CHUYÊN ĐỀ CÁC HỆ CHỊU LỰC CƠ BẢN NHÀ CAO TẦNG

Làm phong phú diện mạo của đô thị Căn cứ vào đặc điểm káhc nhau của đô thị vùng đất xây dựng, tiến hành thiết kếquy hoạch một cách tỷ mỷ khoa học, bố trí các ngôi nhà cao tầng với hình

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ:

CÁC HỆ CHỊU LỰC CƠ BẢN NHÀ CAO TẦNG

Nhóm Sinh viên thực hiện:

Chương mở đầu:MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NHÀ CAO TẦNG

Trong lịch sử ngành xây dựng trên thế giới, cuối thế kỷ thứ 19, nhà cao tầng xuấthiện và là sản phẩm của sự phát triển công nghiệp hoá và đô thị hoá thời cận đại Khi đó,công nghiệp và thương nghiệp ở đô thị các nước phát triển bùng phát nhanh chóng, dân

số trong đô thị tập trung với mức độ cao, đất đai xây dựng ngày một khan hiếm đã thôithúc khát vọng vươn lên bầu trời cao của con người Chiều cao của các ngôi nhà vì thế đãkhông ngừng gia tăng Mặt khác, công cụ giao thông theo hướng thẳng đứng cũng nhưcông nghiệp sản xuất sắt thép, xi măng phát triển đột biến đã tạo tiền đề vật chất cho quátrình đó

I Điểm qua sự ra đời và phát triển của nhà cao tầng

Theo tư liệu nước ngoài, người ta đã ghi nhận ngôi nhà đầu tiên sử dụng thangmáy làm phương tiện giao thông lên xuống là một khách sạn được xây dựng từ năm 1851trên địa lộ số 5 thành phố New York Mốc khởi điểm ra đời của nhà cao tầng được đánhdấu là vào năm 1883 - 1885, khi nhà cao tầng Home Insurance Building 11 tầng, cao 55

m được xây dựng ở Chicago sử dụng khung thép là chủ yếu, một bộ phận nhà dùng tườngngoài tự chịu lực bằng gạch đá và dầm thép Năm 1891 - 1895 ở Chicago, người ta đãkhánh thành Masonis Temple 20 trầng cao 92m Đây là một ngôi nhà cao tầng đầu tiêntoàn bộ dùng kết cấu khung thép tạo thành Năm 1903, ở Cincinnati đã xây dựng nhà caotầng Ingall 16 tầng Đây là một ngôi nhà cao tầng đầu tiên làm bằng hệ khung bê tông cốtthép

Do nghiên cứu đặt thêm các thanh chéo, độ cứng và cường độ của nhà được tăngcường nên chiều cao của ngôi nhà có thể nâng thêm rõ rệt Năm 1905 - 1909 tại NewYork hoàn thành ngôi nhà cao 50 tầng, chiều cao 213 tầng Đó là ngôi nhà MetropolitanLife Building Năm 1913 tại New York còn mọc lên ngôi nhà Woolworthy Building 57tầng cao 242m, trong nhà có 26 bộ thang máy, diện tích chứa được trên một vạn nhânviên làm việc Năm 1931, cũng ở New York, ngôi nhà Empire State Building được xâydựng với 102 tầng, cao 381m, có 6 bộ thang máy

Sau đó 40 năm, ngôi nhà này vẫn là ngôi nhà cao nhất thế giới Mãi đến năm

1972 - 1974 ở New York và Chicago lần lượt xây dựng World Trade Center (gồm cao ốcphía Nam và phía Bắc) với Sears Tower đều cao 110 tầng, chiều cao lần lượt bằng 417m,415m và 443m cho tới gần đây vẫn là 3 ngôi nhà cao tầng cao nhất thế giới (tiếc rằngWorld Trade Center đã bị trùm khủng bố Billaden tổ chức đánh bom phá sập và nay đangđược tái thiết)

Căn cứ vào tư liệu của Hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng lần thứ 4 họp ở HồngKông năm 1990, có 100 ngôi nhà cao nhất thế giới đã được thống kê: chiều cao từ 218 -243m với số tầng từ 32 - 110 tầng; trong đó gồm: 85 văn phòng làm việc, 12 nhà đa năng,

3 khách sạn, 78 ngôi nhà phân bố tại Hoa Kỳ, đặc biệt tập trung tại các đô thị lớn nhưNew York, Chicago, Seattle, Los Angeles và Dallas Số còn lại xuất hiện tại Canada,Nhật, Singapore, Austraylia, Venezuela, Anh, Pháp, Đức, Ba Lan, Nam Phí, Malayxia,Triều Tiên, Hông Kông

Ở Bắc Mỹ, ngoài Hoa Kỳ ra phải kể đến Canada Nổi bật là các nhà cao tầng vănphongdf làm việc và thương mại như Toronto Dominion Bank Tower 56 tầng, cao 224m,xây năm 1967; nhà Commerce Cuort West xây năm 1974, 57 tầng, cao 239m; nhà First

