Kết cấu thép còn ít được ứng dụng trong nhà cao tầng ở Việt Nam do giá thành cao, tuy nhiên trên thế giới đã được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm, trong đó nổi trội là khả năng chịu lực rất lớn, tốc độ xây dựng nhanh hơn kết cấu bê tông thông thường khoảng 3 lần, khả năng chịu tải trọng động đất tốt hơn nhiều so với kết cấu bê tông cốt thép. Vì thế có thể nói, kết cấu thép vẫn là tương lai của nhà cao tầng Việt Nam.
Trang 1(DÀNH CHO SINH VIÊN HỆ TÍN CHỈ)
VŨ HUY HOÀNG, NGUYỄN DANH HOÀNG
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
KHOA XÂY DỰNG
BỘ MÔN KẾT CẤU THÉP GỖ -o0o -
TÀI LIỆU THAM KHẢO KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG
CHỈ ĐẠO BIÊN SOẠN: PGS TS VŨ QUỐC ANH
NHÓM BIÊN SOẠN: THS VŨ HUY HOÀNG
NHÓM PHẢN BIỆN: PGS TS ĐOÀN TUYẾT NGỌC
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN
PGS TS VŨ QUỐC ANH
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU Đầu thế kỷ 20 chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội của Việt Nam Theo quy luật phát triển chung, các đô thị của Việt Nam, đặc biệt là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, liên tục phát triển và mở rộng, dân số tăng nhanh, bao gồm cả
cư dân thường trú và tạm trú Mật độ dân số không đồng đều, tập trung vào các khu trung tâm nơi hoạt động thương mại phát triển nhất Đất đai trở nên khan hiếm, giá trị đất tăng cao làm xuất hiện nhu cầu sử dụng hết hiệu năng của đất Một loạt các nhà cao tầng được xây dựng để phục vụ nhu cầu này
Thời kỳ đầu do chưa có kinh nghiệm, các nhà cao tầng có số tầng rất hạn chế, chỉ trên dưới 10 tầng, kết cấu chủ yếu bằng bê tông cốt thép mác không cao Hiện nay, khả năng chế tạo và quản lý chất lượng bê tông tốt hơn, mác bê tông 400 đến 500 trở nên thông dụng, các kỹ sư đã vươn lên thiết kế và thi công những công trình từ 30 đến 40 tầng, thậm chí đã có những công trình vượt trội như tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark Tower tại Hà Nội cao 72 tầng, tòa nhà Bitexco Financial Tower tại thành phố Hồ Chí Minh cao 68 tầng
Kết cấu thép còn ít được ứng dụng trong nhà cao tầng ở Việt Nam do giá thành cao, tuy nhiên trên thế giới đã được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm, trong đó nổi trội là khả năng chịu lực rất lớn, tốc độ xây dựng nhanh hơn kết cấu bê tông thông thường khoảng 3 lần, khả năng chịu tải trọng động đất tốt hơn nhiều so với kết cấu bê tông cốt thép Vì thế có thể nói, kết cấu thép vẫn là tương lai của nhà cao tầng Việt Nam
Mặc dù Việt Nam chưa có tiêu chuẩn riêng cho nhà cao tầng bằng thép, nhưng đã
có nhiều tiêu chuẩn liên quan như TCVN 5575 : 2012 dùng để thiết kế kết cấu thép nói chung, TCVN 2737 : 1995 và TCVN 9386 : 2012 hướng dẫn tính toán tải trọng phi động đất và tải trọng động đất cũng như các yêu cầu tính toán, cấu tạo bổ sung với các loại kết cấu được thiết kế kháng chấn, trong đó có kết cấu thép Tuy vậy, chỉ sử dụng các tiêu chuẩn chung trên để thiết kế nhà cao tầng sẽ gặp nhiều khó khăn do nội dung phân tán ở nhiều nơi Cần phải có một tài liệu chỉ dẫn cho nhà cao tầng bằng thép để hướng dẫn trình tự thiết kế, chắt lọc tiêu chuẩn, sắp xếp, tập trung lại đồng thời giải thích các nội dung còn chưa rõ ràng trong tiêu chuẩn Nhưng, hiện nay chưa có tài liệu như vậy
