Kết cấu nhà cao tầng

Nhà cao tầng có các đặc điểm cơ bản sau: Số lượng tầng nhiều nên TLBT 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 khá nhiều đến TTUS và biến dạng của công trình vốn có độ siêu tĩnh cao.

CHƯƠNG 8: KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG (NCT)

 8.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ NCT

 8.2 YÊU CẦU CƠ BẢN KHI THIẾT KẾ NCT

 8.3 HỆ THỐNG KẾT CẤU NCT

 8.4 CÁC BỘ PHẬN CHI TIẾT NCT

 8.5 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG

 8.7 CÁC CHI TIẾT CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT

 8.8 GIỚI THIỆU SƠ CÁC CÔNG TRÌNH NCT TRÊN TG

8.1.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

So với các nhà thông thường khác, nhà cao tầng có

nhữ đặc điểm cơ bản sau:

 Số lượng tầng nhiều nên TLBT 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 khá nhiều đến TTUS và biến dạng của công trình vốn có độ siêu tĩnh rất cao

 Để giảm gía trị hệ lực quán tính sinh ra khi tòa nhà dao

động, phải tìm cách phân bố khối lượng hợp lý theo chiều cao nhà Do đó cần ưu tiên sử dụng các VL nhẹ làm KC bao che, dùng VL cường độ cao đểà chịu lực Đặc biệt là

thép cường độ cao

 Do CT có chiều cao lớn; tác động các loại tải trọng

ngang (do gió, động đất) là rất đáng kể Việc chọn

giải pháp KC NCT có ảnh hưởng khá nhiều đến độ

bền và ổn định, dao động bản thân do gió động, tính chống lật của CT

 Điều kiện thi công phức 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 thông thường

 Điều kiện sử dụng, vệ sinh môi trường, thông gió, cấp thoát nước, giao thông chủ yếu theo phương thẳng

8.1.2.     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 tâng lớn hơn 40 tầng (cao hơn100m)

 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 hợp thép

 Theo sơ đồ kết cấu:

thuật khác kể cả biện pháp thi công Trong đó

PA chịu lực KCCT phải được chú trọng ngay từ lúc phác thảo PA.

 Những vấn đề dưới đây cũng phải cân nhắc khi tìm tòi PA 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 chen 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 kĩ thuật thi công

 Công năng, tổ chức quản lý công trình

 Riêng về mặt KCCT cần đảm bảo sao cho ngôi nhà làm việc được dưới mọi tải trọng và tác động

 Vật liệu bao quanh công trình cần chịu được sự thay đổi về nhiệt độ, độ ẩm,

 Khi ngôi nhà có tầng hầm phải lưu ý tới tác động của

Các nguyên lý cơ bản

 Vật liệu xây dựng công trình

 Có cuờng độ cao, TLBT 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 KNCL

 Có tính biến dạng lớn nhằm tăng cường khả năng

phân tán năng lượng khi CT dao động

 Có khả năng chịu mỏi lớn để chịu các tải trọng lặp,

đổi chiều

 Có tính đồng nhất, đẳng huớng nhằm hạn chế sự tách thớ làm giảm tiết diện cấu kiện khi chịu tải trọng lặp

 Hình dáng công trình

 Hình dạng MB cần đơn giản, gọn, đối xứng và có độ cứng chống xoắn lớn Khi mặt bằng hình chữ L,H,Y cần bố trí các khe kháng chấn để biến chúng thành tổ hợp của các MB đơn giản hình chữ nhật

 Hình khối CT 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 nhằm giảm thấp nhất ảnh hưởng của dao động nhờ phân phối hợp lí theo chiều cao

10

 Lưới cột

 Lưới cột phải phù hợp với mặt bằng kiến trúc và sơ đồ KC

chịu lực của tòa nhà.

