CHUYÊN ĐỀ NHÀ CAO TẦNG

1. Lựa chọn loại vật liệu: 2. Lựa chọn hình dạng công trình: 3. Lựa chọn hệ kết cấu: 4. Phân chia công trình bằng khe co giãn, khe chống động đất và khe lún: 5. Nguyên tắc cấu tạo các bộ phận kết cấu, phân bố độ cứng và cường độ của kết cấu: 6. Nguyên tắc cơ bản về tính toán kết cấu

07/03/2024 1

• LỚP : XDLTKT11

• GVHD: …NHÓM :01

• CHUYÊN ĐỀ 3: NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN

TRONG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG.

Tháng 5, năm 2013.

NỘI DUNG BUỔI THUYẾT TRÌNHI/ KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHÀ CAO TẦNG:

II/NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ NHÀ

CAO TẦNG :

 - Gồm có 6 nguyên tắc cơ bản sau :

 1 Lựa chọn loại vật liệu:

 2 Lựa chọn hình dạng công trình:

 3 Lựa chọn hệ kết cấu:

 4 Phân chia công trình bằng khe co giãn, khe chống động đất và khe lún:

 5 Nguyên tắc cấu tạo các bộ phận kết cấu, phân bố độ cứng và cường độ của

kết cấu:

 6 Nguyên tắc cơ bản về tính toán kết cấu

07/03/2024 3

I/KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHÀ CAO TẦNG:

 Nhà cao tầng đã trở thành biểu tượng điển hình của nền văn minh và tiến

bộ khoa học kỹ thuật

Shanghai World Financial Center ở Thượng Hải – cao 1614 ft (492 m) 101 Sàn nhà

Tháp đôi Petronas ở Kuala Lumpur,

Malaysia đã được xây dựng vào năm 1998

 Một công trình được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định

các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với nhà thông thường

Burj Dubai, Dubai, Các Tiểu Vương Quốc Ả Rập Thống Nhất

– cao 828 mét (2717 feet)

 II/ NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ NHÀ

CAO TẦNG :

 - Gồm có 6 nguyên tắc cơ bản sau :

 1 Lựa chọn loại vật liệu

 - Vật liệu chính dùng làm kết cấu nhà cao tầng phải đảm bảo có tính năng cao trong

các mặt :cường độ chịu lực, độ bền mỏi, tính biến dạng và khả năng chống cháy

 - Vật liệu tham gia chính vào quá trình chiệu lực :

 + Bêtông dùng cho kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng nên có mác 300 trở lên đối

với các kết cấu BTCT thường và công trình mác 350 trở lên đối với các kết cấu

BTCT ứng lực trước

 Bê tông cường độ cao siêu dẻo: là loại bê tông có thành phần cốt liệu và xi măng

truyền thống và phụ gia siêu dẻo Loại bê tông này có tỷ lệ N/X khoảng 0,35- 0,40,

độ sụt đạt đến 15 - 20 cm, giữ được ít nhất 60 phút Cường độ đạt đến 70 MPa và có

cường độ sớm (R7 = 0,85R28) Đây là loại bê tông được sử dụng chủ yếu trong các

kết cấu cầu đường ở Việt Nam

Bê tông chất lượng cao (HPC): có sử dụng N/X gần đến 0,25, phụ gia siêu mịn

là tro nhẹ hoặc muội silic siêu mịn Đây là loại bê tông có cường độ chịu nén

đến 80 hoặc 100 MPa và có các đặc tính vật lý và cơ học được cải tiến dẫn đến

độ bền cao và tuổi thọ khai thác đến 100 năm

Bê tông siêu nhẹ: có cường độ tương tự như bê tông thường, khối lượng đơn vị

thấp đến 0,8 g/cm3

Bê tông tự đầm: thành phần cốt liệu lớn ít, tăng thêm các chất bột và sử dụng

phụ gia siêu dẻo đặc biệt Bê tông có khả năng tự đầm, trong quá trình thi công

không cần sử dụng các thiết bị đầm Loại bê tông này cho phép thi công các

công trình có khối lượng rất lớn (20.000 m3 trở lên ) không cần bố trí mối nối,

không cần đầm Sử dụng bê tông tự đầm tiết kiệm được nhân công, thời gian

và không gây ồn

Bê tông cốt sợi: trong thành phần có thêm sợi (kim loại, polyme, các sợi

khác) Bê tông cốt sợi cải thiện độ dẻo của bê tông, tăng cường khả năng chống

nứt cho bê tông ở trạng thái mềm và trạng thái chịu lực

Có thể phân loại bê tông chất lượng cao theo cường độ, thành phần vật liệu chế

7

 bảng phân loại bê tông theo cường độ chịu nén

 + Thép dùng trong kết cấu BTCT nhà cao tầng nên sử dụng loại thép cường độ cao Khi

