Bài giảng là sự tóm tắt các nội dung cần thiết trong việc lên thiết kế,tính toán đối với nhà cao tầng BTCT,thích hợp đối với sinh viên ngành xây dựng trong học tập cũng như tham khảo,nghiên cứu khi thiết kế công trình thực tế
khoa x©y dùng bµi gi¶ng chuyªn ®Ò: kÕt cÊu nhµ CAO tÇng B£ T¤NG CèT THÐP 08/ 2014 1 Ch ơng 1 KHáI NIệM CHUNG Về NHà CAO TầNG 1.1. Giới thiệu chung Hiện nay nhà nhiều tầng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng tăng nhanh về cả số l ợng và số tầng cao do sự phát triển của kinh tế, sự gia tăng dân số đô thị và giá đất đô thị, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp xây dựng. Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành Xây dựng cơ bản đóng một vai trò hết sức quan trọng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mọi lĩnh vực khoa học và công nghệ, ngành Xây dựng cơ bản đã có những b ớc tiến đáng kể, nhất là trong nửa sau của thế kỷ XX. Sự xuất hiện ngày càng nhiều của các công trình cao tầng xây dựng quy mô và hiện đại tại nhiều quốc gia trên thế giới. Đất n ớc ta trong những năm gần đây, hàng loạt các chung c cao tầng, các cao ốc văn phòng, khách sạn tại các thành phố lớn đ ợc xây dựng đáp ứng nhu cầu về nhà ở, làm việc và giải trí của ng ời dân, nâng cao về hiệu quả cảnh quan, kiến trúc đô thị. Từ những năm 1990 , chính sách đổi mới cùng sự phát triển kinh tế đã làm nhà nhiều tầng ở Việt Nam, đặc biệt ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh phát triển với tốc độ nhanh ch a từng thấy. Tại Hà Nội, các công trình đáng chú ý là Fortuna (17 tầng) trên đ ờng Láng Hạ, Hà Nội Tower (25 tầng), khách sạn Melia Hà Nội (22 tầng) trên đ ờng Lý Th ờng Kiệt, Vietcombank Tower (22 tầng), Habico Tower (36 tầng) trên đ ờng Phạm Văn Đồng Chức năng chủ yếu của các công trình cao tầng này là nhà làm việc, văn phòng cho thuê, khách sạn và nhà chung c . 2 ở Thành phố Hồ Chí Minh, việc phát triển nhà nhiều tầng đã diễn ra mạnh mẽ hơn do có nhiều lợi thế trong việc thu hút vốn đầu t . Những công trình đáng chú ý là Saigon Center (27 tầng) tại góc đ ờng Lê Lợi - Pasteur; Diamond Plaza (22 tầng) tại góc đ ờng Lê Duẩn - Phạm Ngọc Thạch; Saigon Tower (17 tầng) trên đ ờng Lê Duẩn; Saigon Sky Garden (16 tầng), Renassance Riverside Hotel (21 tầng), Saigon Trade Center (33 tầng) trên đ ờng Tôn Đức Thắng; Sunwah Tower (22 tầng) trên đ ờng Nguyễn Huệ; tòa nhà Manor (30 tầng) trên đ ờng Nguyễn Hữu Cảnh Ngoài hai trung tâm lớn là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, tại một số thành phố khác thời gian gần đây cũng xuất hiện khá nhiều công trình nhiều tầng với mật độ và quy mô ngày càng cao nh : tại Đà Nẵng: khách sạn Đảo Xanh (25 tầng), Indochina Riverside Towers (24 tầng), HAGL Plaza Hotel (23 tầng) Vĩnh Trung Plaza (18 tầng), Đà Nẵng Plaza (18 tầng); tại Hải Phòng: Khách sạn Hữu Nghị, Harbour View Tower; tại Nha Trang: khách sạn Lodge (13 tầng), Khách sạn Hoàn Cầu (22 tầng), Nha Trang Plaza (40 tầng); Phú An Plaza (18 tầng) ở Cần Thơ Một số công trình cao ốc tiêu biểu khác sẽ hoàn thành tại Việt Nam nh : Ben Thanh Twin Tower (50 tầng), Khu Saigon Pearl (40 tầng), Times Square (45 tầng) tại Thành phố Hồ Chí Minh; tòa nhà Hà Nội City Complex (cao 65 tầng), Keangnam Hanoi Landmark Tower (70 tầng) tại Hà Nội; Trung tâm hành chính Thành Phố Đà Nẵng (34 tầng), Novotel Han Riverside (33 tầng) tại Đà Nẵng Uỷ ban quốc tế về nhà nhiều tầng đã đ a ra định nghĩa: nhà nhiều tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh h ởng tới ý đồ và cách thức thiết kế hoặc nói cách khác tổng quát hơn: một công trình xây dựng đ ợc xem là nhiều tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các nhà thông th ờng. Theo TCXD 198-1997: nhà cao tầng khi có chiều cao tầng > 40 m . 3 Nhà thấp tầng thiết kế kiến trúc có vai trò quan trọng hơn thiết kế kết cấu, còn nhà cao tầng cùng với thiết kế kiến trúc, thiết kế kết cấu có vai trò quan trọng vì nó quyết định đến khả năng chịu lực, bền vững, ổn định của công trình. Hình 1.1. Một số nhà cao tầng ở Việt Nam. 4 Tiêu chuẩn nhà cao tầng có các yêu cầu kỹ thuật cao hơn nhà thấp tầng: - Tiêu chuẩn phòng cháy: + Có tiêu chuẩn báo cháy tự động, khi có cháy thang máy ng ng hoạt động. + Hệ thống báo cháy cho những ng ời ở các tầng d ới và một hoặc hai tầng cao hơn, đối với tầng xảy ra sự cố, có xe thang thoát hiểm. + Mỗi phòng đều có hệ thống báo và chữa cháy riêng. - Tiêu chuẩn đậu xe: cứ bốn phòng có một xe con. - Tiêu chuẩn vệ sinh: n ớc sinh hoạt phải đ ợc xử lý tr ớc khi thải ra hệ thống thoát n ớc thành phố . Một số tính chất và u điểm sau có thể là lý do tại sao mà các công trình nhiều tầng ngày càng đ ợc lựa chọn nhiều hơn so với các công trình thấp tầng: - Trong một số tr ờng hợp cụ thể, nhà nhiều tầng là giải pháp duy nhất đối với sự phát triển đô thị khi việc mở rộng theo ph ơng ngang gặp khó khăn vì lý do cảnh quan môi tr ờng hoặc do sự hạn chế của đất đô thị. - Các công trình nhiều tầng có thể là giải pháp chi phí duy nhất. Khi mà chi phí đất đô thị cao, nhà chung c cao tầng sẽ đem lại chi phí về giá đất trên một đơn vị xây dựng thấp hơn so với công trình thấp tầng ở cùng khu đất đó. Nhà nhiều tầng đ ơng nhiên sẽ làm tăng giá đất đô thị ở các khu vực chung quanh trong một nền kinh tế thị tr ờng tự do. - Về mặt văn hoá, nhà chung c cao tầng có vẻ đ ợc a thích hơn trong những điều kiện xã hội hoạt động chủ yếu với các cá nhân độc lập hoặc các gia đình hạt nhân là các đơn vị xã hội thay vì các gia đình lớn nhiều thế hệ. 5 - Các công trình cao tầng th ờng có tính biểu t ợng và sức mạnh xã hội. - Các công trình cao tầng tạo điều kiện tập trung các dịch vụ đô thị và giao thông đô thị và do đó dẫn đến việc giảm các năng l ợng tiêu hao. - Các công trình cao tầng th ờng là điểm nhấn trong toàn cảnh đô thị. Nh ng các u điểm trên của nhà nhiều tầng không phải luôn luôn đúng với tất cả các địa điểm và thời điểm mà nó đ ợc xây dựng. Và những tính chất trên cũng có thể đối lập nhau. Các u điểm khác nhau sẽ mạnh yếu tuỳ theo tình trạng về địa điểm, xã hội và văn hoá. 1.2. Phân loại Đ ợc phân loại theo nhiều cách 1. Phân loại nhà cao tầng theo chiều cao: - Loại I : từ 9 đến 16 tầng (chiều cao nhà < 50m) - Loại II : từ 17 đến 22 tầng (chiều cao nhà H= 50-70m) - Loại II : từ 26 đến 40 tầng (chiều cao nhà H=75-100m) - Loại IV : siêu cao tầng >40 tầng (chiều cao nhà H>100m) 2. Theo yêu cầu sử dụng - Nhà ở - Nhà làm việc và các dịch vụ khác - Khách sạn 3. Theo hình dáng - Nhà dạng tháp - Nhà dạng thanh 4. Theo vật liệu cơ bản 6 - Nhà bằng bê tông cốt thép - Nhà bằng thép - Nhà hỗn hợp thép bê tông cốt thép 5. Theo dạng kết cấu chịu lực - Kết cấu thuần khung - Kết cấu tấm (vách) - Kết cấu hệ lõi - Kết cấu hệ ống - Kết cấu hỗn hợp Hình 1.2. Phân loại các nhà cao tầng trên thế giới cao > 200m (t ơng đ ơng 50 tầng) tính đến năm 2010. 7 1. Burj Khalifa (Dubai) 2. Taipei 101 (Taipei) 3. SWFC (Shanghai) 4. ICC (HK) 5. Petronas Tower (Kuala Lumpur) UAE Taiwan China HK Malaysia China U.S. China U.S. China 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H×nh 1.3. Top 10 nhµ cao tÇng nhÊt thÕ giíi (tÝnh ®Õn n¨m 2012). 6. Nanjing Greenland Financial Center (Nanjing) 7. Willis Tower (Chicago) 8. Guangzhou IFC (Guangzhou) 9. Trump International Hotel & Tower (Chicago) 10. Jin Mao Building (Shanghai) 8 1.3. Các yêu cầu khi thiết kế nhà cao tầng Về mặt thiết kế kết cấu đối với nhà nhiều tầng xuất hiện những vấn đề phức tạp về nền móng, kết cấu chịu lực ngang, ổn định, chuyển vị và dao động của công trình. Bên cạnh yêu cầu đảm bảo khả năng chịu lực (đảm bảo an toàn khi chịu sự tác động của các loại tải trọng) còn phải đảm bảo các yêu cầu về điều kiện sử dụng (chuyển vị, gia tốc đỉnh trong giới hạn cho phép) để con ng ời không những đ ợc an toàn mà còn cảm thấy thỏa mái khi sử dụng công trình. Vì vậy khi thiết kế nhà nhiều tầng cần l u ý các điểm sau: - Yếu tố hình khối nhà: đơn giản, đều đặn, đối xứng, liên tục. - Có khả năng chịu lửa cao, thoát hiểm an toàn. Có độ bền, tuổi thọ cao. - Nhà nhiều tầng có trọng l ợng bản thân toàn nhà lớn dần theo số tầng, gây khó khăn cho việc xử lý móng. - Khả năng chất đầy hoạt tải trên các tầng sẽ giảm khi số tầng tăng lên. - Nếu chiều cao nhà lớn hơn 40m thì phải xét đến thành phần động của tải trọng gió, do đó tổng tải trọng gió sẽ tăng lên. - Do tính chất quan trọng của công trình và tình hình địa chấn tại từng khu vực nên cần xét đến tải trọng động đất. Nh vậy, tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng là yếu tố ảnh h ởng quyết định đến hệ kết cấu của nhà và phải đ ợc l u ý từ khi bắt đầu hình thành các ph ơng án thiết kế. 1.3.1. Giảm nhẹ trọng l ợng bản thân nhà nhiều tầng có ý nghĩa quan trọng: Theo sức chịu tải của nền đất, nếu giảm đ ợc trọng l ợng bản thân thì có thể tăng thêm số tầng nhà. Khi động đất xảy ra, nếu trọng l ợng bản thân giảm thì hiệu ứng động đất tác dụng vào công trình giảm, nội lực phát sinh 9 trong các cấu kiện giảm, giảm lực cắt của cấu kiện kết cấu. Vì vậy sẽ tiết kiệm vật liệu, giảm giá thành, tăng không gian sử dụng. 1.3.2. Taới troỹng ngang laỡ yóỳu tọỳ chuớ yóỳu: Công trình chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang. Đối với nhà thấp tầng, nội lực do tải trọng ngang sinh ra nhỏ, chuyển vị ngang rất nhỏ, thành