 Lưới cột cần phải đơn giản Nên chọn là ô chữ nhật hoặc ô

vuông Với các nhà có MB đối xứng thì nên sử dụng triệt để tính đối xứng của MB Với các nhà có MB không đối xứng thì nên chia ô lưới thống nhất cho những phần có thể, phần còn lại giành những phần cho các không gian đệm như :Hành lang , sảnh …

 Bước của khung cột thườøng là 5-6m đối với sơ đồ khung , 12m cho các sơ đồ kết hợp khung–lõi, khung-vách Với các hệ kết hợp khung-hộp hoặc vách hộp thì khoảng cách có thể lớn hơn

9-12

 Tổ hợp kết cấu theo phương đứng

 Độ cứng không gian của KC phụ thuộc nhiều vào hình dạng của nó Nhà có dạng thon dần theo chiều cao sẽ hợp lí nhất về phân phối trọng lượng khi dao động

 KC 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, PA KC chịu lực

 Giải pháp KC được gọi là hợp lí nếu kết quả chuyển vị ngang, chuyển vị xoay của hệ và momen uốn ở chân là bé, đồng thời truyền tác động đến móng nhanh nhất

14

8.3 HỆ THỐNG KẾT CẤU

CHỊU LỰC CB CỦA NCT

 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 chịu lực

 Hệ tường chịu lực : Tấm tường đóng vái trò vách

cứng chịu đồng thời tải trọng đứng và ngang

 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

16

18

20

8.4 CÁC BỘ PHẬN CHI TIẾT NCT

 Chiều dài một vách không nên lấy dài hơn 8m

 Cố gắng bố trí rãi đều vách cứng trong mặt bằng Bố trí nên cùng mặt phẳng cột, dầm khung và chạy suốt chiều cao ngôi nhà từ mái xuống móng

 Khung cứng

 Cột : chủ yếu chịu nén và lệch tâm xiên bé, khi lựa chọn

TD căn cứ vào nội lực cũng như các liên kết với các cấu kiện khác nhằm đạt được hiệu quả lớn nhất về chịu lực, về giá thành, về tiết kiệm không gian sử dụng Trong

NCT thường dùng TD cột đặc tổ hợp hàn Cột rỗng, do tốn nhiều công chế tạo, lại chiếm không gian lớn nên

thường không sử dụng Việc chọn dạng tiết diện phụ

thuộc vào khá nhiều tham số : giá trị lực nén N, momen uốn M và tỷ lệ M/N ; cách liên kết cột với xà ngang ;

chiều dài tính toán theo phương lx, ly và tỷ lệ lx/ly.

 Dầm : Dầm chủ yếu là chịu uốn, và truyền các tải

trọng này đến kết cấu thẳng đứng chịu lực( vách lõi cột của khung cứng).Khi nhịp nhỏ hơn 12m, TD ngang của dầm có thể dùng thép hình I cán, I tổ hợp hàn Cũng có thể kết hợp với sàn BTCT để tạo thành hệ dầm sàn liện hợp hai VL TD dạng hộp rổng được

dùng khi dầm phải chịu lực cắt khá lớn hoặc khi cần tăng độ cứng theo phương MP khung Khi nhịp lớn

hơn 12m, dùng dầm cao bụng có khoét lỗ hoặc dùng các dàn-dầm Thanh cánh dàn dạng chữ T, với các dàn chịu tải trọng lớn thì thanh cánh thường dùng các thép hình I Chiều cao dầm, dàn xác định theo điều

kiện chịu lực, chiều cao kiến trúc và các yêu cầu kinh tế, thường tỷ số h/L vào khoảng (1/15-1/10)

 Khung đỡ vách cứng

 Trong nhiều TH tầng dưới cần bố trí không gian rộng Khi đó phải thay thế các vách cứng bằng các khung đỡ vách, thì sự thay đổi này phải nhỏ hơn 30% số vách cứng hiện có

 Khoảng cách 2 vách cứng kề nhau đi xuống tận móng sau khi thay đổi phải nhỏ hơn 36m, hoặc 3 lần chiều rộng ngôi nhà.

 Sàn tiếp giáp giữa KC bên trên và khung đỡ vách phải tăng chiều dày tối thiểu 180mm và dùng BT mác cao

 Chiều rộng dầm khung đỡ vách lấy > 40 cm và 2 lần chiều dày vách Chiều cao TD dầm khung đỡ lấy 1/8 – 1/6 nhịp

dầm và có thể làm thêm nách dầm

 Sàn

 Khi dùng sơ đồ KC hỗn hợp, Sàn là đóng vai trò là vách cứng ngang chịu tải trọng thẳng đứng và truyền tải trọng ngang từ mặt nhà vào các vách, lõi cứng.