dùng thép hình để làm kết cấu liên hợp thép- BTCT phải theo yêu cầu riêng của người

thiết kế

 + Tình hình sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông cốt thép trong nhà cao tầng ở VN

Theo tôi được biết thì dạng kết cấu này

 đã được sử dụng khá phổ biến trong

 các công trình thương mại có quy mô

 nhỏ ở TPHCM

 + Đối với các công trình có quy mô

 lớn nhu biện viện Chợ Rẫy đã sử

 -Thép hình để làm kết cấu liên hợp thép- BTCT

 Thép hình ( U,H, L, I, hộp, ống)

 Thép hình thường, - Thép hình H

 Thép hình thường, - Thép hình I

 Thép hình thường, xà gồ - Thép ống

 - Tùy theo shapes sẽ dùng thép có cường độ khác nhau Sau đây là một số ví dụ:

 1 I or H-Shape: ASTM A572 hoặc A992 Grade 50 (Fy = 50ksi)

 2 TS (tube) shape: ASTM 500 Grade B, Fy = 46 ksi

3 Angle, plate and other misc steel: ASTM A36, Fy =36 ksi

- Việt Nam thường sử dụng thép tương đương với ASTM A36 cho tất cả các shapes

07/03/2024 11

 - Để chống cháy thì thông thường thì người ta phun chất chống cháy fire proofing (màu

trắng) lên thép Đôi khi người ta dùng gypsum board ( tấm thạch cao) bao xung quanh cũng

có thể bảo đảm 2-hour fire rating Gysum board bao bọc thép thường được dùng trong

residential (nhà dân dụng) còn trong nhà công nghiệp (comercial) thì phun fire proofing

thường được sử dung

 - Vật liệu sử dụng cho việc bao che và ngăn các phòng công năng:

 + Kính bao che :

 Lựa chọn kính hộp an toàn vật liệu không cháy ,cách âm

 ,cản nhiệt,tải trọng nhẹ hơn kết cấu gạch đá ,đem lại thẩm

 mỹ cho công trình

 Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành xây dựng ở việt nam

 trong những năm gần đây thi kính làm việc chính cùng với

 nhôm được sử dụng phổ biến ở những công trình như:

 siêu thị BigC-Q Tân Bình,hoặc các cao ốc văn phong

 cho thuê

 + Tấm EVG - vật liệu cho nhà cao tầng

 EVG-3D panel là loại vật liệu xây dựng có kết cấu vỏ ba chiều, lõi cốt thép cường độ cao, tiết diện rỗng (hai lớp) Lớp polystyrene ở giữa có tác dụng cách âm, cách nhiệt, đóng vai trò cốp pha để làm khuôn lót cho hai lớp vữa bê tông ở hai bên Kỹ thuật phun vữa hoặc bê tông mini tại chỗ tạo ra khối kết cấu có tính toàn khối cao.

 EVG 3D panel có xuất xứ công nghệ từ Cộng hòa Áo, do hãng Entwicklings und

Verwertungs Gesellschaft M.B.H (EVG) làm chủ phát minh và sản xuất từ giữa thập niên

80 của thế kỷ trước EVG đã được đăng ký bản quyền công nghệ ở các nước tiên tiến như Tây Âu, Mỹ, Nhật Bản

 Tại Việt Nam, các sản phẩm EVG 3D-Panels đã được Viện khoa học công nghệ xây dựng

đã thí nghiệm và cho thấy khả năng chịu tải của các tấm panels EVG 3D rất cao, vượt trội hoàn toàn so với các loại vật liệu xây dựng truyền thống khác Cụ thể, vật liệu này chịu

được tải trọng đến 70 tấn/m dài, trong khi tường xây 220 chỉ đạt 20 tấn/m dài, nghĩa là

khả năng chịu lực của EVG 3D gấp 3,5 lần so với tường gạch 220

07/03/2024 13

 Ngoài ra:

