CHUYÊN ĐỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

Trong các nhà cao tầng tải trọng ngang là yếu tố chủ yếu của thiết kế kết cấu, việc hạn chế chuyển vị ngang là cần thiết, đòi hỏi kết cấu phải có độ cứng lớn và bố trí hợp lý.. Khi chúng

KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

Chuyên đề

HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC CHO NHÀ CAO TẦNG

HUỲNH QUỐC HUY HUỲNH NGỌC DIỆP

BÙI DUY KHẢI

NGUYỄN HỮU QUỐC HƯNG TRƯƠNG NGỌC HUY

[Image Info] www.wizdata.co.kr - Note to customers : This image has been licensed to be used within this PowerPoint template only You may not extract the image for any other use

NGUYỄN MINH HIẾU

NHÓM 2

Saigon Pearl – Số 92 Nguyễn Hữu Cảnh, Q Bình Thạnh Quy

Mê Linh Point Tower – Số 2

Ngô Đức kế, Q.1 Quy mô 22

Cao ốc Fideco Tower – Số 81-85 Hàm Nghi, Q.1 Quy mô 20

I Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản của nhà nhiều tầng:

1 Kết cấu theo phương đứng

Các cấu kiện chịu lực chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao tầng bao gồm:

- Cấu kiện dạng thanh: Cột, Dầm, Thanh chống, Thanh giằng

- Cấu kiện dạng tấm: Tường( vách đặc hoặc có lỗ cữa), Sàn( sàn phẳng, sàn sườn, các loại panen đúc sẵn có lỗ hoặc nhiều lớp…)

- Cấu kiện không gian: Lõi cứng, lưới hộp gồm các cấu kiện thanh hoặc tấm phẳng ghép lại

Hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu của công trình, tiếp nhận các loại tải trọng rồi truyền xuống nền đất Nó được tạo thành từ một hoặc nhiều cấu kiện cơ bản trên

Trong các nhà cao tầng tải trọng ngang là yếu tố chủ yếu của thiết kế kết cấu, việc hạn chế chuyển vị ngang là cần thiết, đòi hỏi kết cấu phải có độ cứng lớn và bố trí hợp lý

* Yêu cầu đối với hệ chịu lực của nhà là:

- Mỗi cấu kiện phải đủ khả năng chịu lực, có biến dạng và dao động không quá lớn

- Hệ kết cấu phải đảm bảo sự ổn định tổng thể

• Từ các thành phần kết cấu chính nêu trên, tùy thuộc vào các giải pháp kiến trúc Khi chúng được liên kết với nhau theo những yêu cầu cấu tạo nhất định sẽ tạo thành nhiều hệ chịu lực khác nhau theo sơ đồ dưới đây:

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

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

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

● Kết cấu khung + Vách

● Kết cấu khung + lõi

● Kết cấu khung + Vách + lõi

v.v…

* Đặc điểm các hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng.

- Đặc điểm kết cấu chịu lực của nhà cao tẩng không chỉ phụ thuộc vào hình dáng, tính chất làm việc của các bộ phận kết cấu mà còn phụ thuộc vào cả công nghệ sản xuất và xây lắp cũng như phương án sử dụng vật liệu

- Nhà cao tầng kết cấu BTCT có thể xây dựng theo công nghệ bê tông đổ liền khối hay lắp ghép

- Nhà cao tầng kết cấu kim loại hoặc thép – bê tông

Căn cứ vào khả năng tiếp thu tải trọng, nhất là đối với tải trọng ngang có thể chia thành các hệ chịu lực như sau

a) Hệ thuần khung.

• Kết cấu thuần khung bao gồm hệ thống cột và dầm liên kết cứng tại các nút Nhiều khung phẳng tạo thành khung không gian vừa chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang

• Kết cấu thuần khung có khả năng tạo ra các không gian lớn, linh hoạt có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sử dụng công trình

• Kết cấu thuần khung có sơ đồ làm việc rõ ràng, nhưng độ cứng theo

phương ngang tương đối nhỏ, khả năng chịu cắt theo phương ngang kém, năng lực chống lại các tác động của tải ngang kém khi chiều cao công trình lớn

• Chiều cao tối đa của nhà khi sử dụng kết cấu thuần khung phụ thuộc vào tải trọng ngang ( gió: 15 tầng hay động đất: 10 tầng), còn phụ thuộc vào số nhịp, độ lớn các nhịp và tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng nhà

• Khi tính toán chọn mô hình tính toán khung sàn kết hợp với giả thiết bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó

• Các nội lực trong cột bao gồm: Lực dọc, lực cắt, momen uốn theo hai

phương, momen xoắn

Một số mặt bằng kết cấu khung điển hình như sau:

• Hệ kết cấu này là tổ hợp các vách phẳng, phải được bố trí theo hai phương.

