Kết cấu đồng nghĩa với chống đỡ, cho nên tồn tại với tất cả kiến trúc. Cụ thể: Kết cấu là cột, là bản hoặc là tổ hợp cột bản. Kiến trúc sư sử dụng kết cấu một cách có ý thức để thực hiện các loại cấu tự.Với ý nghĩa đó, có thể căn cứ vào tiết tấu, mô thức, tính giản lược tính quy luật, tuỳ ý, phức tạp để thiết kế cột tường dầm. Cho nên kết cấu có thể xác định không gian, hình thành đơn nguyên, liên kết lộ tuyến giao thông, chỉ thị phương hướng vận động, để tổ hợp và điều chỉnh.
Trang 1KẾT CẤU:
Trên cơ bản, kết cấu đồng nghĩa với chống đỡ, cho nên tồn tại với tất cả kiến trúc Cụ thể: kết cấu là coat, là bản hoặc là tổ hợp cột bản Kiến trúc sư sử dụng kết cấu một cách có ý thức để thực hiện các loại cấu tự
Với ý nghĩa đó, có thể căn cứ vào tiết tấu, mô thức, tính giản lược, tính quy luật, tính tùy ý, tính phức tạp để thiết kế cột, tường, dầm Cho nên kết cấu có thể xác định không gian, hình thành đơn nguyên, liên kết lộ tuyến giao thông, chỉ thị phương hướng vận động , để tổ hợp và điều chỉnh
Chính vì vậy, không thể thiếu kết cấu trong mối liên hệ các yếu tố của quá trình sáng tạo kiến trúc, trong mối liên hệ với phẩm chất và sự tinh tế của kiến trúc Kết cấu có thể làm sáng tỏ thêm các hạng mục phân tích: chiếu sáng tự nhiên, quan hệ từ đơn nguyên đến tổng thể, hình kỉ hà, giao thông đến không gian sử dụng, tính đối xứng, cân bằng và đẳng cấp khối KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG
I/ ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG:
1/ Sơ lược lịch sử phát triển nhà cao tầng:
Những công trình cao cổ xưa như:Kim tử tháp Ai Cập, đền Mayan ở Tikal, Guatemala, và đền Kutab Minar ở Ấn Độ là một trong những công trình chứng tỏ có tính lôi hút con người nghĩ đến việc xây dưng công trình cao tầng
Với tốc độ đô thị hoá và phát triển dân số, nhà cao tầng phục vụ nhà ở ra đời
Để đảm bảo vấn đề thẩm mỹ, giải pháp kỹ thuật cho nhà cao tầng có thể được cải tiến nhanh chóng, nhiều vật liệu kết cấu mới ra đời để tạo ra các
Trang 2bộ mặt kiến trúc bên ngoài và tăng hiệu quả sử dụng không gian kiến trúc bên trong
Một toà nhà được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công và sử dụng khác so với ngôi nhà thông thường thấp khác
Khoa học kĩ thuật xây dựng ngày nay đã có những tiến bộ nhanh chóng, cho nên ngay từ những năm cuối thế kỷ 19, Mỹ đã xây dựng những ngôi nhà cao từ 10 đến 20 tầng bằng khung thép –gang.Từ đầu thế kỷ 20 đến thập niên 50, hàng loạt các ngôi nhà cao từ 20 đến 100 tầng ra đời , chủ yếu ở Mỹ.Từ những năm 60 đến nay ở hàng loạt các nước Châu Âu, Nam Mỹ, Nhật, Hồng Kông, Thượng Hải…đã xây dựng hàng trăm hàng nghìn ngôi nhà cao tầng( 30 đến hơn 100 tầng).Có thể một vài ngôi nhà cao tầng điển hình:
• Sears Tower: 109 tầng, cao 443m, Chicago, Mỹ gồm 102 thang máy
• Ngân hàng Trung Hoa ở Hồng Kông: 100 tầng, cao 315m
• Toà nhà tháp đôi “Petronas” 88 tầng, cao 452m ở Kualampua, Malaysia, hiện nay được coi là toà nhà cao nhất thế giới
• Ở Việt Nam đã xây dựng được các ngôi nhà cao tầng đến 33 tầng(trung tâm thương mại Sài Gòn), cao ốc Sài Gòn Center, Diamon Plaza, Sài Gòn Tower…
2/Đặc điểm kết cấu nhà cao tầng:
So với các nhà thông thường khác, nhà cao tầng có những đặc điểm cơ bản sau:
