp biên theo ph ơng đ ờng chéo) −ơng 1 −ơng 1

a) Mặt đứng

Hình 1.15 Công trình sử dụng hệ kết hợp hộp – lõi [22]

1.5 Các hệ kết cấu đặc biệt [7]

1.5.1 Kết cấu có hệ dầm truyền

Trong một số tr ờng hợp trong các tầng d ới của NCT các cột phải đ ợc bố trí −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1

th a để tạo không gian rộng, các tầng trên thì l ới cột đ ợc bố trí dày để giảm chiều −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 cao dầm hoặc sử dụng kết cấu t ờng chịu lực Nh vậy giữa tầng d ới (có l ới cột −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1 −ơng 1

th a) và tầng trên (có l ới cột dày) cần bố trí các dầm có độ cứng lớn để truyền tải −ơng 1 −ơng 1

b) Mặt bằng

từ các cột, t ờng của các tầng trên xuống các cột tầng d ới Các dầm này đ ợc gọi ương 1 ương 1 ương 1

ợc xây dựng tại Hồng Kông

(Nguồn: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)

Hình 1.16 Một công trình Bê tông cốt thép có dầm truyền đương 1

Hình 1.17 Sơ đồ kết cấu có dầm truyền trong NCT [7]

a) Cột 2 nhánh, nhà ở (Berlin, Đức); b) Cột 3 nhánh, nhà ở (Berlin, Đức); c) Dầm truyền

dạng KC dàn (San Fransico)

1.5.2 Kết cấu có tầng cứng và các ví dụ

Trong kết cấu hộp - lõi, mặc dù cả hộp và lõi đều đ ợc xem là kết cấu chịu tải −ơng 1 trong ngang, song các dầm sàn có độ cứng bé trong khi khoảng cách từ lõi đến hộp lớn nên thực chất phần lớn tải ngang do lõi gánh chịu Hiện t ợng này làm cho kết −ơng 1 cấu hộp ngoài làm việc không hiệu quả Để khắc phục hiện t ợng này, tại một số −ơng 1 tầng ta tạo ra các dầm ngang hoặc các dàn có độ cứng lớn nối lõi cứng với các hộp ngoài

D ới tác dụng của tải trọng ngang, lõi cứng bị uốn làm cho các dầm này bị −ơng 1 chuyển vị theo ph ơng thẳng đứng và tác dụng lên các cột của hộp ngoài các lực −ơng 1 theo ph ơng thẳng đứng, mặc dù các cột có độ cứng chống uốn nhỏ song độ cứng −ơng 1 dọc trục lớn nên đã cản trở sự chuyển vị của các dầm cứng và kết quả là chống lại sự chuyển vị ngang của cả công trình

Trong thực tế các dầm cứng này đ ợc bố trí tại các tầng kỹ thuật và có chiều −ơng 1 cao bằng cả tầng nhà nên ng ời ta gọi là tầng cứng (viết tắt theo Tiếng Anh là OTR −ơng 1

- Outrigger) Số tầng cứng trong NCT th ờng là 1, 2 hoặc 3 tầng −ơng 1

- Nếu bố trí 1 tầng cứng: đặt tại cao độ sát mái

- Nếu bố trí 2 tầng cứng: 1 tầng đặt tại cao độ sát mái, 1 tầng ở giữa chiều cao nhà

Hình 1.18 Sơ đồ kết cấu NCT có tầng cứng [1]

- Nếu bố trí 3 tầng cứng: 1 tầng đặt tại cao độ sát mái, 1 tầng cách mái 1/3 chiều cao nhà và tầng còn lại cách mái 2/3 chiều cao nhà

Tại vị trí tầng cứng, độ cứng của kết cấu bị thay đổi đột ngột D ới tác dụng −ơng 1 của tải trọng ngang, nội lực trong lõi cứng, trong dầm, trong cột thay đổi có quy luật phức tạp và nhiều khi thay đổi dạng b ớc nhảy làm cho công tác thiết kế, cấu tạo −ơng 1 gặp khó khăn Đặc biệt, momen uốn trong các cột tại vị trí liên kết với tầng cứng có giá trị lớn nên dễ gây phá hủy tại vị trí này khi xảy ra động đất

Dao động của hệ kết cấu có tầng cứng th ờng là phức tạp nên việc tính toán −ơng 1

động lực của hệ này phải đ ợc tiến hành theo sơ đồ không gian và không nên sử −ơng 1 dụng các mô hình đơn giản nh đối với các hệ kết cấu cơ bản −ơng 1

Trên Hình 1.19 a), b), c) là hình ảnh biểu đồ momen trong lõi cứng của các hệ kết cấu hộp – lõi lần l ợt khi không có tầng cứng, có 1 tầng cứng và có 2 tầng cứng −ơng 1 Khi có 1 tầng cứng thì momen tại chân lõi giảm đi nh ng ở phần trên thì lại bị đổi −ơng 1 dấu; Khi có 2 tầng cứng thì ngoài sự giảm ở chân lõi, momen ở phần trên bị đổi dấu còn có b ớc nhảy ở tầng cứng ở giữa −ơng 1

Hình 1.19 Biểu đồ momen trong lõi cứng khi có và không có tầng cứng [5]

Hình 1.20 Phối cảnh dự án “ Trung tâm tài chính Bitexco” tại TP Hồ Chí Minh

(Nguồn: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)

20 mô tả công trình “Trung tâm tài chính Bitexco” ở TP Hồ Chí Minh, 5m (68 tầng) Trên sân th ợng tòa nhà có sân đỗương 1

ợc thiết kế hình búp sen đang nở, biểu hiện của Văn hóa Việt

ông có tầng nào giống nhau

ết cấu của công trình: sử dụng hệ kết cấu hộp – lõi BTC

ng cứng đ ợc tạo thành từ hai tầng nhà, ương 1

h dàn liên kết lõi với các cột biên, ở hai mặt nhà tại cột

ch cứng để liên kết với các thanh dàn và tăng độ cứng cho tầng

a thanh dàn (rộng 1,0m) vào lõi cứng (dày 0,4m) đương 1

ợc tải trọng ngang vào lõi

Hình 1.21 Mặt bằng bố trí tầng cứng công trình “ Trung tâm tài chính Bitexco”

(Nguồn: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)

Hình 1.22 Mặt đứng tầng cứng công trình “ Trung tâm tài chính Bitexco”

(Nguồn: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)

Ch ¬ng 2 −¬ng 1

ngang cña kÕt cÊu Nhµ cao tÇng Bª T«ng Cèt ThÐp