ĐỒ ÁN Tốt Nghiệp ĐH Xây Dựng Thiết kế cơ cấu và xây dựng LAPAZ TOWER

CHAPTER I.STRUCTURAL SOLUTIONI.1 GENERAL CONCEPTI.1.1 DefinitionTrong hội thảo quốc tế tổ chức tại Moskva (1971), Ủy ban quốc tế về nhà cao tầng đã đưa ra định nghĩa: Một công trình xây dựng được xem là nhà cao tầng ở tại một vùng hay một thời kì nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường khác.Nhà cao tầng là một dạng công trình lớn và phức tạp. Thiết kế và xây dựng nhà cao tầng đòi hỏi kiến thức và kinh nghiệm, liên quan đến nhiều ngành, nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.Nhà cao tầng có một số đặc điểm sau:Số lượng tầng nhiều, tải trọng bản thân và tải trọng sử dụng lớn, công trình xây dựng trên mặt bằng diện tích nhỏ. Điều này dẫn đến các vấn đề liên quan đến nền và móng. Đa số các công trình sử dụng giải pháp móng sâu.Nhà cao tầng thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng, làm ảnh hưởng đến sự làm việc và trạng thái ứng suất biến dạng của công trình.Công trình có chiều cao lớn, tác dụng của tải trọng ngang, tải trọng lệch, của biến thiên nhiệt độ là rất đáng kể. Do đó, việc chọn giải pháp kết cấu, kích thước cấu kiện có ảnh hưởng nhiều đến độ bền, độ ổn định, tính chống lật của công trình.Sự phân bố độ cứng dọc theo chiều cao nhà ảnh hưởng đến dao động bản thân, mà dao động bản thân lại ảnh hưởng đến tác dụng của các tải trọng, nội lực, chuyển vị của chính tòa nhà. Để giảm các dao động này thì không chỉ tìm cách phân bố khối lượng hợp lý mà cần phải tìm cách giảm thiểu khối lượng tham gia dao động.Nhà cao tầng thường có điều kiện thi công phức tạp, quy trình thi công nghiêm ngặt và yêu cầu độ chính xác cao. Do vậy yêu cầu trình độ kỹ thuật, máy móc, thiết bị thi công, tổ chức thi công đều đòi hỏi cao hơn so với các công trình xây dựng thông thường khác.Về mặt sử dụng và yêu cầu sử dụng như vệ sinh môi trường, thông gió, thoát nước… đều khác xa so với các công trình khác.I.1.2 Giải pháp về hệ kết cấu chịu lựca) Các dạng kết cấu cơ bản•Kết cấu khungKết cấu khung bao gồm hệ thống cột và dầm vừa chịu tải trọng đứng vừa chịu tải trọng ngang. Loại kết cấu này có ưu điểm là có không gian lớn, bố trí mặt bằng linh hoạt, có thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu sử dụng công trình, tuy nhiên độ cứng ngang nhỏ, khả năng chống lại tác động của tải trọng ngang kém, hệ dầm thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến công năng sử dụng và tăng chiều cao nhà. Các công trình sử dụng kết cấu khung thường là những công trình có chiều cao không lớn, với khung BTCT không quá 20 tầng, với khung thép cũng không quá 30 tầng.•Kết cấu vách cứngKết cấu vách cứng là hệ thống các vách vừa chịu tải trọng đứng vừa chịu tải trọng ngang. Loại kết cấu này có độ cứng ngang lớn, khả năng chống lại tải trọng ngang lớn. Tuy nhiên, do khoảng cách của tường nhỏ nên việc sử dụng không gian mặt bằng công trình bị hạn chế. Ngoài ra kết cấu vách cứng còn có trọng lượng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất tác động lên công trình cũng lớn và đây là đặc điểm bất lợi cho công trình chịu tác động của động đất. Loại kết cấu này được sử dụng nhiều trong công trình nhà ở, công sở, khách sạn.•Kết cấu lõi cứngKết cấu lõi cứng là hệ kết cấu bao gồm 1 hay nhiều lõi được bố trí sao cho tâm cứng càng gần trọng tâm càng tốt. Các sàn được đỡ bởi hệ dầm công xôn vươn ra từ lõi cứng. •Kết cấu ốngKết cấu ống là hệ kết cấu bao gồm các cột dày đặc đặt trên toàn bộ chu vi công trình được liên kết với nhau nhờ hệ thống dầm ngang. Kết cấu ống làm việc nói chung theo sơ đồ trung gian giữa sơ đồ công xôn và sơ đồ khung. Kết cấu ống có khả năng chịu tải trọng ngang tốt, có thể sử dụng cho những công trình cao đến 60 tầng với kết cấu ống BTCT và 80 tầng với kết cấu ống thép. Nhược điểm của kết cấu loại này là các cột biên được bố trí dày đặc gây cản trở mỹ quan cũng như điều kiện thông thoáng của công trình.b) Các dạng kết cấu hỗn hợp•Kết cấu khung giằngKết cấu khung – giằng là hệ kết cấu kết hợp giữa khung và vách cứng, lấy ưu điểm của loại này bổ sung cho nhược điểm của loại kia. Công trình vừa có không gian sử dụng tương đối lớn, vừa có khả năng chống lực ngang tốt. Vách cứng trong kết cấu này có thể bố trí đứng riêng, cũng có thể lợi dụng tường thang máy, thang bộ, được sử dụng rộng rãi trong các loại công trình.