Số lượng tầng nhiều nên trọng lượng bản thân và tải trọng sử dụng thường rất lớn, lại được phân bố trên một diện tích mặt bằng nhỏ
Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng, ảnh hưởng đến nhiều trạng thái ứng suất và biến dạng của công trình vốn có siêu tĩnh cao
Trang 3Để giảm giá trị hệ lực quán tính sinh ra khi toà nhà dao động, phải tìm cách phân bố khối lượng hợp lý theo chiêu cao nhà.Do đó cần ưu tiên sử dụng các vật liệu nhẹ làm kết cấu bao che, dùng vật liệu cường độ cao để chịu lực Đặc biệt thép cường độ cao
Do công trình có chiều cao lớn; tác động các loại tải trọng ngang(do gió, động đất) là rất đáng kể.Việc chọn giải pháp kết cấu nhà cao tầng có ảnh hưởng khá nhiều đến độ bền và ổn định công trình, dao động bản thân do gió động, tính chống lật của công trình…
Điều kiện thi công phức tạp(do mặt bằng thi công hẹp, hướng thi công chủ yếu theo chiều cao.Qui trình thi công cần nghiêm ngặt và yêu cầu độ chính xác cao khó thực hiện Do vậy trình độ kỹ thuật, máy móc thiết bị, điều kiện tổ chức thi công đòi hỏi cao và đặc biệt hơn so với công trình thường
Điều kiện sử dụng, vệ sinh môi trường, thông gió, cấp thoát nước, giao thông chủ yếu theo phương thẳng đứng, ảnh hưởng đến sức khoẻ, tâm lý con người…
Với những đặc điểm phức tạp trên, công việc thiết kế chọn giải pháp cần sự hợp tác ngay từ ban đầu của nhiều ngành ở nhiều lĩnh vực khác nhau: kỹ thuật, kinh tế, xã hội, môi trường…
3/Phân loại nhà cao tầng
Theo số tầng và chiều cao: gồm 4 loại :
• Loại I: 9-16 tầng(chiều cao nhà H<50m)
• Loại II:17-25 tầng(H=50-70m)
• Loại III: 26-40 tầng(H=75-100m)
• Loại IV: loại siêu cao tầng với số tầng lớn hớn 40 tầng(cao hơn 100m)
Theo mục đích sử dụng:cao ốc văn phòng, khách sạn, nhà ở, trung tâm thương mại, ngân hàng…
Theo hình dạng mặt bằng: vuông, đa giác, chữ nhật, bẻ góc, chữ I,L… Theo vật liệu xây dựng:nhà BTCT, thép hình hoặc BTCT kết hợ thép…
Trang 4Theo sơ đồ kết cấu: nhà khung, nhà tường, nhà hộp, khung –tường kết hợp…
II/ YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG(NCT):
Khi thiết kế NCT, kiến trúc sư, kỹ sư phải xem xét toàn diện mọi vấn đề kiến trúc, kết cấu và các kỹ thuật khác kể cả biện pháp thi công.Trong đó phương án chịu lực kết cấu công trình phải được chú trọng ngay từ lúc phác thảo phương án
Những vấn đề dưới đây cũng phải cân nhắc khi tìm toi phương án kiến trúc:
• Địa chất công trình quyết định số tầng và chiều cao ngôi nhà khi kinh phí đầu tư bị hạn chế
• Kỹ thuật xây khu dân cư hiện hữu
• Tầng hầm, tổ chức lưu thông
• Hệ thống kỹ thuật hạ tầng cơ sở: điện cấp thoát nước, cứu hỏa, thang máy, thoát hiểm, cấp nhiệt, hơi, điện lạnh…
• Điều kiện tổ chức, phương pháp kỹ thuật thi công…
• Công năng, tổ chức quản lý công trình…
• Riêng về mặt kết cấu công trình cần đảm bảo sao cho ngôi nhà làm việc được dưới mọi tải trọng và tác động
• Vật liệu bao quanh công trình cầu chịu được sự thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm,…
• Khi ngôi nhà có tầng hầm phải lưu ý tới tác động của đất, nước ngầm làm đẩy nổi tầng hầm…
Các nguyên lý cơ bản:
Vật liệu xây dựng công trình(CT):
Sử dụng vật liệu có cường độ cao, trọng lượng nhẹ để giảm giá trị của hệ lực quán tính sinh ra khi CT dao động, nhưng vẫn đạt được hiệu quả cao nhất về khả năng chịu lực của tiết diện