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã giảng dạy kết cấu nhà cao tầng trong nhiều năm Trước đây, nội dung này là một phần của môn học Kết cấu thép 2, sử dụng tài liệu chung, khi giảng dạy chỉ mang tính giới thiệu Sau nhiều lần sửa đổi chương trình học, Kết cấu thép nhà cao tầng đã được tách riêng thành môn học chuyên đề, tính độc lập cao hơn, mục tiêu môn học được nâng lên từ cung cấp kiến thức chung về nhà cao tầng trở
Trang 4Để đáp ứng nhu cầu đó, nhóm tác giả đã biên soạn tài liệu Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng, chủ yếu phục vụ cho sinh viên hệ chính quy chuyên ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp, tuy nhiên, các chuyên ngành khác vẫn có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo Bài giảng đã trình bày hầu hết các vấn đề về tính toán và cấu tạo của nhà cao tầng bằng thép, nội dung còn chưa đề cập bao gồm chống cháy, giảm chấn cho nhà cao tầng sẽ được xem xét trong lần xuất bản sau Hiện nay hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam đang được xây dựng dựa hai nguồn tiêu chuẩn khác nhau là hệ thống tiêu chuẩn của Nga (như TCVN 2737 : 1995 và TCVN 5575 : 2012) và hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu (TCVN
9368 : 2012) nên còn thiếu tính đồng bộ Nhóm tác giả đã cố gắng dung hòa các tiêu chuẩn và tham khảo các tài liệu khác để biên soạn được một giáo trình phù hợp nhất, tuy nhiên vẫn không thể tránh được thiếu sót Chúng tôi mong muốn có nhiều sự đóng góp chân thành từ độc giả để những lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm tác giả
Trang 5MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
MỤC LỤC 3
MỤC LỤC BẢNG TRA 7
BẢNG TRA PHỤ LỤC 9
THÔNG TIN CHUNG VỀ HỌC PHẦN 11
BÀI 1 - ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (1 tiết) 12
1.1 Lịch sử phát triển nhà cao tầng 12
1.2 Định nghĩa và phân loại 31
1.2.1 Định nghĩa 31
1.2.2 Phân loại 32
1.3 Những đặc điểm cơ bản của kết cấu nhà cao tầng 36
1.4 Ưu nhược điểm của kết cấu nhà cao tầng bằng thép 38
1.5 Giới thiệu một số nhà cao tầng sử dụng kết cấu thép trong và ngoài nước 40 1.6 Trình tự thiết kế kết cấu của một công trình cao tầng bằng thép 50
BÀI 2 - NGUYÊN LÝ VÀ GIẢI PHÁP KẾT CẤU THÉP CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG (4 tiết) 54
2.1 Các dạng sơ đồ chịu lực 54
2.1.1 Cấu kiện cơ bản 54
2.1.2 Các hệ kết cấu chịu lực 55
2.1.3 Các sơ đồ kết cấu chịu lực 56
2.2 Nguyên lý cơ bản trong bố trí kết cấu 59
2.2.1 Bố trí kết cấu trên mặt bằng 59
2.2.2 Tổ hợp kết cấu theo phương đứng 65
2.2.3 Nguyên lý thiết kế chống động đất 68
2.3 Vật liệu 74
2.3.1 Tiêu chí chọn vật liệu cho nhà cao tầng 74