• Trong mặt bằng nhà hạn chế bố trí các vách cứng tập trung ở trọng tâm nhà

do khả năng chống xoắn kém, tốt nhất nên bố trí các vách cứng dọc theo chu vi nhà vì nhà có khả năng chóng xoắn tốt hơn và chịu tải cả 2 phương

Bố trí vách cứng trong mặt bằnga) Nhà không có khả năng chống xoắnb) Nhà có khả năng chống xoắn tốt hơn

• Vách cứng liên tục không khoét lỗ gọi là vách đặc Trong nhà thường chỉ

có một số ít là vách đặc, còn lại là vách bị khoét lỗ dành cho cữa đi và cửa sổ

• Kết cấu vách cứng có những đặc điểm cơ bản sau:

• Kết cấu vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phương ngang lớn, kết hợp với bản sàn tạo thành kết cấu hộp nhiều ngăn có khả năng chịu tải lớn, đặc biệt là khả năng chịu tải ngang ( tải động đất )

• Loại kết cấu này có khoảng không gian nhỏ nên chỉ phù hợp với các công trình nhà ở

• Kết cấu này có trọng lượng bản thân lớn, độ cứng lớn làm tăng tải trọng động đất

• kết cấu vách cứng được xem như là một tấm phẳng chỉ chịu lực trong mặt phẳng bản thân, không chịu lực ngoài mặt phẳng đó Do đó cần phải bố trí vách cứng theo cả hai phương

• Cách bố trí vách cứng sao cho công trình có khả năng chịu xoắn cao khi chịu tải ngang

• Vách cứng được coi như một Conson ngàm với móng và chịu uốn trong mặt phẳng của nó

• Nội lực trong vách bao gồm: lực dọc, momen uốn và lực cắt trong mặt phẳng vách

.

c) Kết cấu lõi.

• Đối với một số công trình cần có không gian rộng với việc bố trí mặt bằng

đa dạng, để đáp ứng yêu cầu này cần tạo hệ chịu lực bằng các vách cứng theo các phương liên kết lại với nhau gọi là lõi cứng Lõi cứng vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang Một ngôi nhà có thể có một hoặc nhiều lõi cứng, nếu chỉ có một lõi cứng thường được bố trí ở trung tâm, nếu có nhiều lõi cứng thì các lõi được đặt xa nhau và nên bố trí đối xứng trên mặt bằng

không nên bố trí lõi cứng lệch một bên Các lõi cứng phải bố trí sao cho tâm độ cứng của chúng trùng với trọng tâm nhà để tránh công trình bị xoắn khi dao động

• Lõi cứng có tiết diện kín hoặc hở, thường gặp là tiết diện nửa hở do có

khoét lỗ cửa

Bố trí lõi cứng trên mặt bằng a,b) Lõi cứng bố trí đối xứng c) Lõi cứng bố trí lệch một bên (không nên)

.

d) Kết cấu ống.

• Hệ kết cấu này gồm các cột đặt dày đặc trên toàn bộ chu vi công trình

được liên kết với nhau bằng hệ dầm giao nhau

• Nếu các cột đặt xa nhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ khung

• Điểm hạn chế là do các cột đặt dày đặc nên gây cản trở đến mỹ quan công trình

e) Hệ kết cấu khung - vách.

• Hệ kết cấu này thường được sử dụng cho những nhà có mặt bằng chữ nhật kéo dài , chịu lực chủ yếu theo phương ngang nhà Trong các kiểu nhà lắp ghép tấm lớn nhiều tầng có thể xem các tấm tường liên kết với nhau tạo thành một hệ tường cứng ngang dọc liên tục Các mô hình tính toán phụ thuộc nhiều vào cấu tạo các mạch lắp ghép tương với tường và tường với sàn

• Kết cấu khung vách thường sử dụng phổ biến hơn cả vì hệ này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng Hệ kết cấu này tạo điều kiện ứng dụng linh hoạt các công nghệ xây dựng khác nhau như vừa có thể lắp ghép vừa đổ tại chỗ các kết cấu BTCT

• Vách cứng có thể bố trí một phương hay hai phương, hoặc liên kết với nhau thành một nhóm (kín hay hở).