Trang 5Sử dụng vật liệu có tính biến dạng lớn nhằm tăng cường khả năng phân tán năng lượng khi CT dao động
Sử dụng vật liệu có khả năng chịu mỏi lớn để chịu các tải trọng lặp, đổi chiều
Vật liệu cần có tính đồng nhất, đẳng hướng nhằm hạn chế sự tách thớ làm giảm tiết diện cấu kiện khi chịu tải trọng lặp
Vì vậy thép là vật liệu hoàn toàn hợp lý để làm kết cấu NCT
-Hình dáng công trình:
Nội lực, chuyển vị nhà cao tầng bị ảnh hưởng rất lớn bởi dao động bản thân.Vì vậy, khi chọn hình dáng, hình khối của công trình cần tìm cách giảm nhiều nhất các ảnh hưởng của dao động.Cụ thể là:
Hình dạng mặt bằng cần đơn giản, gọn, đối xứng và có độ cứng chống xoắn lớn Các nhà có mặt bằng hình chứ L, H, Y cần bố trí thêm các khe kháng chấn để biến chúng thành tổ hợp của các mặt bằng đơn giản hình chữ nhật Khi dao động phần nhà ở hai bên khe kháng chấn dao động độc lập, không bị va đập vao nhau
Hình khối công trình cần cân đối đơn điệu và liên tục:
• Các biến đổi đột ngột về hình khối theo chiều cao như khối cao và khối thấp sẽ dẫn đến những đột biến về khối lượng tham gia dao động Khi cần thiết tách hẳn thành khe lún
• Hình dáng thu hẹp dần theo chiều cao(tháp Eiffel) nhằm giảm thấp nhất ảnh hưởng của dao động nhờ phân phối hợp lý theo chiều cao
-Độ cứng công trình:
Trên dọc chiều cao nhà và theo phương ngang nhà không nên thay đổi độ cứng, trong trường hợp cần thiết cần phải bớt đi một số cột để tăng nhịp
Trang 6sử dụng của các tầng bên dưới thì bố trị thêm các hệ khung cứng đỡ sao cho độ cứng của tầng này không bị giảm yếu đi quá nhiều so với những tầng khác
-Bố trí kết cấu trên mặt bằng
Lưới cột : việc bố trí lưới cột trên mặt bằng cần theo những nguyên tắc
cơ bản sau:
• Lưới cột phải phù hợp với mặt bằng kiến trúc và sơ đồ kết cầu chịu lực của toà nhà
• Để thuận tiện cho thi công và sử dụng trang thiết bị thì lưới cột cần phải đơn giản.Thông thường các ô lưới nên chọn là ô chữ nhật hay là ô vuông Với các nhà có mặt bằng đối xứng thì nên chia ô lưới thống nhất cho những phần có thể, phần còn lại giành cho những phần cho các không gian đệm như: Hành lang, sảnh…
• Bước của khung cột thường là 5-6m đối với sơ đồ khung, 9-12m cho các sơ đồ kết hợp khung- lõi, khung-vách.Với các hệ kết hợp khung-hộp hoặc vách hộp thì khoảng cách của các hàng cột có thể lớn hơn
Hệ giằng :
Để đảm bảo tính chất bất biến hình cho hệ thì một trong ngôi nhà cần có
ít nhất 3 hệ giằng cứng không cung song song hoặc không cắt nhau trên cùng một điểm
Bố trí các vách cứng nên đối xứng, sao cho trọng tâm hệ vách trùng với tâm mặt bằng và càng xa trọng tâm càng tốt nhằm giảm độ xoắn công trình khi chịu tải trọng ngang
Với nhà có MB kéo dài thì khoảng cách giữa các vách giằng không vượt quá 30m,khoảng cách từ vách giằng đầu tiên đến trục biên không lớn hơn 12m
Trang 7Kết cấu sàn:
Việc chọn sơ đồ kết cấu cho các sàn ngang phụ thuộc vào kích thước của
ô sàn, hình dạng ô sàn và cấu tạo bản thân tấm sàn Chọn phương án này hay phương án khác sẽ ảnh hưởng đến chiều cao làm việc của tầng và độ cứng ngang của toàn công trình
-Tổ hợp kết cấu theo phương đứng:
Độ cứng không gian của kết cấu phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng của nó Nhà có dạng thon dần theo chiều cao sẽ hợp lý nhất về phân phối trọng lượng khi dao động.VD như khi có cùng tỷ số (H/B) = (5-6) thì nhà có độ thon = 1/20 thì chuyển vị đỉnh của nó chỉ bằng 25-30% so với chuyển vị của nhà không có đỉnh thon