phần chủ yếu ảnh h ởng đến ph ơng án kết cấu công trình là tải trọng đứng. Đối với nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà tăng lên, nội lực và chuyển vị do tải trọng ngang sinh ra tăng lên rất nhanh. Giả sử công trình nh một thanh consol ngàm đứng đơn giản, lực dọc tỷ lệ thuận với chiều cao, momen do tải trọng ngang sinh ra tỷ lệ thuận với bình ph ơng chiều cao, chuyển vị ngang sinh tỷ lệ thuận với luỹ thừa 4 chiều cao. Vì vậy tải trọng ngang tác dụng vào nhà nhiều tầng trở thành yếu tố quyết định đến hệ kết cấu. Nếu tải phân bố đều : M=q 2 H /2, D=q. 4 H /8EI 1.3.3. Công trình phải đảm bảo các điều kiện ổn định: - ổn định chống lật: d ới tác dụng của các tải trọng ngang và các tải trọng khác, công trình có thể bị lật qua việc quay quanh mép móng. Từ các loại tải trọng gây lật ta có thể tính đ ợc M 1 (mômen gây lật). Từ trọng l ợng bản thân của công trình ta có thể tính đ ợc M 2 (mômen chống lật hay mômen giữ). Để bảo đảm an toàn còn phải thoả mãn điều kiện: k M M = 2 1 15, - ổn định tổng thể: đối với nhà nhiều tầng, ngoài việc tính toán ổn định cục bộ của các cấu kiện chịu nén, cần phải kiểm tra ổn định tổng thể của toàn nhà. Với mô hình thanh công sôn ngàm thẳng đứng đơn giản thì mất ổn định của nhà có thể là mất ổn định uốn ra ngoài mặt phẳng của hai trục quán tính chính hoặc mất ổn định xoắn (nhà bị xoay quanh trục thẳng đứng). Mục đích [...]... giải pháp kinh tế Mức dẻo cao (II-IV): nhằm làm cho kết cấu có khả năng phân tán năng lượng cao khi chịu nhiều chu kỳ biến dạng có biên độ lớn Do giá thành cao và những khó khăn khi thi công nên chỉ dùng trong các vùng có hoạt động địa chấn cao Mức độ dẻo của kết cấu phụ thuộc vào vật liệu bê tông: Khi thiết kế công trình chịu động đất cấp 9 thì không dùng bê tông có độ bền cao hơn B55, động đất cấp... có độ dẻo cao, hàn được Biến dạng cực hạn của thép khi kéo đứt không dưới 0,05, tỷ số của giới hạn về bền và giới hạn đàn hồi không dưới 1,25 Cốt dọc dùng nhóm CII, CIII hoặc cao hơn Cốt đai dùng nhóm CI có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10mm Cốt đai dùng nhóm CI có đường kính có đường kính lớn hơn 10mm Bê tông: Khi thiết kế công trình cao tầng thì dùng bê tông có cấp độ bền B20 hoặc B25 hoặc cao hơn Khi... nhiều tầng thường có một vài tầng tầng hầm, có tác dụng: - Tăng diện tích sử dụng: làm chỗ đậu xe - Giảm chiều cao nhà - Giảm chuyển vị ngang của nhà - Giảm dao động - Tăng ổn định về lật Hiệu quả của việc thiết kế tầng hầm là rất cao, tuy nhiên việc thiết kế và thi công tầng hầm phải có ông nghệ cao, phải có biện pháp thi công thích hợp 14 để trách hậu quả có thể xảy ra khi thi công tầng hầm nên phải... bắt đầu có biến dạng dẻo Kết cấu BTCT được cấu tạo theo ba mức dẻo: Mức độ dẻo thấp (I): Việc cấu tạo theo cấp này chủ yếu nhằm tránh cho kết cấu khjoong bị phá hoại dong quá sớm và thực tế chỉ phù hợp với các công 30 trình đơn giản, đều đặn, tương đối cứng và có chiều cao vừa phải được xây dựng trong vùng có hoạt động địa chấn thấp Mức dẻo trung bình và tương đối cao (II): nhằm làm cho kết cấu có... cứng