•Kết cấu ống – lõi Kết cấu ống sẽ làm việc hiệu quả hơn khi bố trí thêm các lõi cứng ở khu vực trung tâm. Các lõi cứng ở khu vực trung tâm vừa chịu một lượng lớn tải trọng đứng vừa chịu một lượng lớn tải trọng ngang. Xét về độ cứng theo phương ngang thì kết cấu ống có độ cứng lớn hơn nhiều so với kết cấu khung. Lõi cứng trong ống có thể là do các tường cứng liên kết với nhau tạo thành lõi hoặc là các ống có kích thước nhỏ hơn ống ngoài. Trường hợp thứ 2 còn được gọi là kết cấu ống trong ống. Tương tác giữa ống trong và ống ngoài có đặc thù giống như tương tác giữa ống và lõi cứng trung tâm.•Kết cấu ống tổ hợp Trong một số nhà cao tầng, ngoài kết cấu ống người ta còn bố trí thêm các dãy cột khá dày ở phía trong để tạo thành các vách theo cả 2 phương. Kết quả là đã tạo ra một dạng kết cấu giống như chiếc hộp gồm nhiều ngăn có độ cứng lớn theo phương ngang. Kết cấu được tạo ra theo cách này gọi là kết cấu ống tổ hợp. Kết cấu ống tổ hợp thích hợp cho các công trình có mặt bằng lớn và chiều cao lớn. Kết cấu ống tổ hợp cũng có những nhược điểm như kết cấu ống, ngoài ra, do sự có mặt của các vách bên trong nên phần nào ảnh hưởng đến công năng sử dụng của công trình. Hình 1: Các hệ thống cấu trúc chính của nhà cao tầngI.1.3 Lựa chọn vật liệuLựa chọn vật liệu xây dựng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định giải pháp kết cấu hợp lý cho công trình. Hiện nay, trong điều kiện xây dựng nước ta, các tòa nhà cao tầng vẫn chủ yếu sử dụng bê tông cốt thép toàn khối đổ tại chỗ. Với vật liệu này, người ta thấy rằng khối lượng tham gia dao động lớn, hình dáng kiến trúc nặng nề, giải pháp móng phức tạp, khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu về kiến trúc và thi công. Trong khi đó, vật liệu thép lại có những đặc tính hết sức phù hợp có thể giải quyết tốt các vấn đề nêu trên.Đối với nhà cao tầng, nội lực trong cột là rất lớn, sử dụng khung thép sẽ có lợi hơn khung bê tông. Tính biến dạng của thép cũng vượt trội so với bêtông, nó làm tăng khả năng phân tán năng lượng của kết cấu trong quá trình dao động.Thép là vật liệu lý tưởng, đồng nhất và đẳng hướng. Tính chất này hạn chế sự tách thớ, làm giảm tiết diện cấu kiện trong quá trình chịu lực. Mặt khác cũng phù hợp với các lý thuyết tính toán của sức bền vật liệu, tránh việc sử dụng các hệ số gần đúng khi sử dụng vật liệu bêtông. Không những vậy, việc sử dụng vật liệu thép cũng đơn giản hóa đáng kể các giải pháp thi công. Các cấu kiện được chế tạo sẵn với độ chính xác cao trong nhà máy, được vận chuyển đến nơi thi công, giúp đẩy nhanh tiến độ thi công cũng như tiết kiệm vật liệu và nhân công. Bên cạnh đó, thép là loại vật liệu ít cản trở ý đồ kiến trúc, có thể tạo ra các nhịp lớn, thông thoáng. Kết cấu thép đẹp và mang tính thẩm mỹ cao.Bên cạnh đó, sử dụng vật liệu thép cũng có một số nhược điểm:Bị ăn mòn: Thép dễ bị ăn mòn trong môi trường không khí ẩm hoặc bị xâm thực. Từ sự ăn mòn cho đến phá hoại tiết diện có khi chỉ diễn ra trong vài ba năm. Chi phí bảo dưỡng kết cấu thép là khá lớn.Chịu lửa kém: Dù không cháy nhưng thép biến dạng dẻo ở nhiệt độ khoảng 5006000C, mất khả năng chịu lực và kết cấu bị sụp đổ. Đây là 2 nhược điểm lớn nhất đối với kết cấu thép. Trong quá trình thiết kế cũng như sử dụng cần hết sức lưu ý đến các nhược điểm này và tìm ra các biện pháp hợp lý để khắc phục. Hiện nay, việc sử dụng lớp bêtông chống cháy bọc ngoài kết cấu thép được sử dụng phổ biến và mang lại hiệu quả rất cao.I.2 CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU PHẦN THÂNCấu trúc một tòa nhà bao gồm hai hệ thống:Hệ thống chịu tải trọng theo phương thẳng đứng: cột, móng…Hệ thống chịu tải trọng theo phương ngang: vách, giằng…I.2.1 Hệ thống chịu tải trọng ngangĐối với công trình nhà cao tầng có chiều cao trên 40m, giải pháp hệ thống chịu tải trọng