Canadian Bank xây năm 1975, 72 tầng, cao 285m; nhà Canada Trust Tower xây năm

1989, 55 tầng cao 229m

Tại Châu Mỹ La tinh, nhà siêu cao (trên 100m) tập trung ở Venezuela, Colombia,Brasil, Cuba, Mexico Nổi bật là ngôi nhà Parque Central Torres de Officinass 62 tầng,cao 260m, xây năm 1978 vadf ngôi nhà Office Towers 60 tầng, cao 237m, xây dựng năm

1985 ở Carakas; ngôi nhà Petronas Mexicanos 52 tầng, cao 214m, xây năm 1984 ởMexico

Sau Đại chiến thế giới lần thứ 2, hai nhà cao tầng phát triển mạnh ở châu Âu TạiParis, khu vực Defense năm 1965 mọc lên nhiều nhà làm việc cao từ 30 -50tầng và hàngchục ngôi nhà cao tầng Năm 1973, cũng tại đây, có ngôi nhà Maine Montparnass 64tầng, cao 229m Tại Pháp, theo con số thống kê, nhà 9 tầng trở lên chiếm tỷ trọng 21%

Ở London, có nhà cao tầng Canery Wharf Tower 50 tầng, cao 245m Ở Frankffurt(Đức) có nhà cao tầng Messeturm 70 tầng, cao 259m

Ở Liên xô từ những năm 30 bắt đầu xây dựng nhà ở cao tầng Thập kỷ 50 khánhthành trường đại học Lomonosov có nhà chính 36tầng, cao 239,5m trong đó có22.000căn phòng Năm 1961, ở Moscow xây dựng khách sạn Ucraina 34 tầng, cao 198m

và nhiều nhà cao tầng khác Năm 1955 tại Varsava khánh thành cung văn hoá khoa học (Ipalac Kultury I Nauki) 42 tầng, cao 241m

Ở Liên Xô và các nước Đông Âu trong một thời gian dài vài thập kỷ, đã sử dụngmột cách có kế hoạch phương pháp công nghiệp hoá xây dựng nhà ở tấm lớn trong đó cónhà ở cao tầng chiếm một tỷ lệ nhất định Nhà ở cao tầng ở Liên Xô chiếm tỷ trọng 7,9%(năm 1975) tăng lên đến 15% (năm 1985-1990).Vào những năm 80 nhà ở xây dựng mới

ở Moscow thường từ 9 đến 25 tầng, bình quân là 16 tàng Ở Đông Âu, nhà ở trên 9 tầngchiếm tỷ trọng từ 12-32% tại một số đô thị lớn tỷ trọng đó còn cao hơn như ở Budapestlên tới 80%

Tại châu Phi, ở Nam Phi, nhà cao tầng nhất là ngôui nhà Carlton Center 50 tầng,cao 220m, ở Ai Cập và các nước Bắc Phi, ven Địa Trung Hải, cũng xây dựng rất nhiềunhà khách sạn cao tầng Austraylia cũng đã xây dựng nhiều nhà cao tầng thương mại vàvăn phòng làm việc Ví dụ: ở Sydney có trung tâm MLC 70 tầng cao 240m Ở Melbourg

có ngôi nhà Riollo Center 70 tầng cao 243m là những điển hình có thể nêu lên

Nhật Bản do phải chịu tác động của động đất và gió bão rất ác liệt nên có một thờigian dài quy định nhà cao tầng không vượt quá 31m Sau khi đã tiến hành nghiên cứu sâusắc về các biện pháp khoa học phòng chống gió bão và động đất, đi đến loại trừ hạn chếnói trên và từ năm 1964 trở đi nhà cao tầng được phép phát triển Đến năm 1981 đã có 47ngôi nhà có chiều cao vượt quá 100m (siêu cao) trong đó phải kể đến ngôi nhà Shunshine

60, ở Tokyo 60 tầng, cao 226m, xay dựng năm 1978

Ở vùng Đông Nam Á, Singapore là nước nhỏ, mật độ dân số cao, kinh tế phát đạtnên nhà cao tầng xây dựng rất tập trung; nổi bật là ngôi nhà Overseas Union Bank 63tầng cao 280m; Singapore Treasurry 52 tầng cao 235m; Roffles City Hotel 70tầng cao226m Malaysia có ngôi nhà TAR (Tun Abdul Razak Building) 61 tầng cao 232m và thápđôi Petronas cao 251,9m - một thời nổi tiếng là cao nhất thế giới - cắt băng khánh thànhtháng 8/1999

Sau chiến tranh Tiều Tiên, cả hai miền Bắc và Nam (Hàn Quốc) trong cuộc táithiết quy mô lớn, nhà cao tầng cũng có điều kiện phát triển mạnh Tại Bình Nhưỡng trênđống đổ nát do chiến tranh để lại, từ những năm 70 thế kỷ trước mọc lên đại lộ Thiên Lý

Mã chủ yếu là nhà cao tầng từ 8 đến 18 tầng Đến những năm 80 đại lộ Quang Phục nhà

cao tầng từ 8 tầng đến 42 tầng Khách sạn Liễu Kinh 105 tầng cao 305m đã khánh thành.Tại Hán Thành năm 1985 xây dựng xong ngôi nhà Korea Ins Co 63 tầng cao 233m.