• Đặc điểm của kết cấu này là khả năng chịu tải trọng ngang rất tốt, vách cứng chủ yếu để chịu tải ngang trên 85%, nên thường sử dụng trong các nhà cao tầng

• Kết cấu vách đạt hiệu quả trong nhà từ 20 đến 40 tầng

• Khả năng chịu tải của vách phụ thuộc phần lớn vào hình dạng tiết diện ngang của nó

• Nhà cao tầng nên tránh dùng kết cấu thuần khung, thường nên kết hợp vách và khung

Một số dạng vách cứng thường gặp

* Nguyên tắc bố trí vách cứng.

- Trong thực tế thiết kế, khi bố trí vách cứng hợp lý về sơ đồ chịu lực lại

thường mâu thuẫn với giải pháp bố cục kiến trúc trên mặt bằng Vì thế bố trí vách cứng cần dựa vào các nguyên tắc sau

+ Đối với nhà không cao quá 40m nếu phương án kiến trúc được coi là tối ưu thì bố trí các vách cứng phải tùy thuộc vào phương án kiến trúc

+ Đối với nhà cao hơn 40m thì việc bố trí vách cứng phải tuân theo những yêu cầu chặt chẽ sau:

● Cần phối hợp chặt chẽ với phương án kiến trúc, cần tăng chiều dày vách cứng hơn là bố trí quá nhiều vách cứng, việc tăng số lượng vách cứng chỉ hợp lý đối với nhà có mặt bằng kéo dài

● Điều kiện cần và đủ để đảm bảo tính bất biến hình của ngôi nhà là phải

có một hệ thống vách cứng, trong đó có ít nhất ba vách cứng không được cắt nhau trên một đường thẳng

● Mặt bằng nhà nên bố trí đối xứng qua 2 trục và 2 trục này cũng chính là các trục đối xứng của hệ vách

- Trong thực tế, điều kiện này thường rất khó thỏa mãn, nên cần bố trí hệ

vách cứng sao cho khoảng cách từ tâm cứng đến trọng tâm hình học của nhà là bé nhất

.

.

f) Hệ kết cấu khung – lõi (ống).

• Hệ khung lõi chịu lực thường được sử dụng có hiệu quả cho các nhà có độ cao trung bình và thật lớn, có mặt bằng đơn giản dạng như hình chữ nhật, hình vuông Lõi(ống) có thể đặt trong hoặc ngoài biên trên mặt bằng Hệ sàn các tầng được gối trược tiếp vào tường lõi – hộp hoặc qua các hệ cột trung gian Phần trong lõi thường được dùng để bố trí thang máy, cầu

thang và các hệ thống kỷ thuật nhà cao tầng

Hệ khung lõi - chịu lực

• Kết cấu dạng ống là dạng các vách cứng tạo thành ống, loại này gồm:

- Loại khung - ống: phía trong dạng ống, xung quanh bên ngoài là khung thông thường hoặc khung không dầm

- Loại ống lồng: gồm nhiều ống kết hợp với nhau được bố trí phía trong hoặc phía ngoài của công trình

Kết cấu ống

g) Hệ kết cấu lõi – hộp.

• Hộp là những lõi có kích thước lớn thường được bố trí cả bên trong và gần biên ngôi nhà Khác với hệ khung – lõi, hệ hộp chịu toàn bộ tải trong đứng và ngang do sàn truyền vào, không có hoặc rất ít cột trung gian đỡ sàn.

• Hộp trong nhà cũng giống như lõi được hợp thành từ các tường đặc hoặc các

lỗ cữa.

• Hộp ngoài biên có diện tích mặt phẳng lớn được tạo thành từ các cột có

khoảng cách nhỏ liên kết với nhau bỡi các thanh ngang có chiều cao lớn theo hai Phương ngang hoặc chéo tạo nên những mặt nhà dạng khung - lưới, có

hình dáng phù hợp với các giải pháp kiến trúc mặt đứng Tiết diện cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng tạo nên những dãy ống nhỏ nên còn gọi là kết cấu ống hộp trong hộp hay ống trong ống, thường được sử dụng trong các ngôi nhà rất cao.