ngang hợp lý có thể là:Hệ giằnglõi.Hệ khunglõi.Hệ khung. Hình 2: Chuyển vị đỉnh của một số kết cấuI.2.2 Hệ thống chịu tải trọng đứnga) CộtCột là cấu kiện cơ bản của hệ kết cấu. Trong nhà cao tầng, cột chủ yếu chịu nén, một số trường hợp có thể có momen uốn theo một phương hoặc hai phương. Việc chọn tiết diện cột không chỉ căn cứ vào yêu cầu chịu lực mà còn vào khả năng gia công, chế tạo, cũng như cách liên kết các cấu kiện khác vào cột để đạt hiệu quả chịu lực tốt nhất, tiết kiệm không gian, giá thành rẻ nhất.Một số dạng cột thường được sử dụng trong nhà cao tầng:Cột bê tông cốt thép đổ tại chỗ: Đây là loại cột được sử dụng nhiều trong thi công xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam. Ưu điểm của loại cột này là chịu được tải trọng nén lớn, chi phí rẻ, tận dụng được vật liệu địa phương. Nhược điểm là thời gian thi công lâu, không gian chiếm chỗ lớn.Cột bê tông cốt thép tiền chế: Ưu điểm của loại cột này là thời gian thi công nhanh hơn so với cột bê tông cốt thép đổ tại chỗ. Tuy nhiên nhược điểm là đòi hỏi độ chính xác cao, khó sửa chữa, tạo kiến trúc.Cột thép: Đây là loại cột có nhiều đặc điểm phù hợp cho nhà cao tầng: chịu tải trọng lớn, không gian chiếm chỗ nhỏ. Thông thường nhà cao tầng thường dùng cột thép đặc tổ hợp hàn. Một số dạng tiết diện cột thép thường sử dụng như: tiết diện chữ thập,chữ I, dạng tròn, vuông… Hình 3: Một số dạng tiết diện cột thép thường gặpNgoài ra còn có cột liên hợp bê tông cốt thép. Đây là loại kết cấu cho khả năng chịu tải trọng lớn, có nhiều ưu điểm trong xây dựng nhà cao tầng, tuy nhiên chưa được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam.b) SànNếu bản sàn được chọn quá mỏng sẽ không đảm bảo về độ cứng chống uốn, độ võng quá giới hạn cho phép. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc sử dụng, mỹ quan hay cách âm cách nhiệt của công trình.Việc sử dụng bản sàn trong khung thép nhà cao tầng cũng rất đa dạng:Sàn composite (sàn liên hợp Thép – Bêtông): gồm các tấm tôn hình dập nguội và tấm đan bằng bêtông cốt thép. Chiều dày sàn liên hợp dao động trong khoảng 10 đến 40cm. Kết cấu như vậy sẽ tương đối nhẹ, có ảnh hưởng tích cực đến sự chịu lực của khung và của móng công trình. Hơn nữa tấm tôn trong kết cấu mang lại nhiều hiệu quả: nó đóng vai trò sàn công tác trong quá trình thi công, đóng vai trò cốp pha khi đổ bê tông và là cốt thép lớp dưới của bản sàn khi làm việc. Ngoài ra cấu kện sàn liên hợp dễ gia công,vận chuyển, lắp ráp đơn giản, tốc độ thi công nhanh, phong tỏa tốt, có khả năng chịu lửa đến 2h không cần lớp bảo vệ và đặc biệt 4h nếu có thêm lớp phòng cháy. Hình 4: Cấu trúc sàn liên hợpSàn BTCT lắp ghép: Các tấm panel sàn đúc sẵn thường có nhịp từ 68m, vì thế sẽ giảm đáng kể số lượng dầm đõ. Biện pháp thi công các tấm sàn này cũng khá đơn giản. Tuy thế sàn dạng này thường nặng nề, làm tăng khối lượng tham gia dao động công trình, khó khăn trong quá trình vận chuyển cấu kiện. Để giảm bớt khối lượng của các tấm sàn dạng này, nên dùng các panel rộng hoặc sử dụng ứng suất trước.Sàn BTCT đổ tại chỗ: Loại sàn này dễ đảm bảo tính toàn khối của sàn và hệ dầm thép. Tuy nhiên, nhịp bản sàn thường không lớn, không đảm bảo được yêu cầu về mặt kiến trúc. Hơn nữa khối lượng của chúng cũng khá lớn. Hình 5: Khă năng vượt nhịp của bản sànc) DầmDầm chủ yếu chịu uốn và cắt. Lực dọc chỉ xuất hiện khi công trình chịu tải trọng ngang và thường khá bé. Dầm phải truyền các tác dụng của cả tải trọng đứng và tải trọng ngang đến các kết cấu thẳng đứng chịu lực.Khi nhịp nhỏ hơn 12m có thể dùng dầm thép tiết diện chữ I cán nóng hoặc tổ hợp hàn. Ngoài ra cũng có thể kết hợp với bản sàn BTCT để tạo thành hệ dầm sàn liên hợp BTCT.Khi nhịp lớn hơn 12m và tải trọng đứng nhỏ ta có thể dùng các dầm cao thành có khoét lỗ bụng dầm hoặc dùng dàn. Hình 6: Một số dạng tiết diện dầmd) MóngĐối với nhà cao tầng nội lực tại chân cột là rất lớn. Do đó, giải pháp móng sâu là bắt buộc.Có 3 loại móng sâu thường gặp trong xây dựng nhà cao tầng:Cọc đóng.Cọc ép.Cọc khoan nhồi.I.3 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU

CHAPTER I STRUCTURAL SOLUTIONI.1 GENERAL CONCEPT

I.1.1 Definition

Trong hội thảo quốc tế tổ chức tại Moskva (1971), Ủy ban quốc tế về nhà cao tầng đã đưa

ra định nghĩa: Một công trình xây dựng được xem là nhà cao tầng ở tại một vùng hay một thời kì nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường khác

Nhà cao tầng là một dạng công trình lớn và phức tạp Thiết kế và xây dựng nhà cao tầng đòi hỏi kiến thức và kinh nghiệm, liên quan đến nhiều ngành, nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau

Nhà cao tầng có một số đặc điểm sau:

 Số lượng tầng nhiều, tải trọng bản thân và tải trọng sử dụng lớn, công trình xây dựng trên mặt bằng diện tích nhỏ Điều này dẫn đến các vấn đề liên quan đến nền

và móng Đa số các công trình sử dụng giải pháp móng sâu

 Nhà cao tầng thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng, làm ảnh hưởng đến sự làm việc và trạng thái ứng suất biến dạng của công trình

 Công trình có chiều cao lớn, tác dụng của tải trọng ngang, tải trọng lệch, của biến thiên nhiệt độ là rất đáng kể Do đó, việc chọn giải pháp kết cấu, kích thước cấu kiện có ảnh hưởng nhiều đến độ bền, độ ổn định, tính chống lật của công trình

 Sự phân bố độ cứng dọc theo chiều cao nhà ảnh hưởng đến dao động bản thân, mà dao động bản thân lại ảnh hưởng đến tác dụng của các tải trọng, nội lực, chuyển vị của chính tòa nhà Để giảm các dao động này thì không chỉ tìm cách phân bố khối lượng hợp lý mà cần phải tìm cách giảm thiểu khối lượng tham gia dao động

 Nhà cao tầng thường có điều kiện thi công phức tạp, quy trình thi công nghiêm ngặt và yêu cầu độ chính xác cao Do vậy yêu cầu trình độ kỹ thuật, máy móc, thiết

bị thi công, tổ chức thi công đều đòi hỏi cao hơn so với các công trình xây dựng thông thường khác

 Về mặt sử dụng và yêu cầu sử dụng như vệ sinh môi trường, thông gió, thoát nước… đều khác xa so với các công trình khác

I.1.2 Giải pháp về hệ kết cấu chịu lực

a) Các dạng kết cấu cơ bản

 Kết cấu khung

Kết cấu khung bao gồm hệ thống cột và dầm vừa chịu tải trọng đứng vừa chịu tải trọng

đáp ứng đầy đủ yêu cầu sử dụng công trình, tuy nhiên độ cứng ngang nhỏ, khả năng chống lại tác động của tải trọng ngang kém, hệ dầm thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến công năng sử dụng và tăng chiều cao nhà Các công trình sử dụng kết cấu khung thường là những công trình có chiều cao không lớn, với khung BTCT không quá

20 tầng, với khung thép cũng không quá 30 tầng

 Kết cấu vách cứng

Kết cấu vách cứng là hệ thống các vách vừa chịu tải trọng đứng vừa chịu tải trọng ngang Loại kết cấu này có độ cứng ngang lớn, khả năng chống lại tải trọng ngang lớn Tuy nhiên, do khoảng cách của tường nhỏ nên việc sử dụng không gian mặt bằng công trình bịhạn chế Ngoài ra kết cấu vách cứng còn có trọng lượng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất tác động lên công trình cũng lớn và đây là đặc điểm bất lợi cho công trình chịu tác động của động đất Loại kết cấu này được sử dụng nhiều trong công trình nhà ở, công sở, khách sạn

80 tầng với kết cấu ống thép Nhược điểm của kết cấu loại này là các cột biên được bố trí dày đặc gây cản trở mỹ quan cũng như điều kiện thông thoáng của công trình

b) Các dạng kết cấu hỗn hợp

 Kết cấu khung - giằng

Kết cấu khung – giằng là hệ kết cấu kết hợp giữa khung và vách cứng, lấy ưu điểm của loại này bổ sung cho nhược điểm của loại kia Công trình vừa có không gian sử dụng tương đối lớn, vừa có khả năng chống lực ngang tốt Vách cứng trong kết cấu này có thể

bố trí đứng riêng, cũng có thể lợi dụng tường thang máy, thang bộ, được sử dụng rộng rãi

lớn hơn nhiều so với kết cấu khung Lõi cứng trong ống có thể là do các tường cứng liên kết với nhau tạo thành lõi hoặc là các ống có kích thước nhỏ hơn ống ngoài Trường hợp thứ 2 còn được gọi là kết cấu ống trong ống Tương tác giữa ống trong và ống ngoài có đặc thù giống như tương tác giữa ống và lõi cứng trung tâm.