2.3.2 Tính năng của vật liệu thép cho nhà cao tầng 75
2.3.3 Yêu cầu khi thiết kế kết cấu ở cấp dẻo trung bình và cao 75
2.4 Lựa chọn tiết diện 77
2.4.1 Cột 77
Trang 62.4.4 Phân loại tiết diện 81
BÀI 3 - MÔ HÌNH TÍNH, TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC (4 tiết) 85
3.1 Mô hình tính 85
3.1.1 Mô hình hóa các cấu kiện 85
3.1.2 Xác định kích thước hình học của sơ đồ 85
3.1.3 Lựa chọn liên kết giữa các phần tử 87
3.1.4 Lựa chọn kiểu gối tựa 87
3.1.5 Xác định tỷ lệ độ cứng giữa các cấu kiện 87
3.2 Tải trọng 88
3.2.1 Tải trọng thường xuyên 88
3.2.2 Tải trọng tạm thời 88
3.2.3 Tổ hợp tải trọng 110
3.2.4 Xác định hiệu ứng của công trình 111
BÀI 4 - KIỂM TRA TỔNG THỂ CÔNG TRÌNH (1 tiết) 112
4.1 Kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình 112
4.2 Kiểm tra gia tốc đỉnh công trình 112
4.3 Kiểm tra chuyển vị tương đối của tầng 114
4.4 Kiểm tra chống lật và chống trượt 115
4.5 Kiểm tra ổn định tổng thể toàn công trình 115
4.6 Kiểm tra bề rộng khe lún và khe kháng chấn 115
BÀI 5 - ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN (1 tiết) 116
5.1 Tổng quát 116
5.2 Thiết kế cột thép theo TCVN 5575 : 2012 116
5.2.1 Chiều dài tính toán và độ mảnh của cột 116
5.2.2 Độ lệch tâm của cột 118
5.2.3 Tính toán về bền 118
5.2.4 Tính toán về ổn định tổng thể 119
5.2.5 Kiểm tra độ cứng 122
5.2.6 Kiểm tra ổn định cục bộ 123
5.3 Thiết kế dầm thép theo TCVN 5575 : 2012 123
5.3.1 Tính toán về bền 123
5.3.2 Ổn định tổng thể 127
Trang 75.3.4 Kiểm tra ổn định cục bộ 128
5.4 Thiết kế thanh giằng theo TCVN 5575 : 2012 128
5.4.1 Chiều dài tính toán và bán kính quán tính 128
5.4.2 Kiểm tra thanh giằng chịu nén đúng tâm 129
5.4.3 Kiểm tra thanh giằng chịu kéo đúng tâm 130
5.5 Kết cấu sàn 131
5.6 Yêu cầu đối với kết cấu cấp dẻo trung bình hoặc cao khi thiết kế kháng chấn 132 5.6.1 Kết cấu khung chịu mô men 132
5.6.2 Thiết kế và các quy định cấu tạo cho khung với hệ giằng đúng tâm 134
BÀI 6 - ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN LIÊN KẾT (4 tiết) 138
6.1 Quy định đối với liên kết trong vùng tiêu tán năng lượng 138
6.2 Phân chia cấu kiện trong chế tạo, lắp ghép 138
6.3 Các hình thức liên kết và cách tính toán 141
6.3.1 Đường hàn góc 141
6.3.2 Đường hàn đối đầu ngấu toàn bộ 142
6.3.3 Đường hàn đối đầu ngấu một phần 143
6.3.4 Liên kết bu lông cường độ cao 143
6.3.5 Khả năng chịu nén cục bộ của bê tông 144
6.4 Nối cột 146
6.4.1 Yêu cầu đối với mối nối cột 146
6.4.2 Tính toán mối nối cột 153
6.5 Nối dầm và liên kết dầm phụ với dầm chính 156
6.5.1 Mối nối lắp ghép 156
6.5.2 Liên kết dầm phụ - dầm chính 158
6.5.3 Thanh chống ngang và chống chéo dưới dầm chính 160
6.6 Chân cột 162
6.6.1 Chân cột ngàm kiểu chôn sâu 162
6.6.2 Chân cột bọc bê tông 165
6.6.3 Chân cột lộ thiên 169
6.6.4 Chân cột liên kết khớp 175
Trang 86.7.2 Liên kết khớp 192
6.7.3 Liên kết dầm - cột trong khung chịu mô men cấp dẻo trung bình và cao 195
6.8 Liên kết giằng với cột và dầm 196