Tại Trung Quốc, tròng thời gian 30 năm lại đây, cải cách mở cửa, kinh tế phồnvinh, nhà cao tầng mọc lên như nấm ở các thành phố Bắc Kinh, Thượng Hải, QuảngChâu, Thâm Quyến, Thiên Tân, Thẩm Dương, Lan Châu, Thạch Gia Trang, Vũ Hán, Tây

An, Từ Châu, từ đó lan truyền sang hầu hết các đô thị lớn của địa lục, trong đó có rấtnhiều nhà siêu cao (>100m)

Ở Việt nam ta, trong 20 năm đổi mới, tại các đô thị lớn, đặc biệt là ở Hà Nội và

TP Hồ Chí Minh nhà cao tầng cũng có những bước phát triển mạnh Hằng trăm ngôi nhàcao tầng được sử dụng làm văn phòng làm việc, khách sạn, ngân hàng, trung tâm thươngmại và hàng chục khu nhà ở chung cư cao tầng cũng đua nhau mọc lên với đà đổi mới,với nhịp điệu tăng trưởng của nền kinh tế Đây là hiện tượng chưa từng có, chứng minhsức sống mãnh liệt của công cuộc hiện đại hoá, đô thị hoá trên cả hai miền đất nướcthống nhất

II Những ưu điểm của việc xây dựng nhà cao tầng

Nhà cao tầng ra đời và phát triển ngày càng mạnh mẽ trên thế giới cũng như trongnước ta bởi lẽ thực tiễn đã chứng minh được những ưu điểm của nó

1 Tiết kiệm đất xây dựng

Tiết kiệm đất xây dựng là động lực chủ yếu thúc đẩy việc phát triển nhà cao tầngtrong đô thị Kinh tế đô thị phát triển và sự tập trung dân số đã đặt ra yêu cầu đối với nhà

ở nói riêng và kiến trúc đô thị nói chung Đất xây dựng ngày càng khan hiếm; do đó biệnpháp giải quyết là ngoài việc mở rộng thích đáng quy mô thành phố ra, còn phải tập trungsuy nghĩ vào vấn đề làm sao trong một diện tích hữu hạn có thể tạo nên được càng nhiềunơi cư trú và hoạt động tốt của con người Kinh nghiệm của các nước trên thế giới đềuchỉ rõ, trong các khu nhà ở nếu ta xây một tỷ lệ nhất định nhà cao tầng thì so với phương

án xay toàn bộ chỉ là nhà nhiều tầng thôi, có thể tăng thêm được từ 20 đến 80% diện tích

sử dụng Còn trong những khu vực trung tâm phồ hoa của đô thị, nếu ta xây dựng nhà caotầng để làm thương nghiệp và dịch vụ thì so với phương án chỉ xây nhà nhiều tầng thôi,cũng có thể tăng diện tích sử dụng lên nhiều lần, và rõ ràng là có thể tiết kiệm một cách

có hiệu quả việc sử dụng đất

2 Thuận lợi cho sản xuất, làm việc và sử dụng

Nhà cao tầng làm cho môi trường sản xuất, làm việc và sinh hoạt của con ngườiđược không gian hoá cao hơn, các mối liên hệ theo phương nằm ngang và theo phươngthẳng đứng có thể kết hợp lại, rút ngắn khoảng cách của các điểm, tiết kiệm thời gian,nâng cao hiệu suất thuận lợi cho sử dụng Ví dụ: trong một khách sạn nếu các phòng ngủ,phòng ăn, phòng công cộng, phòng làm việc, gara xe cộ được bố trí riêng trong một sốtầng thì không những mất đi một diện tích chiếm đất rất lớn mà còn dẫn đến nhiều bấttiện lớn cho khách và cho người quản lý khách sạn

Nếu ta tập trung xây một khách sạn cao tầng thoả mãn đầy đủ các chức năng ấy,thì có thể giải quyết được mâu thuẫn trong sử dụng và quản lý khách sạn Đối với cácngành công nghiệp nhẹ và trung tâm kỹ thuật cao, nếu ta đem các gian xưởng, các khonguyên liệu và thành phẩm, các hệ thống sinh hoạt và quản lý đều bố trí ở trên mặt đất,thì thời gian trung chuyển phi sản xuất và phí tổn quản lý chiếm tỷ trọng lớn Còn khi tập

trung cả trong một ngôi nhà cao tầng thì có thể rút ngắn khoảng cách vận hành cuả cácloại thiết bị đường ống và quá trình sản xuất, để từ đó hạ thấp giá thành sản xuất.