 Kết cấu ống tổ hợp

Trong một số nhà cao tầng, ngoài kết cấu ống người ta còn bố trí thêm các dãy cột khá dày ở phía trong để tạo thành các vách theo cả 2 phương Kết quả là đã tạo ra một dạng kết cấu giống như chiếc hộp gồm nhiều ngăn có độ cứng lớn theo phương ngang Kết cấu được tạo ra theo cách này gọi là kết cấu ống tổ hợp Kết cấu ống tổ hợp thích hợp cho các công trình có mặt bằng lớn và chiều cao lớn Kết cấu ống tổ hợp cũng có những nhược điểm như kết cấu ống, ngoài ra, do sự có mặt của các vách bên trong nên phần nào ảnh hưởng đến công năng sử dụng của công trình

Hình 1: Các hệ thống cấu trúc chính của nhà cao tầng

I.1.3 Lựa chọn vật liệu

Lựa chọn vật liệu xây dựng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định giải pháp kết cấu hợp lý cho công trình Hiện nay, trong điều kiện xây dựng nước ta, các tòa nhà cao tầng vẫn chủ yếu sử dụng bê tông cốt thép toàn khối đổ tại chỗ Với vật liệu này, người ta thấy rằng khối lượng tham gia dao động lớn, hình dáng kiến trúc nặng nề, giải pháp móngphức tạp, khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu về kiến trúc và thi công Trong khi đó, vật liệu thép lại có những đặc tính hết sức phù hợp có thể giải quyết tốt các vấn đề nêu

Đối với nhà cao tầng, nội lực trong cột là rất lớn, sử dụng khung thép sẽ có lợi hơn khung

Không những vậy, việc sử dụng vật liệu thép cũng đơn giản hóa đáng kể các giải pháp thi công Các cấu kiện được chế tạo sẵn với độ chính xác cao trong nhà máy, được vận

chuyển đến nơi thi công, giúp đẩy nhanh tiến độ thi công cũng như tiết kiệm vật liệu và nhân công Bên cạnh đó, thép là loại vật liệu ít cản trở ý đồ kiến trúc, có thể tạo ra các nhịp lớn, thông thoáng Kết cấu thép đẹp và mang tính thẩm mỹ cao

Bên cạnh đó, sử dụng vật liệu thép cũng có một số nhược điểm:

 Bị ăn mòn: Thép dễ bị ăn mòn trong môi trường không khí ẩm hoặc bị xâm thực

Từ sự ăn mòn cho đến phá hoại tiết diện có khi chỉ diễn ra trong vài ba năm Chi phí bảo dưỡng kết cấu thép là khá lớn

 Chịu lửa kém: Dù không cháy nhưng thép biến dạng dẻo ở nhiệt độ khoảng 6000C, mất khả năng chịu lực và kết cấu bị sụp đổ

500-Đây là 2 nhược điểm lớn nhất đối với kết cấu thép Trong quá trình thiết kế cũng như sử dụng cần hết sức lưu ý đến các nhược điểm này và tìm ra các biện pháp hợp lý để khắc phục Hiện nay, việc sử dụng lớp bêtông chống cháy bọc ngoài kết cấu thép được sử dụng phổ biến và mang lại hiệu quả rất cao

I.2 CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU PHẦN THÂN

Cấu trúc một tòa nhà bao gồm hai hệ thống:

 Hệ thống chịu tải trọng theo phương thẳng đứng: cột, móng…

 Hệ thống chịu tải trọng theo phương ngang: vách, giằng…

I.2.1 Hệ thống chịu tải trọng ngang

Đối với công trình nhà cao tầng có chiều cao trên 40m, giải pháp hệ thống chịu tải trọng

Hình 2: Chuyển vị đỉnh của một số kết cấu

I.2.2 Hệ thống chịu tải trọng đứng

a) Cột

Cột là cấu kiện cơ bản của hệ kết cấu Trong nhà cao tầng, cột chủ yếu chịu nén, một số trường hợp có thể có momen uốn theo một phương hoặc hai phương Việc chọn tiết diện cột không chỉ căn cứ vào yêu cầu chịu lực mà còn vào khả năng gia công, chế tạo, cũng như cách liên kết các cấu kiện khác vào cột để đạt hiệu quả chịu lực tốt nhất, tiết kiệm không gian, giá thành rẻ nhất

Một số dạng cột thường được sử dụng trong nhà cao tầng:

 Cột bê tông cốt thép đổ tại chỗ: Đây là loại cột được sử dụng nhiều trong thi công xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam Ưu điểm của loại cột này là chịu được tải trọngnén lớn, chi phí rẻ, tận dụng được vật liệu địa phương Nhược điểm là thời gian thi công lâu, không gian chiếm chỗ lớn

 Cột bê tông cốt thép tiền chế: Ưu điểm của loại cột này là thời gian thi công nhanh hơn so với cột bê tông cốt thép đổ tại chỗ Tuy nhiên nhược điểm là đòi hỏi độ chính xác cao, khó sửa chữa, tạo kiến trúc.