 Các nhà khoa học Nhật Bản đã phát triển thành

 công một loại hợp kim siêu đàn hồi mới

 Loại vật liệu này có thể được sử dụng

 trong các tòa nhà cao tầng nhằm giảm tác động

 khi động đất xảy ra

 Hãng thông tấn Reuters đưa tin, các nhà khoa học

 thuộc trường Đại học Tohoku (Nhật Bản) đã cho

 thêm một lượng nhỏ chất niken vào trong hợp kim

 sắt để tạo ra một loại hợp kim siêu đàn hồi Loại

 vật liệu mới này có thể phục hồi hình dạng gốc sau khi được nung ở nhiệt độ

 từ 196 - 240 độ C



 2 Lựa chọn hình dạng công trình :

 2.1 Mặt bằng nhà:

 + Khi thiết kế nhà cao tầng cần

 lựa chọn mặt bằng nhà đơn giản,

 tránh dùng các mặt bằng trải dài

 hoặc mặt bằng nhà có các cánh

 khả năng làm giảm tải trọng do

 gió được ưu tiên sử dụng Nói một cách khác, mặt bằng ngôi nhà nên lựa chọn các hình dạng sao cho công trình chống đỡ lại các tải trọng ngang như động đất và gió bão một cách hiệu

quả nhất



07/03/2024 15

 + Nhà quá dài sẽ chịu biến động

 lớn về nội lực hoặc chuyển vị

 vì khi sóng địa chấn truyền tới

 sẽ xảy ra hiệu ứng lệch pha giữa

 các phần trên mặt bằng,gây nên

 các nội lực phụ

+ Mặt bằng phức tạp sẽ làm

 tăng thêm mômen xoắn hoặc

 xuất hiện ứng suất cục bộ tại

 các góc, hình thành các vùng

 trạng thái ứng suất lớn dễ bị phá ho

 - Đối với các nhà có mặt bằng hình chữ nhật thì tỉ số giữa chiều dài và chiều rộng phải

thoả mãn điều kiện :

 + L/B ≤ 6 với cấp phòng chống động đất ≤ 7

07/03/2024 16

 - Đối với các nhà có mặt bằng

 bao gồm phần chính và các

 cánh nhỏ thì tỉ số giữa chiều

 dài cánh và bề rộng cánh cần

 thoả mãn điều kiện :

 * Mặt bằng công trình nên bố trí đối

 xứng ít nhất theo 2 phương trục chính

 theo hình sau:

 2.2.Hình dạng của nhà theo

 phương đứng:

 - Hình dạng của nhà cao tầng theo

 phương thẳng đứng nên lựa chọn

 dạng đều hoặc thay đổi đều, giảm kích

 thước dần lên phía trên Nhằm giảm

 hậu quả bất lợi cho tác động động đất

 tránh sử dụng những hình dạng mở

 rộng ở các tầng trên hoặc nhô ra cục bộ.Vì khi nhà không liên tục thì biên độ dao động

sẽ lớn ở một số tầng,khi đó phải thiết kế các vách cứng lớn tại vùng chuyển tiếp để

truyền tải trọng từ phần này sang phần khác của công trình

Mặt bằng các tầng cũng nên bố trí sao cho không thay đổi nhiều, tốt nhất là không thay đổi trọng tâm cũng như tâm cứng của nhà trên các tầng.

 Không nên đặt các tải trọng lớn trên những tầng cao.

Hình dạng nhà cao tầng theo Hình một số công trình

có kết cấu phức tạp trên Thế giới

phương đứng không thay đổi



07/03/2024 19

 * Trên mặt cắt đứng công trình được thiết kế đối xứng (về khối lượng và độ cứng) theo hình sau:

 2.3.Chiều cao của nhà:

 Hiện nay do ứng dụng các loại vật liệu có tính năng cao nên chiều cao của nhà có thể đạt các giá trị ngày càng lớn, song trong những điều kiện cụ thể chỉ nên khống chế ở những