và mức độ đồng nhất của nó cũng như hướng tác dụng động lực Dọc theo chiều cao lõi có nhiều lỗ cửa, kích thước các lỗ cửa quyết định tính chất biến dạng tổng thể của lõi Hình 2.3 Hệ lõi chịu lực d Hệ hộp chịu lực (IV): Hệ kết cấu này được dùng cho các công trình có chiều cao lớn và cực lớn (trên 40 tầng) Hiện nay các nhà cao tầng nhất trên thế giới dùng giải pháp kết cấu này Hệ hộp chịu lực, các bản... với vách có độ mảnh lớn thì độ dẻo lớn, giảm chấn tốt Đối với vách dày khả năng chịu lực rất cao và chịu tải động đất tốt Tải trọng ngang tác dụng lên công trình được truyền qua các vách cứng chịu lực thông qua hệ bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng Các vách cứng làm việc như dầm consol có chiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu tải của vách cứng phụ thuộc phần lớn vào hình dạng tiết diện... Thích hợp cho các công trình cần phải phân chia các khoảng không gian bên trong nhà và cao đến 20 tầng Nhược điểm: - Bố trí mặt bằng kém linh hoạt tuy nhiên có thể dùng hệ kết cấu hỗn hợp để loại bỏ hạn chế này - Tải trọng ngang phân phối vào vách nên khi một vách nào đó bị hỏng thì xác xuất công trình bị sập đổ sẽ cao hơn, móng các vách phải làm việc nặng hơn c Hệ kết cấu lõi (III): Đặc điểm: hệ kết... tâm đến các dạng khác ở dạng dao động 1, chu kỳ dao động T1 tính theo: 2p H 2 T1i = 3,52 q gEJ i i = x, y q/g- khối lượng của nhà tính trên 1 đơn vị chiều cao Công thức T1 ở trên rút ra từ việc tính toán công xôn có tải trọng phân bố đều theo chiều cao Biên độ dao động của ngôi nhà ở dạng dao động thứ i có thể biểu diễn như sau (dao động điều hòa) yi (t ) = yiđ sin wt 2p Ti w= Gia tốc dao động: yiÂÂ(t... liền nhau nên nối liền nhau thành hình chữ L, T để tăng độ cứng và khả năng chống xoắn Lỗ trên vách cứng nên bố trí ở phần giữa tiết diện, vách cứng nên chạy suốt toàn chiều cao công trình, chiều dày của vách giảm dần dọc chiều cao, tránh thay đổi chiều dày đột ngột làm độ cứng cũng thay đổi đột ngột Nếu tầng trên và dưới đều mở lỗ, vị trí trên dưới nên chỉnh đều, tránh bị lệch Dầm cột trong kết cấu... vách cứng liên tục xuống móng còn một số dùng khung đỡ vách cứng trên cao (kết cấu khung đỡ vách cứng) Tuy nhiên cần có giải pháp kết cấu hợp lý để đảm bảo an toàn cho hệ kết cấu này Hình 2.5 Sơ đồ giằng và khung giằng Kết cấu khung vách thường được sử dụng khá phổ biến vì hệ kết cấu này phù hợp với hầu hết các giải pháp kết cấu nhà cao tầng 24 Về phương diện chịu lực kết cấu vách nếu bố trí hợp lý khả . Thạch; Saigon Tower (17 tầng) trên đ ờng Lê Duẩn; Saigon Sky Garden (16 tầng), Renassance Riverside Hotel (21 tầng), Saigon Trade Center (33 tầng) trên đ ờng Tôn Đức Thắng; Sunwah Tower (22. mật độ và quy mô ngày càng cao nh : tại Đà Nẵng: khách sạn Đảo Xanh (25 tầng), Indochina Riverside Towers (24 tầng), HAGL Plaza Hotel (23 tầng) Vĩnh Trung Plaza (18 tầng), Đà Nẵng Plaza (18 tầng);. Tower (70 tầng) tại Hà Nội; Trung tâm hành chính Thành Phố Đà Nẵng (34 tầng), Novotel Han Riverside (33 tầng) tại Đà Nẵng Uỷ ban quốc tế về nhà nhiều tầng đã đ a ra định nghĩa: nhà nhiều tầng