3 Tạo điều kiện để phát triển loại nhà đa năng

Để giải quyết rất nhiều mâu thuẫn trong quá trình làm việc, cư trú và sinh hoạtcủa con người trong không gian phát triển của đô thị, đòi hỏi phải thoả mãn các nhu cầu

sử dụng khác nhau trong một ngôi nhà Ví dụ, đối với cư dân, ngoài nhu cầu về ở ra,người ta còn phải mua bán hàng ngày những đồ dùng sinh hoạt dưới dạng các vật phẩmkhác nhau Ngoài ra còn cần các dịch vụ công cộng khác nữa Vì vậy, ngoài việc xâydựng nhà ở ra còn cần phải xây dựng các công trình thương nghiệp và dịch vụ khác ởchung quanh đó Nếu ta đem kết hợp hai loại hình trên với nhau mà bố trí những khônggian lớn tại các tầng dưới của nhà ở để sử dụng làm thương nghiệp và dịch vụ, thì rõ ràng

là vừa tiết kiệm sử dụng đất vừa làm cho sinh hoạt của người dân thêm thuận tiện Trongcác khu vực trung tâm của đô thị, loại nhà đa năng như vậy rất cần thiết Ở các tầng bêntrên của nhà, người ta bố trío các nhà ở và phòng ngủ khách sạn; ở các tầng giữa, bố trívăn phòng làm việc, ở các tầng bên dưới đất, sử dụng để làm gara xe cộ, kho tàng Nhưvậy, càng có lợi hơn trong việc làm dịu căng thẳng và mật độ giao thông đô thị, giảm bớt

áp lực của nhu cầu ở và giải quyết mâu thuẫn của việc thiếyu đất đai xây dựng, có lợi chosản xuất và làm việc của người dân

4 Làm phong phú diện mạo của đô thị

Căn cứ vào đặc điểm káhc nhau của đô thị vùng đất xây dựng, tiến hành thiết kếquy hoạch một cách tỷ mỷ khoa học, bố trí các ngôi nhà cao tầng với hình khối, diện mạokhác nhau có thể hình thành đường siluoét hấp dẫn của thành phố Một số nhà cao tầngđột xuất vươn lên như điểm nhấn, tạo nên cảnh quan và dáu ấn đặc sắc của thành phố Vídụ: những ngôi nhà cao tầng xuất hiện tại Hà Nội và TP HCM trong hai thập kỷ lại đây

đã trở thành bộ phận cấu thành quan trọng của hai thành phố lớn của đất nước trong thờihiện đại

Nhà cao tầng cho phép ta dành được càng nhiều diện tích đất cho những khoảngkhông gian thoáng đãng để làm xanh hoá thành phố, cho những công trình vui chơi giảitrí, còn đóng góp vào việc làm đẹp cảnh quan môi trường đô thị Trên đỉnh một số ngôinhà cao tầng nhất ta còn có thể bố trí tầng “Panorama” chuyển động để làm nơi thamquan giải trí công cộng cho các du khách có nhu cầu thưởng ngoạn thành phố, thúc đẩy

du lịch phát triển

Chương 2: ĐĂC ĐIỂM NHÀ CAO TẦNG VÀ YÊU CẦU KHI THIẾT KÊ

Một điều ta cần lưu ý đặc biệt là nhà cao tầng không chỉ là phép cộng đơn giảnnhững ngôi nhà thấp tầng, nhiều tầng được ghép lại với nhau mà nó là một thể loại côngtrình đặc biệt, có đặc trưng riêng, trong thiết kế và xây dựng đặt ra những yêu cầu về cácmặt kiến trúc, kết cấu, phòng chữa cháy, thiết bị mà ta phải nghiên cứu giải quyết mộtcách thấu đáo và nghiêm túc

1 Về mặt kiến trúc

a Nhà cao tầng do chiều cao đạt đến mức trong ngôi nhà cần phải có thang máy là công

cụ giao thông thẳng đứng chủ yếu, đồng thời cùng với việc sử dụng thang máy, đòi hỏiphải tổ chức tương ứng hệ thống giao thông công cộng thuận tiện, an toàn, kinh tế Vìvậy, nhân tố ảnh hưởng nhiều đến việc bố cục mặt bằng và tổ hợp không gian của nhàcao tầng

b Do yêu cầu của những thiết bị chuyên dùng cho nhà cao tầng, đòi hỏi phải bố trí tầng

thiết bị ở tầng trệt và ở một số cao trình khác nhau, bố trí buồng máy của thang và bểchứa nước ở trên đỉnh của nhà Việc bố cục mặt bằng và mặt đứng của nhà phải thỏa mãnyêu cầu của quy phạm phòng cháy, chữa cháy

c Do yêu cầu phải chôn ngàm vào trong đất nền của nhà cao tầng, thông thường phải đưa

từ một tầng đến một số tầng xuống dưới đất để làm tầng hầm Chúng ta có thể sử dụnglàm tầng thiết bị gara xe cộ, phòng bảo vệ và các phòng phụ trợ khác

d Chủ thể của nhà cao tầng là các tầng tiêu chuẩn với các công năng sử dụng riêng như:

phòng ở, phòng khách, phòng làm việc, lớp học, phòng bệnh nhân có chiều cao, bướcgian, chiều sâu và mặt bằng bố cục thống nhất

e Nhà cao tầng có chiều cao lớn, vóc dáng đồ sộ là lý do khiến người kiến trúc sư phải

xử lý tốt khâu tạo hình kiến trúc và trang trí hoàn thiện mặt ngoài

f Đối với những nhà cao tầng có các công năng sử dụng khác nhau thì cần phải giải quyết

những vấn đề liên quan khác nhau Ví dụ: nhà ở cao tầng đòi hỏi chú ý giải quyết tốt vấn