6.8.1 Đối với kết cấu độ dẻo trung bình và cao 198
6.9 Liên kết dầm thép và kết cấu bê tông cốt thép 198
PHẦN PHỤ LỤC 204
Phụ lục A - Các bảng tra 204
Phụ lục B - Hệ số b để tính ổn định của dầm 216
B.1 Đối với dầm tiết diện chữ có hai trục đối xứng 216
B.2 Đối với dầm tiết diện chữ có một trục đối xứng 218
B.3 Đối với dầm tiết diện chữ C 220
Phụ lục C - Ổn định cục bộ của cấu kiện có tấm mỏng 222
C.1 Ổn định cục bộ của bản bụng dầm 222
C.2 Ổn định cục bộ của bản bụng cột 228
C.3 Ổn định cục bộ của bản cánh dầm và cột 230
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG 233
BẢNG CHỮ CÁI HY LẠP 237
Phụ lục D - Các bảng tra thép hình 238
Trang 9MỤC LỤC BẢNG TRA
Bảng 1-1 Thống kê ảnh hưởng của động đất năm 1985 39
Bảng 2-1 Các yêu cầu về phân loại tiết diện thép của cấu kiện có khả năng tiêu tán năng lượng theo cấp dẻo kết cấu và hệ số ứng xử 71
Bảng 2-2 Tỷ lệ bề rộng và chiều dày lớn nhất của bản bụng 81
Bảng 2-3 Tỷ lệ bề rộng và chiều dày lớn nhất của phần bản cánh giữa các bản bụng 82
Bảng 2-4 Tỷ lệ bề rộng và chiều dày lớn nhất của phần nhô ra của bản cánh 82
Bảng 3-1 Hoạt tải sử dụng (Trích bảng 3 của TCVN 2737 – 1995) 88
Bảng 3-2 Phân vùng áp lực gió theo địa danh hành chính 91
Bảng 3-3 Áp lực gió tiêu chuẩnW0 91
Bảng 3-4 Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình 91
Bảng 3-5 Hệ số khí động cho nhà cao tầng mặt bằng hình chữ nhật 92
Bảng 3-6 Hệ số điều chỉnh tải trọng gió với thời gian sử dụng giả định của công trình khác nhau 93
Bảng 3-7 Giá trị giới hạn dao động của tần số riêng fL 94
Bảng 3-8 Hệ số áp lực động của tải trọng gió 94
Bảng 3-9 Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió 95
Bảng 3-10 Các tham số ρ và χ 95
Bảng 3-11 Giá trị của để tính toán E,i 98
Bảng 3-12 Các giá trị 2,i đối với nhà 99
Bảng 3-13 Bảng phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính 101
Bảng 3-14 Mức độ và hệ số tầm quan trọng 101
Bảng 3-15 Phân cấp, phân loại công trình xây dựng 102
Bảng 3-16 Các loại nền đất 104
Bảng 3-17 Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi 105
Bảng 3-18 Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử cho hệ kết cấu thông thường 105 Bảng 4-1 Phản ứng của cơ thể đối với gia tốc của kết cấu 113
Bảng 4-2 Hệ số ξ 113
Trang 10Bảng 5-3 Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng của thanh bụng chữ thập chịu nén 129
Bảng 5-4 Độ mảnh giới hạn của các thanh chịu nén 130Bảng 6-1 Công thức tính toán bê tông dưới đáy bản đế, bu lông neo vùng kéo và khả năng chịu cắt ngang của chân cột lộ thiên 171
Bảng 6-2 - Hệ số αb để của ô bản kê 3 cạnh hoặc 2 cạnh liền kề 174Bảng 6-3 - Hệ số αb để của ô bản kê 4 cạnh 174
Trang 11BẢNG TRA PHỤ LỤC
Bảng A-1 Thép các bon TCVN 1765:1975 204
Bảng A-2 Cường độ tính toán của thép cán chịu ép mặt tì đầu, ép mặt cục bộ trong các khớp trụ, ép theo đường kính con lăn 204
Bảng A-3 Các đặc trưng vật lý của thép 205
Bảng A-4 Que hàn dùng ứng với mác thép (Tham khảo) 206