 Cột thép: Đây là loại cột có nhiều đặc điểm phù hợp cho nhà cao tầng: chịu tải trọng lớn, không gian chiếm chỗ nhỏ Thông thường nhà cao tầng thường dùng cột thép đặc tổ hợp hàn Một số dạng tiết diện cột thép thường sử dụng như: tiết diện chữ thập,chữ I, dạng tròn, vuông…

Hình 3: Một số dạng tiết diện cột thép thường gặpNgoài ra còn có cột liên hợp bê tông cốt thép Đây là loại kết cấu cho khả năng chịu tải trọng lớn, có nhiều ưu điểm trong xây dựng nhà cao tầng, tuy nhiên chưa được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam

b) Sàn

Nếu bản sàn được chọn quá mỏng sẽ không đảm bảo về độ cứng chống uốn, độ võng quá giới hạn cho phép Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc sử dụng, mỹ quan hay cách âm cách nhiệt của công trình

Việc sử dụng bản sàn trong khung thép nhà cao tầng cũng rất đa dạng:

cốp pha khi đổ bê tông và là cốt thép lớp dưới của bản sàn khi làm việc Ngoài ra cấu kện sàn liên hợp dễ gia công,vận chuyển, lắp ráp đơn giản, tốc độ thi công nhanh, phong tỏa tốt, có khả năng chịu lửa đến 2h không cần lớp bảo vệ và đặc biệt4h nếu có thêm lớp phòng cháy.

Hình 4: Cấu trúc sàn liên hợp

 Sàn BTCT lắp ghép: Các tấm panel sàn đúc sẵn thường có nhịp từ 6-8m, vì thế sẽ giảm đáng kể số lượng dầm đõ Biện pháp thi công các tấm sàn này cũng khá đơn giản Tuy thế sàn dạng này thường nặng nề, làm tăng khối lượng tham gia dao động công trình, khó khăn trong quá trình vận chuyển cấu kiện Để giảm bớt khối lượng của các tấm sàn dạng này, nên dùng các panel rộng hoặc sử dụng ứng suất trước

 Sàn BTCT đổ tại chỗ: Loại sàn này dễ đảm bảo tính toàn khối của sàn và hệ dầm thép Tuy nhiên, nhịp bản sàn thường không lớn, không đảm bảo được yêu cầu về mặt kiến trúc Hơn nữa khối lượng của chúng cũng khá lớn

Hình 5: Khă năng vượt nhịp của bản sàn

c) Dầm

Dầm chủ yếu chịu uốn và cắt Lực dọc chỉ xuất hiện khi công trình chịu tải trọng ngang

và thường khá bé Dầm phải truyền các tác dụng của cả tải trọng đứng và tải trọng ngang đến các kết cấu thẳng đứng chịu lực

Khi nhịp nhỏ hơn 12m có thể dùng dầm thép tiết diện chữ I cán nóng hoặc tổ hợp hàn Ngoài ra cũng có thể kết hợp với bản sàn BTCT để tạo thành hệ dầm sàn liên hợp BTCT.Khi nhịp lớn hơn 12m và tải trọng đứng nhỏ ta có thể dùng các dầm cao thành có khoét lỗbụng dầm hoặc dùng dàn

I.3 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU

Sơ đồ kết cấu: sơ đồ khung – giằng: khung thép liên kết với lõi BTCT

Cột: Cột thép tổ hợp liên tục tiết diện chữ I

Dầm: Dầm thép tổ hợp tiết diện chữ I liên kết khớp với cột

Sàn: Sàn liên hợp thép - bê tông

Móng: Móng cọc khoan nhồi BTCT

CHAPTER I MẶT BẰNG KẾT CẤU VÀ LỰA CHỌN SƠ BỘ KÍCH

THƯỚC CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CHÍNHII.1 VẬT LIỆU DÙNG TRONG TÍNH TOÁN

II.1.1 Vật liệu thép cho cột, dầm

Đối với cấu kiện cột, do lực nén lớn nên cần chọn mác thép cao có cường độ lớn Ta chọn mác thép CCT52 có các đặc trưng vật lý và cơ học như sau:

 Cường độ tiêu chuẩn: f 340 /N mm2 (với bản thép có t�20mm ).

f 330 /N mm2 (với bản thép có 20  �t 40mm ).

Đối với dầm, giằng, chọn thép mác CCT42 với các cường độ đặc trưng như sau:

 Cường độ tiêu chuẩn: f 245 /N mm2 (với bản thép có t�20mm ).

 Cường độ tính toán chịu nén dọc trục: R b 17MPa

 Cường độ tính toán chịu kéo dọc trục: R bt 1, 2MPa

 Môđun đàn hồi của bê tông được xác định theo điều kiện bê tông nặng trong điều kiện đóng rắn tự nhiên, với B30 thì E b 3, 25.104MPa

Thép dùng cho cấu kiện BTCT: sử dụng thép AIII có:

 Cường độ chịu kéo R s 365MPa

 Cường độ tính toán R sc 365MPa

 Sàn liên hợp thép - bê tông

TL riêng (kN/m3)

TT tiêu chuẩn (kN/m2

Hệ số vượt tải

TT tính toán (kN/m2)

STT Các lớp sàn Chiều dày

(mm)

TL riêng (kN/m3)

TT tiêu chuẩn (kN/m2)

Hệ số vượt tải

TT tính toán (kN/m2)

Hệ số vượt tải

TT tính toán (kN/m2)

TT tiêu chuẩn (kN/m2

Hệ số vượt tải

TT tính toán (kN/m2)

STT Các lớp sàn Chiều

dày (mm)

TL riêng (kN/m3)

TT tiêu chuẩn (kN/m2

Hệ số vượt tải

TT tính toán (kN/m2)

Tải trọng tiêu chuẩn (daN/m2)

Hệ số vượt tải

TT tính toán (daN/m2)

1 2 lớp vữa trát

Bảng 7: Tĩnh tải tường xây 110

 Tải trọng xây tường 220

STT Lớp Chiều dày

(mm)