độ cao giới hạn thì mới đạt được hiệu quả kinh tế kỹ thuật

07/03/2024 21

 Tỉ số giữa độ cao và bề rộng của ngôi nhà hay còn gọi là độ cao tương đối chỉ nên nằm

trong giới hạn cho phép, vì khi tỷ số này lớn khi chịu tải ngang thì có chuyển vị ngang

lớn.Lực dọc trong cột biên do tải ngang lớn dẫn đến lực nén truyền xuống móng lớn Giá trị giới hạn của tỉ số chiều cao và bề rộng của công trình có thể lấy trong bảng.2.1



Loại kết cấu Không chấn

kháng chấn

Kháng chấn cấp  7

Kháng chấn cấp 8

Kháng chấn cấp 9

Khung - Vách

Tường BTCT

 3 Lựa chọn hệ kết cấu công trình :

 3.1 Các hệ kết cấu được sử dụng phổ biến trong các nhà cao tầng bao gồm: hệ kết

cấu khung cứng, hệ kết cấu khung giằng và khung vách chịu cắt, dàn liên kết, hệ kết cấu hình ống và bó ống Việc lựa chọn hệ kết cấu dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của công trình, công năng sử dụng, chiều cao của nhà và độ lớn của tải trọng ngang (động đất, gió)

 - Hệ khung cứng rất phù hợp cho BTCT vì đặc tính cứng tự nhiên của các nút khung - Với thép thì hệ khung tốn kém hơn do phải gia cường khả năng chịu mômen ở các nút.

 - Hệ kết cấu này thường được sử dụng cho công trình thép và BTCT

 Lever house (1952) in New York city, USA (kết cấu thép sử dụng hệ khung cứng

07/03/2024 24

 3.3 Hệ kết cấu khung giằng và khung vách chịu cắt

 - Hệ kết cấu khung giằng: Nâng cao hiệu quả của hệ khung cứng do giảm ảnh hưởng

uốn trong cột và dầm do tải trọng ngang bằng cách bổ sung các hệ giằng Toàn hệ làm

việc như một hệ dàn công – xon thẳng đứng bao gồm các cột, dầm và các giằng chéo

Tùy theo các yêu cầu về đặc điểm kiến trúc và kết cấu, các giằng được chia làm 4 nhóm chính: X, giằng chéo, K và Knee Các thanh giằng thường được bố trí ở các vị trí thang

máy, cầu thang…

 Thường được sử dụng cho kết cấu thép

07/03/2024 25

 v

 Chrysler Building (1930) in

 New York city) USA (kết cấu thép

 sử dụng hệ khung giằng cao 77 tầng)

Empire state building (1931) in New York city, USA (kết cấu thép sử dụng hệ khung giằng cao 102 tầng)

 - Hệ kết cấu khung vách chịu cắt: được tạo ra bằng sự kết hợp hệ thống khung và hệ

thống vách cứng Hệ thống vách cứng thường là các lõi thang máy, cầu thang bộ, khu vệ sinh chung hoặc ở các tường biên Hệ thống khung được bố trí tại các khu vực còn lại của ngôi nhà Hệ thống khung và vách được liên kết với nhau qua hệ kết cấu sàn Trong

trường hợp này hệ sàn liền khối có ý nghĩa rất lớn Thường trong hệ thống kết cấu này

vách được xem như các công-xon thẳng đứng đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng ngang,

hệ khung chủ yếu được thiết kế để chịu tải trọng thẳng đứng Sự phân rõ chức năng này tạo điều kiện để tối ưu hoá các cấu kiện, giảm bớt kích thước cột và dầm, đáp ứng được yêu cầu của kiến trúc

 Hệ kết cấu này tỏ ra là hệ kết cấu tối ưu cho nhiều loại công trình cao tầng Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôi nhà đến 40 tầng Nếu công trình được thiết kế cho

vùng có động đất cấp 8 thì chiều cao tối đa cho loại kết cấu này là 30 tầng, cho vùng

động đất cấp 9 là 20 tầng Thường được sử dụng cho kết cấu BTCT và hỗn hợp

07/03/2024 27

 - Khi chịu tải trọng ngang, tường xây chèn làm việc như 1 thanh chịu nén theo phương

đường chéo chịu uốn để giằng khung BTCT

 - Sự phân bố ngẫu nhiên của tải trọng ngang trong tường xây chen làm cho việc phân chia

sự làm việc của nó rất khó khăn Hơn nữa, việc phá bỏ các tường xây chen trong quá

trình sử dụng làm cho hệ khung xây chèn bị yếu đi theo chiều hướng khó kiểm soát được.07/03/2024 29