Bảng A-5 Kích thước que hàn điện TCVN 3223:1994 (Tham khảo) 206
Bảng A-6 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính toán fwf của kim loại trong mối hàn góc 206
Bảng A-7 Hệ số f và s 207
Bảng A-8 Qui định sử dụng các cấp bền của bu lông trong các điều kiện làm việc khác nhau 207
Bảng A-9 Diện tích tiết diện của bu lông A, Abn 208
Bảng A-10 Đặc trưng cơ học của bu lông cường độ cao 208
Bảng A-11 Hệ số ma sát và hệ số độ tin cậy b2 208
Bảng A-12 Lực căng trước trong thân bu lông cường độ cao (kN) 209
Bảng A-13 Các hệ số: c1; cx; cy; nc 209
Bảng A-14 Hệ số uốn dọc của cấu kiện chịu nén đúng tâm 211
Bảng A-15 Hệ số ảnh hưởng của hình dạng tiết diện 212
Bảng A-16 Hệ số e để kiểm tra ổn định của cấu kiện tiết diện đặc, chịu nén lệch tâm (nén uốn), mặt phẳng tác dụng của mô men trùng với mặt phẳng đối xứng 213
Bảng A-17 Hệ số khí động c 215
Bảng B-1 Hệ số đối với dầm tiết diện chữ có hai trục đối xứng 216
Bảng B-2 Hệ số đối với dầm công xôn, tiết diện chữ có hai trục đối xứng 217
Bảng B-3 Hệ số b 218
Bảng B-4 Hệ số D và C 219
Bảng B-5 Hệ số B 220
Bảng B-6 Mô men quán tính xoắn của thép cán 220
Bảng C-1 Giá trị của c1 đối với dầm hàn 225
Trang 12Bảng C-4 Hệ số ccr 226
Bảng C-5 Hệ số 226
Bảng C-6 Hệ số c2 227
Bảng C-7 Giá trị giới hạn [hw/tw] 228
Bảng C-8 Giá trị giới hạn [b0/tf] 231
Bảng C-9 Giá trị giới hạn của [b0/tf] 231
Bảng D-1 Thông số thép hình chữ H 238
Bảng D-2 Thông số thép hình chữ I 243
Bảng D-3 Thông số thép hình chữ C 246
Bảng D-4 Thông số thép góc đều cạnh 248
Bảng D-5 Thông số thép góc không đều cạnh 252
Trang 13THÔNG TIN CHUNG VỀ HỌC PHẦN
b) Tài liệu tham khảo
Kết cấu thép 2 - Công trình dân dụng và công nghiệp, Phạm Văn Hội, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2008
Kết cấu thép công trình đặc biệt, Phạm Văn Hội, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2013
Kết cấu thép - Phần cấu kiện cơ bản, Phạm Văn Hội, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2006
c) Tiêu chuẩn
TCVN 5575 : 2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế
TCVN 5574 : 2012 Kết cấu bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế
TCXD 198 : 1997 Nhà cao tầng - Kết cấu bê tông cốt thép toàn khối
TCVN 2737 : 1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế
TCVN 9386 : 2012 Thiết kế công trình chịu động đất - Phần 1: Quy định chung, tác động động đất và quy định đối với kết cấu nhà
Tuyển tập TCVN - Thép kết cấu và thép dùng cho xây dựng, Nhà xuất bản Xây dựng, 2001
3 Phương pháp đánh giá học phần
Hình thức đánh giá học phần: Trắc nghiệm lý thuyết và bài tập
Trang 14BÀI 1 - ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (1 tiết)
1.1 Lịch sử phát triển nhà cao tầng