Các giải pháp lõi - ống, ống trong ống

2 Kết cấu theo phương ngang.

• Kết hợp với kết cấu chịu lực thẳng đứng gồm: cột, vách (lỗi) Kết cấu chịu lực theo phương ngang gồm sàn, các dầm

• Sàn ngoài chức năng tiếp nhận tải trọng sử dụng và truyền tải sang các dầm rồi truyền cho các kết cấu thẳng đứng (cột, vách) Sàn còn được xem

là các vách cứng nằm ngang nối với các vách cứng thẳng đứng thành một

hệ không gian duy nhất Sàn có vai trò phân phối tải trọng cho các kết cấu thẳng đứng

• Khi tính nhà cao tầng dựa vào giả thuyết “ sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó” nghĩa là chuyển vị của tất cả kết cấu đứng tại mỗi tầng có chuyển vị bằng nhau nếu sàn không có chuyển vị do xoắn

• Các loại sàn thường gặp khi thiết kế nhà cao tầng

- Sàn sườn

- Sàn phẳng tường:

- Sàn dự ứng lực

- Sàn composite

.

- Sàn dùng công nghệ mới Bubbledeck

II Trả lời các câu hỏi trong quá trình thuyết trình:

Câu1.Khi nào thì ta dùng kết cấu khung và khi nào ta dùng kết cấu khung

vách? Vì sao?

Trả lời:

-Khi có gió: 15 tầng hay động đất: 10

tầng

-Bao gồm hệ thống cột và dầm liên

kết cứng tại các nút Nhiều khung

phẳng tạo thanh khung không gian

vừa chịu tải trọng đứng và tải trọng

ngang

- Có sơ đồ làm việc rõ ràng, nhưng độ

cứng theo phương ngang tương đối

nhỏ, khả năng chịu cắt theo phương

ngang kém, năng lực chống lại các

tác động của tải ngang kém khi chiều

- Đặc điểm của kết cấu này là khả năng chịu tải trọng ngang rất tốt, vách cứng chủ yếu để chịu tải ngang trên 85%, nên thường sử dụng trong các nhà cao tầng

=> Căn cứ vào các đặc điểm trên mà ta có thể biết được khi nào thì nên chọn

kết cấu khung và kết cấu khung vách cho công trình

- Trong nhà cao tầng thì luôn có các

bộ phận như: thang máy, thang bộ

hoặc bao che liên tục trên chiều cao

nhà có thể sử dụng như lõi, vách

cứng nên hệ kết cấu chịu lực khung

thuần túy trên thực tế thì ít sử dụng

-Vách cứng thường được bố trí theo chiều ngang nhà, nên một số công trình vách cứng còn dùng để làm vách ngăn do ánh sáng mặt trời chiếu vào

Câu 2 Nêu ưu và nhược điểm một số kết cấu nhà cao tầng đã nêu ở trên?

- Nhược điểm:

+bố trí mặt bằng không linh hoạt, khó tạo được không gian lớn

 Kết cấu lõi:

- Ưu điểm:

+ Công trình có không gian rộng, việc bố trí mặt bằng đa dạng

+ Có độ cứng cao, khả năng chống xoắn cao khi chịu tải ngang

+ Áp dụng cho những công trình có chiều cao cực lớn

- Nhược điểm:

+ Tốn vật liệu và thời gian xây dựng

+ Tính toán, thiết kế và thi công phức tạp

Câu 3 Vì sao cần phải bố trí vách cứng theo hai phương?

Trả lời:

Kết cấu vách cứng được xem như là một tấm phẳng chỉ chịu lực trong mặt phẳng bản thân, không chịu lực ngoài mặt phẳng đó Tải tác dụng vào công trình theo hai phương Do vậy phải bố trí vách cứng theo cả hai phương để kết cấu có thể chịu lực tốt, khả năng chống xoắn cao khi chịu tải ngang theo hai phương

Câu 4 Tại sao hiện nay trên thế giới sử dụng kết cấu thép cho nhà cao tầng hơn

là dùng kết cấu bê tông cốt thép

- Có thể bị xâm thực bởi tác động của

môi trường, nhiệt độ…

-Chịu lửa kém

*Ưu điểm

- Có khả năng chịu tải trọng lớn

- Khả năng chịu nhiệt tốt

*Khuyết điểm

- Trọng lượng lớn-> kết cấu (móng, khung) lớn

- Thi công lâu