TL riêng (daN/m3)

Tải trọng tiêu chuẩn (daN/m2)

Hệ số vượt tải

TT tính toán (daN/m2)

Xác định áp lực gió tiêu chuẩn:

Căn cứ vào vị trí xây dựng công trình: quận Hải Châu, tp Đà Nẵng

Căn cứ vào tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995 về tải trọng và tác động (tiêu chuẩn thiết kế)

Ta có: Địa điểm xây dựng thuộc vùng gió IIB có W0=95daN/m2

Căn cứ vào độ cao công trình, các tiêu chuẩn thiết kế, công trình có độ cao trên 40m nên ngoài phần tĩnh của gió, xét đến thành phần động của gió, ta lần lượt đi xác định các đại lượng này

Giá trị tính toán của thành phần tĩnh của tải trọng gió tĩnh tác dụng phân bố đều trên một đơn vị diện tích được xác định theo công thức sau:

Wtt n.W K C

Trong đó:

 n: hệ số vượt tải của tải trọng gió, n=1.2

 W0: Giá trị áp lực gió tiêu chuẩn lấy theo bản đồ phân vùng áp lực gió

Tải trọng gió thay đổi theo chiều cao dạng bậc thang Tuy nhiên để đơn giản tính toán, ta xét tải trọng gió không đổi trong giới hạn từ hai nửa tầng liền kề với mức sàn tương ứng.Giá trị áp lực của tải trọng gió phân bố đều trên một đơn vị chiều dài được xác định theo công thức sau:

Wtt W (h1 h 2) / 2tt Trong đó:

h1 và h2 là chiều cao 2 tầng nhà trên và dưới của sàn đang xét

tầng

Dạng

địa hình

Chiều cao tầng (m) Độ cao Z(m) đón gió XChiều dài Chiều dàiđón gió Y Hệ số K Wt,đẩy(KG/m2) Wt,hút(KG/m2)

Tổng tải trọng gió X (T)

Tổng tải trọng gió Y (T)

b)Thành phần gió động

II.3 CHỌN SƠ BỘ KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KIỆN II.3.1 Mặt bằng bố trí cấu kiện

mÆt b» ng v Þ tr Ý dÇm tÇng HAM 1

mÆt b» ng vÞ tr Ý dÇm tÇng 1

mÆt b» ng vÞ tr Ý dÇm tÇng 2

mÆt b» n g vÞ tr Ý d Çm tÇn g 3-16

mÆt b» ng tÇng m¸ i

II.3.3 Kích thước sàn liên hợp

 Chiều cao sàn liên hợp xác định theo công thức:

Đặc trưng của tôn sóng :

 Chiều cao tấm tôn h p = 60 (mm); chiều cao giữa 2 mặt phẳng trung bình trên và dưới là 59 mm

 Tấm tôn có chiều dày là 0.9 mm; giới hạn đàn hồi f γp = f y = 330 N/mm2.

 Chiều dày thô của tôn sóng là 0.9 mm, được phủ hai mặt bằng lớp kẽm là 275 g/m2; như vậy chiều dày tinh của tấm tôn là 0.86 mm

 Đặc trưng của tấm tôn trên 1m chiều rộng :

 Diện tích hữu hiệu, không kể phần gân ở bụng Ap = 810 mm2/m

 Khoảng cách từ trọng tâm đến mặt dưới zG = 35.64 mm

 fck : cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu hình trụ ở tuổi 28 ngày

 fctm : cường độ chịu kéo trung bình ở tuổi 28 ngày

 fcm : cường độ trung bình chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày

 fctk; 0.05 : giá trị dưới của sức bền đặc trưng khi kéo

 Ecm : môđun đàn hồi cát tuyến có kể đến ảnh hưởng của tác động ngắn hạn

Trọng lượng bản thân của bản:

 Tôn định hình Gap = 0.96 kN/m2

Trọng lượng bản thân của vữa bê tông:

II.3.4 Chọn tiết diện cột

Cột chịu nén đúng tâm 2 đầu khớp Sơ đồ tính

 

Trong đó:

 N: là lực dọc sơ bộ

 � : hệ số uốn dọc.

 f : là cường độ tính toán của thép cột

 γ c : hệ số điều kiện làm việc, γ c =1

 q: tải trọng sơ bộ tác dụng lên diện chịu tải của cột (T/m2)

Hệ số uốn dọc được xác định theo độ mảnh giả thiết Với gt �  120 Cột dài 5÷6 (m) có thể lấy:

 gt = 100÷120 khi N nhỏ ; N ≤1500 kN

 gt = 70÷100 khi N = 1500÷3000 kN

 gt = 50÷70 khi N = 3000÷4000 kN

 gt = 40÷50 khi N ≥4000 kN

Theo yêu cầu cấu tạo có h≥b; thường lấy h �1 1,15�b; t f  �8 40(mm); t w  �6 16 mm .

Chiều dày bản cánh và bản bụng được chọn phải thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ:

 Điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng (bản bụng cột chịu lực cắt V tác dụng vào cột):

w t

h t h

phải đặt các sườn ngang cách nhau a2,5 3� � h w để gia cường bụng

cột không bị mất ổn định cục bộ dưới tác dụng của ứng suất tiếp

 Điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh cột (bản cánh cột chịu lực dọc N tác dụng vào cột):

t b t

f

w f

phụ thuộc độ mảnh qui ước  và hình dáng tiết diện cột.