Chỗ ở là một trong 5 nhu cầu căn bản của con người Từ thủa hoang sơ, để tồn tại được, con người đã phải chọn hang hốc tự nhiên để bảo vệ bản thân khỏi những điều kiện khắc nghiệt của khí hậu như mưa, nắng cũng như nguy hiểm từ các loài khác Khi thông minh hơn, loài người biết dùng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên như gỗ, lá, đất, đá để xây dựng nơi trú ngụ và dần dần phát triển thành chỗ ở gọi là nhà Những căn nhà bằng gỗ, đất, đá kiên cố đã đưa con người thoát khỏi sự sống hoang dã, thoát khỏi sự phụ thuộc vào tự nhiên và có điều kiện để phát triển lên một mức cao hơn với những nhu cầu phức tạp hơn
Trong lịch sử phát triển của mình, con người luôn phải chống chọi với tự nhiên để tồn tại Khi không thể khắc chế được tự nhiên, con người đã dựa vào các yếu tố huyền bí
để tìm sự giải thích và an ủi Các vị thần chính là người bảo trợ cho con người và đi kèm với đó là sự tôn sùng, các nghi lễ và nhiều điện đài thờ cúng Nơi thờ cúng của các vị thần cần phải tôn nghiêm và cao quý hơn nơi ở của người phàm Nền văn minh càng phát triển thì các điện thờ càng lớn và trang trọng Và trong khi các nhà ở phục vụ nhu cầu sống có chiều cao rất hạn chế thì rất nhiều tòa tháp phục vụ các miếu thờ, đền đài được xây dựng với chiều cao đáng kể, xuất phát từ ý tưởng phải cao tới tận trời để thần linh có thể cảm nhận được đức tin và lòng thành kính của con người Ngoài yếu tố tâm linh, các công trình cao vút còn thể hiện khát khao của con người muốn vượt qua giới hạn của chính mình để chinh phục những đỉnh cao mới Khát vọng đó được thể hiện trong Kinh cựu ước, rằng sau trận Đại hồng thủy, con người đến vùng đất Shinar và đã quyết định xây dựng thành phố của riêng mình với một tòa tháp cao đến tận thiên đường để thể hiện
sự huy hoàng của con người Tòa tháp đó được đặt tên là Bable
Hình 1-1 Tháp Babel
https://en.wikipedia.org/wiki/Tower_of_Babel
Trang 15Các tòa tháp phục vụ tín ngưỡng của con người đã được xây dựng như vậy ở khắp nơi trên thế giới từ Châu Phi, Châu Âu đến Châu Á Những nền văn minh phát triển đã đưa chúng lên một tầm cao mới, trở thành biểu tượng minh chứng cho sự phồn thịnh và sức mạnh của các nền văn minh này
Tại Châu phi có thể kể đến Tháp Conical ở Zimbabwe được xây dựng vào khoảng thế kỷ 11 đến thế kỷ 16 trước công nguyên; nhà thờ tại Djenne, xây dựng vào thế kỷ 14 sau công nguyên
Hình 1-2 Tháp Conical của Zimbabwe
Trang 16Hình 1-4 Kim tự tháp Ur
http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Ai cập cổ đại nổi tiếng với các kim tự tháp cổ: Kim tự tháp Zoser, Sakkara (2778 trước công nguyên); Kim tự tháp Chephren/Khafre (triều đại thứ 4); Đại đền thờ của Amun, Karnak (1530-323 trước công nguyên); đền thờ của Amun, Luxor (1408-1300 trước công nguyên)
Hình 1-5 Kim tự tháp của Chephren – Ai cập
http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Hi Lạp cổ có Đền thờ bách thần, Athens (447-436 trước công nguyên)
Trang 17Hình 1-6 Đền thờ bách thần - Athen - Hi lạp
http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Nền văn hóa Maya cổ trọng thời kỳ thịnh vượng đã xây dựng nên các công trình
vĩ đại như Kim tự tháp Uxmal của các pháp sư, Đền thờ Tikal, di tích Palenque và Kim