đề thoát khói ở bếp, xử lý rác rưởi, bố cục hành lang, lô gia, ban công, quản lý an toàn vànhững vấn đề như hòm thư cho các căn hộ, điện thoại công cộng, sân chơi cho trẻ em Khách sạn cao tầng lại cần xử lý tốt các khâu: tiếp đón, phòng ngủ, phòng ăn uống, hoạtđộng công cộng và quản lý hậu cần cũng như những mối quan hệ công năng khác trongnội bộ

2 Về mặt kết cấu

a Cường độ:

Khi tính toán chịu lực của kết cấu nhà thấp tầng và nhiều tầng, chủ yếu ta xét đến tảitrọng thẳng đứng bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu và hoạt tải Còn khi tính toánchịu lực của kết cấu nhà cao tầng, ngoài việc xem xét đến tải trọng thẳng đứng ra, ta còn

cần đặc biệt chú ý đến các tải trọngnằm ngang gây nên bởi lực gió vàlực động đất (tại những vùng cóđộng đất) Tải trọng thẳng đứng chủyếu làm cho kết cấu chịu nén và tỷ lệthuận với chiều cao của ngôi nhà dotường hoặc cột gánh chịu Tải trọngnằm ngang tác động lên ngôi nhàlàm việc như kết cấu công son, chủyếu sinh ra mômen uốn và lực trượt,

mô men uốn tỷ lệ thuận với bìnhphương của chiều cao nhà (xem hình 1)

Ta có: áp lực thẳng đứng N= ωH Khi sơ đồ tải trọng nằm ngang là hình tam giácngược:

q : Tải trọng nằm ngang/mét dài;

H : Chiều cao ngôi nhà (m)

Mômen uốn sinh ra lực kéo và lực nén trong kết cấu

Khi ngôi nhà có chiều cao vượt quá một trị số nhất định, lực kéo do tải trọng nằmngang sinh ra vượt quá lực nén do tải trọng thẳng đứng sinh ra, thì một bên của ngôi nhàdưới tác động của lực gió hoặc lực động đất có thể nằm trong trạng thái chịu kéo và chịunén có tính chu kỳ

Với những ngôi nhà cao tầng không đối xứng và có hình dạng phức tạp, ta còncần phải xét đến trạng thái chịu xoắn của kết cấu

Phân tích như trên để thấy đối với nhà cao tầng ta phải xét đầy đủ các loại trạng thái chịulực của kết cấu để bảo đảm cho nó có đủ cường độ, đồng thời tránh được những lãng phíkhông cần thiết

b Độ cứng:

Đối với nhà cao tầng, không chỉ đòi hỏi phải bảo đảm cường độ của kết cấu mà cònđòi hỏi bảo đảm độ cứng và ổn định của nó Phải khống chế được chuyển vị nằm ngangcủa kết cấu Chuyển vị nằm ngang của các tầng sàn do tải trọng nằm ngang sinh ra tỷ lệthuận với luỹ thừa bậc 4 của chiuều cao tương ứng của sàn Khi sơ đồ tải trọng nằmngang là hình tam giác ngược, ta có:

E : Mô đun đàn hồi của vật liệu

J : Mômen quán tính của tiết diện;

Do đó, khi chiều cao của nhà cao tầng càng tăng lên thì sự gia tăng của chuyển vị nằmngang của nó nhanh hơn nhiều so với sự gia tăng cường độ Khi chuyển vị nằm ngangcủa nhà quá lớn, con người sống trong nhà sẽ cảm thấy khó chịu, ảnh hưởng không tốtđến sinh hoạt và làm việc; có thể làm biến dạng quỹ đạo của thang máy, khiến cho cáctường xây lấp khung hoặc các tường trang trí bị nứt rạn, rời rạc và cũng có thể làm chokết cấu chính của ngôi nhà xuất hiện vết nứt

Chuyển vị bnằm ngang gia tăng thêm bước nữa có thể tạon nên các nội lực bổ sung trongcác cấu kiện của nhà, gây ra sự phá hoại nghiêm trọng trong ngôi nhà thậm chí còn làmcho nó bị sụp đổ cục bộ hoặc toàn bộ

Chính vì lẽ đó, ta phải khống chế chuyển vị nằm ngang bao gồmchuyển vị giữa các tầng liền kề và chuyển vị tại điểm đỉnh của ngôinhà Tỷ số giữa chuyển vị tương đối của hai tầng liền kề của ngôinhà trên chiuề cao của tầng δ/h cũng như tỷ số giữa chuyển vị nằmngang của điểm đỉnh của ngôi nhà trân tổng chiều cao của nó Δ /Hphải khống chế trong khoảng từ 1/400 ~ 1/1200 tuỳ thuộc vào cácloại hình kết cấu khác nhau và các loại tải trọng nằm ngang khácnhau (xem hình 2)

Hình 2 : Chuyển vị nằm ngang của ngôi nhà.

c Độ dẻo:

Ngoài những đòi hỏi về cường độ và độ cứng đã nói ở trên, những ngôi nhà cao tầng nằmtrong vùng có yêu cầu kháng chấn (chống động đất) còn cần phải có độ dẻo nhất định saocho ngôi đó dưới tác động của động đất lớn, khi một bộ phận nhất định nào đó rơi vàotrạng thái của giai đoạn khuất phục (chảy dẻo) rồi, vẫn còn khả năng biến dạng dẻo vàthông qua biến dạng dẻo để hấp thu năng lượng động đất, khiến cho kết cấu ngôi nhà vẫnduy trì được khả năng chịu lực nhất định chứ không đổ sụp ( xem hình 3)

Hình 3: Độ dẻo của kết cấu.