 Sàn có thể dùng BTCT đỗ tại chỗ, BTCT ứng lực trước, có thể dùng sàn BTCT dầm thép hình.

 Chiều dày bản sàn có dầm lấy phụ thuộc vào khoảng cách các dầm, từ 10 – 15 cm Với sàn nấm, không nhỏ hơn 15cm Chiều dày sàn có thể thay đổi theo độ cao do vai trò truyền tải trọng gió về các vách cứng

 Sàn không dầm khả năng chịu tải trọng lớn nhưng phải KT

xuyên thủng ở chỗ bản sàn gối trực tiếp lên cột Khi cần thiết có thể làm mũ cột

30

 Hệ giằng

 HG nhằm tăng cường ổn định và độ cứng cho khung khi chịu tải trọng ngang

 HG có thể làm bằng BTCT đúc toàn khối cùng với

khung, hoặc làm bằng thép hình liên kết cứng hoặc liên kết khớp với khung Khi bố trí tránh làm ảnh

hưởng đến giao thông và các yêu cầu kiến trúc

 Tiết diện thanh giằng thường dùng hai thép góc, hoặc dùng dạng hộp rỗng, dạng ống tròn Khi lực dọc trong thanh lớn, dùng TD là thép hình I hoặc dạng tổ hợp hàn từ các thép bản

 Cầu thang

 Khu vực bố trí cầu thang bộ hoặc thang máy thường

làm giảm độ cứng của sàn và xuất hiện vùng ứng suất cục bộ ở mép sàn Nên cần có vách cứng đặt xung

quanh khu vực cầu thang

 Thường bố trí đối xứng để giảm bớt hiện tượng xoắn và không nên bố trí ở những góc lồi, lõm của ngôi nhà

Nếu do việc sử dụng công trình cần bố trí gian cầu

thang, thang máy ở khu vực góc nhà thì nhất thiết phải tăng cường kết cấu vách xung quanh, gia cường cốt

thép cho sàn ở chỗ tiếp giáp khu cầu thang hoặc tăng

 Khe co dãn

 Cho phép sự co dãn tự do của vật liệu nhằm giảm ứng suất phụ phát sinh khi kết cấu dãn nở hoặc co ngót Chiều rộng tối thiểu là 5cm

 Chiều dài đoạn nhiệt (khoảng cách 2 khe co dãn) bằng 65 m với khung cứng, 55m đối với nhà khung-vách, 45m đối với nhà tường chịu lực

 Một trong những biện pháp làm tăng khoảng cách 2 khe co dãn là trong chiều dài 30-40m để trước dãi bê tông chèn sau Đợi bê tông co ngót rồi mới đổ

nối để tạo thành một khối nhằm giảm nhẹ ảnh

hưởng của co ngót

 Khe lún

 Tách CT thành các khối nhà riêng biệt Khe lún được đặt ở chỗ tiếp giáp 2 khối nhà khác chiều cao Khe lún gây bất tiện như chống thấm nhà có tầng hầm

 Các phương pháp điều chỉnh khe lún :

 Thi công lệch thời gian: thi công công trình chính cao trước, sau một vài nămđộ lún công trình chính đã ổn định mới thi công

công trình thấp tầng.

 Dùng các biện pháp móng khác nhau để độ lún khu cao tầng và thấp tầng tương đương nhau.

 Điều chỉnh độ sâu chôn móng : dựa vào độ lún chênh lệch giữa phần chính và phần thấp tầng để chọn chiều sâu chôn móng khác nhau

 Móng nhà

 Để thiết kế móng nhà cao tầng cần căn cứ vào các điều kiện sau :

 Trị số tải trọng từ đỉnh nhà xuống

 Sự hiện diện của tầng hầm và số tầng hầm.

 Địa chất công trình, thủy văn.

 Điều kiện thi công.

 Các công trình hiện hữu trong khu vực xây dựng.