 3.5 Hệ kết cấu “dàn liên kết”

 Là một hình thức cải tiến của hệ khung

 giằng và khung vách chịu cắt

 Hệ gồm lõi cứng trung tâm và các

 “dàn liên kết” hoặc “dầm” liên kết lõi

 cứng trung tâm với các cột chu vi

 Các cột chu vi trong hầu hết các trường

 hợp được liên kết với nhau bởi các dầm

 chu vi Khi hệ chịu tải trọng ngang hệ “cột chu vi – dàn liên kết” hạn chế sự xoay của lõi trung tâm

 Hệ “dàn liên kết” và “dầm chu vi” được cấu tạo ít nhất 1 tầng và thông thường là 2 tầng tùy theo độ cứng yêu cầu Chúng thường được bố trí ở các tầng MEP để tránh tối đa sự

bất tiện trong sử dụng

 Hệ kết cấu này được dùng phổ biến cho kết cấu thép và kết cấu hỗn hợp

 US Bank Center (1974) in Milwaukee,

 USA (kết cấu thép sử dụng hệ dàn liên

 kết, cao 42 tầng)

07/03/2024 31

Petronas Twiner Tower (1998) in KL, Malaysia (kết cấu BTCT sử dụng hệ “dàn liên kết”

và khung vách chịu cắt, cao 452m (88 tầng))

 3.6 Hệ kết cấu hình ống

 - Ống khung

 - Đặc trưng cơ bản của ống khung là tận dụng khoảng cách gần nhau của các cột chu vi

được liên kết bởi các dầm chu vi sâu nên toàn bộ công trình làm việc như một công-xon lớn thẳng đứng chống mômen lật Hệ chịu tải trọng ngang rất hiệu quả cho dù có hoặc

không có cột bên trong

 - Khả năng chịu lực hiệu quả của hệ là do số lượng rất nhiều các nút cứng làm việc trên mặt biên của công trình tạo nên một ống rất lớn Ống biên sẽ chịu toàn bộ tải trọng

ngang Lực trọng trường được chia sẻ bởi ống biên và các cột trong hoặc vách (nếu có)

 - Hệ ống khung còn mang đến sự thông thoáng, tăng diện tích sử dụng cho các sàn tầng,

vì giảm thiểu hệ lõi cứng, giằng cột to Tuy nhiên do các cột chu vi khá gần nhau nên tầm nhìn từ trong ra ngoài bị hạn chế

 - Để xử lý các trường hợp này có thể dùng hệ thống các dầm chuyển lớn hoặc các cột

xiên

 - Hệ ống khung còn được dùng cho các mặt bằng hình tròn, tam giác, hình thang…

07/03/2024

07/03/2024 33

World Trade Center (1972), New York City, USA

Dewitt Chestnut Apartment Building (1964) Chicago, USA

 Ống giằng

 - Khi bổ sung các thanh giằng chéo trên bề mặt của ống, độ cứng và hiệu quả của hệ ống khung sẽ tăng lên tạo nên hệ ống giằng, có thể áp dụng cho nhà cao tầng hơn và khoảng cách các cột biên lớn hơn

 - Ống giằng là hệ chịu tải ngang tiên tiến nhờ sử dụng tối thiểu số lượng các giằng chéo trên các mặt của ống giao nhau tại cùng 1 điểm trên các cột góc

 - Các giằng chéo đảm bảo các cột chu vi cùng làm việc với nhau để chịu cả tải trọng đứng

và tải trọng ngang => tạo thành một hệ ống công-xon đứng rất cứng mà sự làm việc dưới tải trọng ngang rất giống với một ống cứng thuần túy

 - Hệ này rất phù hợp cho các công trình rất mảnh và cao với diện tích sàn rất nhỏ

 - Hệ ống giằng giảm thiểu rủi ro sự vượt quá tải trọng dọc trục do các cột góc chịu Tuy nhiên nó ít được sử dụng rộng rãi vì khó khăn trong việc thiết kế kết cấu bao che

 Hệ kết cấu hình ống này được dùng cho kết cấu thép, BTCT và kết cấu hỗn hợp

35 780 Third Avenue Building (1985) in NYC, USA (kết cấu BTCT sử

dụng hệ ống giằng cao 50 tầng)