Độ dẻo của kết cấu được biểu thị qua hệ số độ dẻo μ.Thông thường hệ số này dùng tỷ số giữa chuyển vị củađiểm tải trọng cực đại Δu và chuyển vị của điểm khuấtphục Δy thể hiện:

e Móng:

Tải trọng thẳng đứng và tải trọng nằm ngang mà kết cấu bên trên của nhà cao tầngphải gánh chịu là rất lớn và các loại tải trọng đó rốt cuộc phải truyền xuống nền đất thông

qua tầng hầm và múng nhà Do đú, việc lựa chọn hỡnh dỏng của múng và độ sõu chụnmúng của nhà cao tầng khỏc với nhà thấp tầng và nhà nhiều tầng Ta phải căn cứ vào tảitrọng bờn ngoài, loại hỡnh kết cấu, tỡnh hỡnh đất nền và điều kiện thi cụng cụ thể để xemxột một cỏch tổng hợp, cõn nhắc tỷ mỷ để chọn dựng loại múng bố, múng hộp hoặc cỏcloại múng cọc khỏc nhau trong từng trường hợp.

Để bảo đảm ổn định của nhà cao tầng và thoả món yờu cầu biến dạng của đất nền,múng của nhà cao tầng phải cú một độ sõu chụn trong đất nhất định Khi sử dụng nềnthiờn nhiờn đặt múng thỡ chiều sõu đú khụng được nhỏ hơn 1/12 chiều cao ngụn nhà Khi

sử dụng múng cọc thỡ chiều sõu chụn múng khụng được nhỏ hơn 1/15 chiều cao ngụi nhà;chiều dài của cọc khụng tớnh trong chiều sõu chụn múng

Nhà cao tầng trong vài chục năm lại đõy đó được đưa đại trà vào thực tiễn xõydựng ở nước ta Đó đến lỳc những người làm cụng tỏc xõy dựng cần quan tõm tổng kếtnhững kinh nghiệm thiết kế, thi cụng và những kết quả nghiờn cứu khoa học để biờn soạnnhững phỏp quy xõy dựng chuyờn dựng liờn quan đến cỏc đặc trưng của nhà cao tầng.làm chuẩn mực cho cỏc hoạt động thực tiễn thiết kế và thi cụng loại hỡnh kết cấu đú

Chương 3:CÁC HỆ CHỊU LỰC CƠ BẢN CỦA NHÀ CAO TẦNG

A/Khaựi nieọm nhaứ cao taàng vaứ phaõn loaùi :

* ĐN: nhà nhiều tầng là nhà mà chiều cao của nó ảnh hởng đến ý đồ và phơng pháp thiết

kế, hay nói cách khác: 1 công trình đợc xem là nhiều tầng tại một vùng hay tại một thời

điểm nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sửdụng khác với các nhà thông thờng

* Phân loại:

a) Theo chiều cao : 4 nhóm :

- Nhà cao tầng loại I: số tầng 9-16 t, cao 40 -45m

- Nhà cao tầng loại II: số tầng 17-25 t, cao <80 m

- Nhà cao tầng loại III: số tầng 26-40 t, cao ≤100m

- Nhà cao tầng loại IV: số tầng >40 t, cao >100m

b) Theo mục đích sử dụng:

a) Các cấu kiện chịu lực cơ bản:

- Cấu kiện dạng thanh, dầm

- CK phẳng: tờng đặc hoặc có lỗ cửa, hệ lới thanh dạng dàn phẳng, tấm (sàn) phẳng hoặc

có sờn

- CK không gian: lõi cứng và lới hộp, tạo thành bằng cách lieõn keỏt cấu kiện phẳng hoặcthanh lại với nhau

b) Các hệ chịu lực chính của nhà nhiều tầng:

Tuỳ theo cách tổ hợp các cấu kiện chịu lực có thể chia thành 2 nhóm:

* Nhóm các hệ chịu lực cơ bản: chỉ gồm một loại cấu kiện chịu lực độc lập: + Hệ khung + Hệ tờng

- Sµn c¸c tÇng trong nhµ khung cã vai trß quan träng trong viÖc truyÒn t¶i träng ngang.