 Các giải pháp móng nhà cao tầng là móng sâu : cọc đóng, cọc ép, khoan nhồi, tường barette trong đất có độ sâu khá lớn (có khi tới 80 – 100m) Đài cọc thường dùng móng bè, móng hộp

8.5 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG

 Tải trọng thường xuyên

 TLBT các KC chịu lực, các chi tiết cấu tạo kiến trúc, các

thiết bị kỹ thuật, áp lực nền đất, ứng lực trước trong các KC ứng suất trước…

 Tải trọng tạm thời thẳng đứng

 Tuỳ thuộc vào chức năng sử dụng công trình mà TCVN

2737-1995 đã chỉ ra các giá trị cụ thể của tải trọng sử dụng lên sàn, mái

 Trong NCT, do số lượng tầng nhiều, xác xuất đồng thời

xuất hiện toàn bộ tải trọng tạm thời ở tất cả các tầng đạt giá trị cực đại là rất hiếm Vì vậy cần xét đến hệ số giảm tải đối với các loại tải trọng này (tham khảo qui phạm)

 Gió là tải trọng tạm thời Tác động của gió lên công trình bao gồm hai thành phần:tĩnh và động Thành phần tỉnh thực chất là tác đông của gió lên công trình cứng Thành phần động thực chất là phần tăng thêm tác dụng của tải trọng gió lên công

trình có, xét đến ảnh hưởng của lực quán tính sinh ra do khối lượng bản thân công trình khi dao động bởi các xung của luồng gió.

 Theo TCVN 2737 – 1995 thành phần tĩnh của tải trọng gió phải được kể đến ở mọi công trình Thành phần động phải được kể đến với các công trình, thiết bị dạng cột, các nhà nhiều tầng cao trên 40m (hoặc nhà công nghiệp một tầng một nhịp cao trên 36m) và tỷ số độ cao trên nhịp (H/L) > 1.5.

 Động đất gây nên những chuyển động của nền CT theo các hướng, theo thời gian với các qui luật phức tạp Chuyển động của nền làm phát sinh các lực quán tính ở các bộ phận của

CT Thiết kế kháng chấn cần phải đảm bảo điều kiện sao cho khi xảy ra trận động đất yếu thì KC vẫn làm việc trong miền đàn hồi; còn xảy ra các trận động đất mạnh thì kết cấu có thể chuyển sang làm việc ở giai đoạn dẻo, có thể hư hỏng một số bộ phận nào đó nhưng cộng trình không bị sụp đổ Xác định tải trọng do động đất thực chất là xác định lực quán tính do

khối lượng của CT bị dao động do động đất Đó là công việc rất khó khăn và phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố phức tạp: dao động, truyền sóng, nền đất…

8.6 TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG

 Trình tự-nguyên lý tính toán NCT

 Sau khi thành lập sơ đồ KC, dựa vào kinh nghiệm để giả

thiết kích thước tiết diện các cấu kiện Đồng thời, để có thể giải bài toán động, cần xác định trị số và quy luật phân bố khối lượng của mỗi cấu kiện hoặc của từng phần công trình.

 Giải bài toán động để xác định các đặc trưng động học : tần số, chu kỳ, biên độ dao động bản thân của công trình So sánh với tiêu chuẩn quy định của TCVN để quyết định số dạng dao động cần xét đến

 Xác định cụ thể từng trường hợp tải trọng tác dụng lên công trình (trị số, điểm đặt, phương, chiều ) kể cả thành phần tĩnh và thành phần động.

 Lần lượt giải bài toán với từng trường hợp tác dụng riêng rẽ.

 Thống kê, tổ hợp nội lực để tìm trường hợp bất lợi nhất cho các tiết diện.

 Kiểm tra tiết diện đã giả thiết ; tiến hành các điều chỉnh cần thiết

 Phần lớn khối lượng công việc trên đều phải tiến hành bằng máy tính và các chương trình tính toán đủ mạnh : có thể

tính hệ không gian nhiều về số lượng và chủng loại phần tử, có thể giải được các bài toán động Chương trình thông

dụng nhất hiện nay là SAP 2000 nhưng cũng đòi hỏi phải có máy tính với khối lượng bộ nhớ lớn mới có thể giải nổi.

Figure 1.8 The Museum Tower

44

Figure 1.9 Bank One Center, Indianapolis

Figure 1.10 Two Union Square, Seatthe

Figure 1 12 Bank of Chine, Hong Kong

Figure 1.12 Bank of Chine, Hong Kong

Figure 1.12 Bank of Chine, Hong Kong