Liên kết cánh và bụng cột tổ hợp chịu lực cắt V của cột sinh ra do uốn dọc (cột chịu tác dụng của momen uốn Mx quay quanh trục x-x; lực cắt V vuông góc với trục x-x và lực dọc N) Khi cột chịu uốn, bản cánh cột có xu hướng trượt tương đối so với bản bụng cột; đường hàn liên kết bản cánh với bản bụng phải chịu lực trượt đó, không cho chúng trượt tương đối với nhau

Gọi T là lực trượt trên 1 đơn vị chiều dài dầm thì

.

w x

( là ứng suất tiếp gây ra

bởi lực cắt V) Chiều cao cần thiết của đường hàn

S

V

 S f- momen tĩnh đối với trục trung hòa x-x của phần tiết diện bị trượt; với dầm hàn

là của tiết diện một bản cánh

Đường hàn liên kết cánh và bụng cột phải hàn liên tục trên suốt chiều dài cột với chiều cao được xác định theo công thức trên Chiều cao lớn nhất của đường hàn góc h f phải tuân theo điều kiện h f �1, 2.tmin

trong đó tmin min( ; )t t f w Chiều cao nhỏ nhất của đường

6 - 10(mm)

11 - 16(mm)

17 - 22(mm)

23 - 32(mm)

33 - 40(mm)

41 - 80(mm)

 Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn mái đã nhân với hệ số vượt tải là 5,491kN m/ 2

 Trọng lượng bản thân sàn liên hợp là 2,943kN m/ 2

 Tải trọng vách ngăn kính trong phòng đã nhân với hệ số vượt tải là 0,462kN m/ 2

 Tải trọng tường ngăn 110 trong phòng căn hộ đã nhân với hệ số vượt tải là 2,96

 Hoạt tải sàn văn phòng là 2kN m/ 2

 Hoạt tải sàn căn hộ là 1,75 kN m/ 2

 Hoạt tải sàn mái là 0,75kN m/ 2

Hệ số vượt tải của tĩnh tải là 1,3 và của hoạt tải là 1,2

=> Tải trọng phân bố sơ bộ tác dụng lên cột :

2

q=(5.851+5.12)×1+(2.943×1.3+0.948+2×1.2)×2+(2.943×1.3+1.058+1.75×1.2)×15+ +(5.491+0.75×1.2+2.943×1.3)

=142.93(kN/m )

Tải trọng do vách kính và tường xây tác dụng lên cột:

(0.462 4.5 2 5.14 3.4 15) (8.3 9.6) 4766.73( )

Hình 9: Diện tích truyền tải cột C1 trục 2 ( tầng hầm, tầng 1, 2)Diện tích chịu tải:

2(1.65 2.875) 6 3.6 2.875 4.91 3.725 55.79(m )

y y y

l i

�Điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng

w t

h t h

f o

 Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn mái đã nhân với hệ số vượt tải là 5,491kN m/ 2

 Trọng lượng bản thân sàn liên hợp là 2,943kN m/ 2

 Tải trọng vách ngăn kính trong phòng đã nhân với hệ số vượt tải là 0,462kN m/ 2

 Tải trọng tường ngăn 110 trong phòng căn hộ đã nhân với hệ số vượt tải là 2,96

 Hoạt tải sàn văn phòng là 2kN m/ 2

 Hoạt tải sàn căn hộ là 1,75 kN m/ 2

2

Hệ số vượt tải của tĩnh tải là 1,3 và của hoạt tải là 1,2

=> Tải trọng phân bố sơ bộ tác dụng lên cột :

2

q=(5.851+5.12)×1+(2.943×1.3+0.948+2×1.2)×2+(2.943×1.3+1.058+1.75×1.2)×15+ +(5.491+0.75×1.2+2.943×1.3)

=142.93(kN/m )

Tải trọng do vách kính và tường xây tác dụng lên cột:

(0.462 4.5 2 5.14 3.4 15) (4.4 6.6) 2929.29( )

142.93 29.04 2929.29 7079.98(kN)

Giả thiết độ mảnh 40 , thép CCT52 có f 330( /N mm2) , có hệ số dọc  0.871 Vậy diện tích cột yêu cầu là:

y y y

l i

�Điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng

w t

h t h

w

- bản bụng không phải đặt sườn ngang

Điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh

f o

 Tải trọng tường ngăn 220 trong phòng căn hộ đã nhân với hệ số vượt tải là 5,14

2

/

 Hoạt tải sàn tầng hầm là 5kN m/ 2

 Hoạt tải sàn văn phòng là 2kN m/ 2

 Hoạt tải sàn căn hộ là 1,75 kN m/ 2

 Hoạt tải sàn mái là 0,75kN m/ 2

Hệ số vượt tải của tĩnh tải là 1,3 và của hoạt tải là 1,2

=> Tải trọng phân bố sơ bộ tác dụng lên cột :

Hình 11: Diện tích truyền tải cột C1 trục 2 ( tầng hầm, tầng 1, 2)Diện tích chịu tải:

26.275 2.6 16.315(m )

y y y

l i

�Điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng

w t

h t h