- Sự lựa chọn hệ kết cấu này phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

+ Mặt bằng bố trí nội thất và chức năng mặt bằng;

+ Xử lí kiến trúc mặt chính toà nhà ;

+ Giá thành vật tư, vật liệu xây dựng;

+ Công nghệ thi công xây dựng;

+ Các yêu cầu giao thông theo chiều đứng, thang máy;

+ Các nhu cầu dịch vụ

+ Chiều cao và tỉ lệ cõn đối của toà nhà

Một kiến trỳc sư trong quỏ trỡnh thiết kế đũi hỏi trỡnh độ tư duy trỡu tượng về dỏng dấp, hỡnh khối bề ngoài cụng trỡnh, am hiểu kĩ thuật giữa cỏc bộ mụn

khỏc nhau làm sao cụng trỡnh đạt được hiệu quả mỹ quan, an toàn và kinh tế

1.2/ Hệ tờng chịu lực:

- Các cấu kiện thẳng đứng chịu lực của nhà là các tấm tờng phẳng Dựa váo cách bố trítấm tờng chịu tải trọng đứng nhà, chia theo sơ đồ sau:

Tờng dọc Tờng ngang Dọc+ngang

- Các vách cứng chịu cả tải trọng ngang và đứng Tải trọng ngang truyền vào tấm chịu lựcthông qua hệ sàn đợc xem là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng.các vách cứnglàm việc nh nhứng dầm công xôn có chiều cao tiết diện lớn

13/ Hệ lõi chịu lực :

- Lõi có dạng vỏ hộp rỗng, tiết diện cứng hoặc hở, nhận các loại tải trọng tác động lêncông trình và truyền chúng xuống nền đất Không gian trong lõi để bố trí thiết bị vệ sinhtheo phơng thẳng đứng hoặc các đờng ống kỹ thuật

- Khung cột dầm, khung cột trụ không dầm, khung chịu moment, độ cứng

ngang kết cấu nhỏ (H/B < 4) Kết cấu khung không gian lớn bố trí tại tầng

dưới đỡ vách cứng các tầng trên: Chân các tường-vách cứng của kết cấu vách không kéo dài suốt tới đáy sàn tầng trệt dùng làm cửa hàng hoặc một số tầng hầm phần cuối để garage ôtô Để đáp ứng yêu cầu chống động đất, tiềt diện dầm và cột tương đối lớn, bố trí cốt thép tương đối nhiều (m > 4%)

- Giàn cứng tạo thành bởi khung cột nối hai dầm song song tại đỉnh và chân cột tại một tầng nào đó tạo thành, có tác dụng truyền tải ngang từ khung ngoàicột biên vào lõi cứng bố trí dạng ống tại trung tâm mặt bằng kết cấu.Tầng bố trí giàn cứng gọi là tầng cứng, nói chung không nhiều hơn 3 tầng cứng:

thưòng ở tầng mái,vị trí tại 1/3H và 2/3H (H là chiều cao công trình)

- Hệ tổ hợp - kết cấu lõi dạng ống tại giữa mặt bằng kiểu hạt nhân và các váchcứng chịu cắt+ khung chịu moment bao quanh lõi dạng ống không gian lớn là lấy lợi thế của lõi bổ xung cho bất lợi của khung Hệ kết cấu Công trình này vừa có không gian sử dụng lớn ,vừa có tính năng chống lực ngang cao

21/ Hệ khung - vách.

Hệ này đợc sử dụng phổ biến do:

+ Phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng

+ Có khả năng tiếp thu tốt tải trọng gió và động đất

22/ Hệ tờng - vách:

-Thường sử dụng với mặt bằng HCN kéo dài, chủ yếu chịu lực theo phơng ngang nhà

23/ Hệ khung lõi:

- Sử dụng hiệu quả với nhà tơng đối cao và mặt bằng đơn giản

- Lõi có thể đặt trong hoặc ngoài biên trên mặt bằng

- Sàn các tầng đợc gối trực tiếp vào lõi, hộp hoặc các hệ cột trung gian Trong lõi thờng bốtrí thang máy, cầu thang và các hệ thống kỹ thuật

24/ Hệ lõi- hộp:

- Hệ hộp chịu toàn bộ tải trọng đứng và ngang do sàn truyền vào không có hoặc có rất ítcác cột trung gian đỡ sàn

- Các nút khung đều có cấu tạo khớp hoặc tất cả các cột đều có độ cứng chống uốn bé vôcùng.

( các hệ chịu lực cơ bản, các hỗn hợp tạo thành từ tờng, lõi và hộp chịu lực đều thuộc sơ

đồ giằng)

2/ Sơ đồ khung giằng:

- Khung cùng tham gia chịu tải trọng thẳng đứng và ngang với các kết cấu chịu lực cơ bảnkhác.

- Khung có liên kết cứng tại nút.( hệ khung chịu lực xếp vào sơ đồ khung- giằng)

D Nguyên tắc bố trí mặt bằng, mặt đứng và hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng

1/ Bố trí mặt bằng kết cấu:

- Nên chọn mặt bằng đơn giản

- Có trục đối xứng ít nhất là một phơng đối xứng trong cách bố trí các kết cấu chịu lựcnhằm tránh đợc những bất lợi do biến dạng xoắn

* Khi bố trí kết cấu chịu lực nhà cao tầng chịu tải trọng động đất còn cần chú ý, những

điều sau đây:

- Mặt bằng nên đối xứng theo cả 2 phơng trục nhà

- Mỗi quan hệ chiều dài (L); chiều rộng công trình(B) độ nhô ra của các bộ phận côngtrình (l), vị trí các góc lõm trên công trình cần thoả mãn các yêu cầu trong bảng 1.3