Kết cấu dãi giằng đứng thường là các dàn phẳng hoặc tổ hợp để tạo thành dàn không gian mà cánh của chúng chính là các cột khung
Các dãi giằng ngang thường đặt ở các tầng đỉnh hoặc các tầng kỹ thuật số lượng và kích thước các giằng này tuỳ thuộc vào chiều cao nhà , phương án kết cấu chịu lực…và thường chỉ được quyết định sau khi lựa chọn một số phương án
Dọc theo chiều cao tuỳ theo tình hình cụ thể, hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cũng có thể thay đổi.Các cột khớp, khung cứng, dàn giằng đứng, dàn giằng ngang…được sắp xếp theo các tổ hợp khác nhau.Hệ có cấu tạo như vậy gọi là hệ kết hợp Giải pháp được gọi là hợp lý hơn nếu cho kết quả chuyển vị ngang, chuyển vị xoay của hệ bé và momen uốn ở chân là bé, đồng thời phải truyền tác động đến móng nhanh nhất
III/HỆ THỐNG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG:
1/Các hệ kết cấu cơ bản:
Hệ khung cứng: Dầm cột liên kết -> tạo thành khung cứng Các khung cứng từ các phương liên kết tạo thành khung không gian cùng tham gia chịu lực Để tăng cường độ cứng cần bố trí thêm hệ giằng xiên
Trang 8Hệ tường chịu lực:Tấm tường đóng vai trò vách cứng chịu đồng thời tải trọng đứng và ngang -> mặt bằng sử dụng bị hạn chế bởi các tấm tường
Hệ lõi: dạng vỏ hộp rỗng ghép bởi tường vách, không gian bên trong tận dụng làm cầu thang Có thể bố trí đầu nhà, giữa nhà hoặc góc nhà
Hệ hộp: khung bao quanh, lõi ở giữa nhà
Hệ kết cấu hỗn hợp: Khung –tường kết hợp(khung giằng), khung- lõi, hệ khung – hộp…Việc sử dụng các kết cấu hỗn hợp tạo được không gian lớn linh hoạt(do khung chịu hầu hết tải trọng đứng, vách, lõi phần lớn chịu tải trọng ngang)
2/ Các căn cứ lựa chọn
Rất quan trọng vì ảnh hưởng đến ý đồ kiến trúc, đk thi công và giá thành công trình Có khi phương án kết cấu làm thay đổi bố cục mặt bằng và tổ chức giao thông, sử dụng công trình…
Số tầng nhà, số chiều cao nhà: 20 tầng trở xuống dùng kết cấu khung, khung vách, khi trên 20 tầng dùng kết cấu khung lõi, kết cấu hộp
Mặt bằng sử dụng: Nhà ờ, khách sạn không gian nhỏ dùnh nhà vách văn phòng, giao dịch… cần không gian rộng dùng nhà khung kết hợp vách lõi…
Các bộ phận chi tiết trong kết cấu nhà cao tầng
1.Vách cứng:
2.Khung cứng: Chịu tồn bộ tải trọng đứng, ngang Thơng thường được đúc
tồn khối
3.Khung đỡ vách cứng: Thường dùng cho các các cơng trình cĩ khơng gian
rộng như cửa hàng, hội trường… Khoảng cách giữa 2 vách cứng kề nhau sau khi thay đổ phải <36m
4.Lõi cứng: Thường làm bằng BTCT hoặc vật liệu hỗn hợp
Trang 95 Sàn: Là vách cứng ngang chịu tải trọng thẳng đứng và có tác dụng truyền
tải trọng ngang Được làm bằng BTCT đỗ tại chỗ, BTCT ứng lực trước, BTCT dầm thép
6.Hệ giằng: Tăng cường ổn định và độ cứng cho khung khi chịu tải trọng
ngang
7.Cầu thang: Khu vực bố trí cầu thang hay thang máy thương làm giảm độ
cứng sàn và xuất hiện ứng suất Nên cần đặt vách cứng xung quanh khu vực cầu thang Thường bố trí đối xứng để giảm bớt hiện tượng xoắn
8.Khe co giãn: Nhằm làm giảm ứng suất phụ phát sinh khi kết cấu giãn nở
hoặc co ngót
9.Khe lún:
10.Móng nhà: Cần căn cứ vào các điều kiện:
• Tải trọng công trình
• Sự xuất hiện của tầng hầm
• Địa chất
• Đk thi công