- Với các nhà có mặt bằng kiến trúc phức tạp, có những bộ phận chênh tầng thì phải phânchia thành những khối nhỏ kết hợp với việc bố trí các khe co giãn nhiệt, khe lún hoặc khekháng chắn Thông thờng các loại khe biến dạng đợc kết hợp làm 1

- Nên chọn khung đối xứng và có độ siêu tĩnh cao

- Các nhịp khung nên chọn bằng nhau hoặc chênh 10- 20 % chiều dài

- Chọn khung sao cho tải trọng tiết diện theo phơng ngang và thẳng đứng đợc truyền trựctiếp và ngắn nhất xuống móng

- Khung BTCT trong nhà cao tầng nếu có chèn gạch thì phải chèn các tầng dới trớc Nếuphải chèn từ trên xuống thì phải chọn tiết diện dầm, cột tầng dới có độ cứng > tầng trênnó

- Tránh thiết kế công xôn, nếu có phải hạn chế độ vơn đến mức tối thiểu và phải kiểm travới các dạng giao động

- Thiết kế cần chọn độ cứng tơng đối của dầm < cột, để tránh trờng hợp cột bị phá hoại

tr-ớc dầm

b/ Bố trí vách đứng :

- Trong các mặt bằng nhà HCN nên bố trí từ 3 vách trở lên theo cả 2 phơng vách theo

ph-ơng ngang nên bố trí đều đặn, đối xứng tại các ( vị trí gần đầu hồi cầu thang, gian thangmáy) tại các vị trí có biến thiên hình dạng trên mặt bằng và những vị trí có tải trọng lớn

- Nên thiết kế các vách giống nhau và bố trí cho tâm cứng của hệ kết cấu trùng với trọngtâm hình học mặt bằng ngôi nhà

- Các vách nên có chiều cao chạy suốt từ móng đến mái và có độ cứng không đổi trêntoàn bộ chiều cao hoặc nếu phải giảm thì giảm dần từ dới lên trên

- Không nên chọn vách có khả năng chịu tải lớn mà số lợng ít Nên chọn vách có khảnăng chịu tải tơng đơng và phân bố đều trên mặt bằng công trình

- Không nên chọn khoảng cách giữa các vách và từ vách đến biên quá lớn

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

- Vách cứng theo phơng dọc nhà cần bố trí ở khoảng giữa đơn nguyên

- Vách cứng theo phơng dọc nhà có thể bố trí thành nhóm hình chữ L, T, I; kết hợp theogóc vuông

- Vách cứng theo phơng dọc nhà dài có thể đợc chia thành nhiều đoạn độc lập liên kết vớinhau bằng hệ dầm lanh tô trên ô cửa có chiều cao lớn

- Các lỗ cửa trên vách cần bố trí đều đặn và thẳng hàng từ trên xuống dới

3/ Bố trí lõi ống:

Nhà cao > 100m thờng sd hệ chịu lực lõi, ống, ống trong ống Khung và cột chỉ để giảmkhẩu độ sàn, không tham gia chịu tải trọng ngang

- Việc thiết kế ống trong ống phải thoả mãn các điều kiện sau:

+ Tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng ống > 3

+ Khoảng cách giữa cột ống ngoài không nên > chiều cao tầng và không nên < 3m Mặtcắt cột ngoài cần dùng dạng CN hoặc chữ T Diện tích của cột góc có thể dùng vách gócchữ L hoặc ống góc

+ Khoảng cách ống trong và ống ngoài khi không tính đến động đất không nên lớn hơn12m Tính đến động đất không nên > 10 m khi cần vựot qua giới hạn này cần dùng hệdầm sàn có độ cứng lớn và BTCT ƯLT hoặc sàn BT- thép kết hợp

E Các giả thiết cơ bản khi tính toán nhà nhiều tầng

- Giả thiết ngôi nhà làm việc nh một thanh công xôn có chân ngàm với độ cứng tơng đơng

độ cứng của các hệ kết câú hợp thành

- Giả thiết mỗi hệ kết cấu chỉ có thể tiếp thu một một phần tải trọng ngang tỷ lệ với độcứng uốn ( xoắn) của chúng, nhng chỉ đợc liên kết chặt chẽ với các hệ khác qua các thanhgiằng có liên kết khớp 2 đầu Độ cứng của các thanh giằng có giá trị lớn nên có thể xem

nh không bi biến dạng co hoặc dãn dài

- Giả thiết về hệ kết cấu có cùng một dạng đờng cong uốn gt này chỉ thích hợp cho cácnhà chỉ có một khung hoặc vách hoặc lõi Với nhà hệ khung-vách- lõi đờng cong uốn củamỗi hệ khác nhau trong cùng 1 sơ đồ tính toán

G Sơ đồ tính toán của nhà nhiều tầng:

1/ Sơ đồ phẳng tính toán theo 2 chiều:

Dùng phổ biến cho hệ kết cấu khung- vách phẳng

-Thờng sử dung cho tính toán nhà có mặt bằng phức tạp.

-Theo các giả thiết về liên kết và các quan niệm về khả năng tiếp thu các tải trọng ngangcủa từng hệ còn có thể phân chia thành các sơ đồ khung – giằng và sơ đồ giằng

3/Tiờu chuẩn thiết kế kết cấu