tự tháp Calakmul đều ở Yucatan
Hình 1-7 Kim tự tháp Calakmul - Maya
Trang 18Các nền văn hóa của Châu Á cũng đã xây dựng vô số đền đài Đền Horyu-ji Nhật Bản xây dựng tòa tháp 5 tầng, trải qua 1300 năm, nhiều trận động đất lớn nhưng tòa tháp vẫn đứng vững
Hình 1-8 Tòa tháp 5 tầng của đền Horyu-ji Nhật Bản
Trang 19Hình 1-10 Tháp Khai Nguyên Định Châu
Trang 20có thể nhìn thấy từ xa hàng dặm Thành phố có nhà ở với chiều cao đáng kể trên quy mô lớn có lẽ phải kể đến là Rome của đế chế La Mã Sự phát triển mạnh mẽ của đế chế dưới thời của Julius và Augustus Caesar đã biến Rome thành thành phố đông đúc, chật chội, làm xuất hiện nhu cầu xây dựng những chung cư nhiều tầng để có thể chứa được nhiều chỗ ở hơn Số tầng liên tục tăng, từ 3 tầng vào khoảng thế kỷ 3 trước công nguyên đến 5 tầng hoặc hơn nữa (thậm chí là 10 tầng với 200 bậc thang) tại thế kỷ 1 trước công nguyên Tuy nhiên, với trình độ xây dựng còn non kém, nhiều sự cố sập nhà đã xảy ra, vì thế các đạo luật được ban hành để hạn chế chiều cao của công trình, ban đầu giới hạn là
21 m, sau giảm xuống còn 18m Mặc dù vậy, nhiều công trình vẫn xây dựng tới 5 đến 6 tầng
Hình 1-12 Hình mẫu chung cư của đế chế La mã
Trang 21118-134 sau công nguyên), Pont Du Gard, Nimes, Pháp (cuối thế kỷ 1 trước công nguyên)
Hình 1-14 Đấu trường El Djem – La mã
http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Đất nước Yemen lại có một thành phố rất khác biệt tên là Shibam, với khoảng 500 tòa nhà cao 5 đến 11 tầng, một số cao trên 30m hoàn toàn được xây dựng từ gạch đất không nung Mặc dù thành phố này đã có lịch sử trên 1700 năm nhưng đa số các tòa nhà cao tầng được xây dựng từ thế kỷ 16 Vì được hình thành từ gạch đất không nung nên các tòa nhà được bảo trì định kỳ bằng cách quết bùn mới lên trên tường Đây được mệnh danh là “Thành phố nhà chọc trời cổ nhất trên thế giới” và được công nhận là di sản văn hóa UNESCO
Trang 22Hình 1-15 Thành phố Shibam - Yemen
https://en.wikipedia.org/wiki/Shibam
Kết cấu tường chịu lực bằng gạch còn được thấy ở các nền văn minh lớn khác như
Ai Cập và Trung Quốc Thủ đô cổ của Ai Cập là Fustat xây dựng rất nhiều nhà cao tầng, với một số được mô tả là có thể cao đến 14 tầng
Yếu tố phòng thủ cũng là một lý do để phát triển các công trình có chiều cao lớn Phía nam Trung Quốc người Khách Gia tạo nên những dãy nhà hình tròn khép kín mang tính chất phòng vệ, chiều cao từ 3 đến 5 tầng, có thể chứa đến 80 hộ gia đình Dãy nhà cổ nhất được xây dựng từ thế kỷ 14 Các tòa lâu đài ở Châu Âu với những bức tường và chòi canh, những tháp canh ở viền các thành phố cổ là minh chứng cho điều này
Sự phát triển của nhà cao tầng thực sự bắt đầu từ 170 năm trở lại đây nhờ những tiến bộ của khoa học công nghệ, trong đó phải kể đến hai nhân tố chính là sự ra đời của thang máy, phương tiện vận chuyển thẳng đứng, và việc nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu có khả năng chịu lực lớn
Cư dân sống trong nhà cao tầng nếu di chuyển hằng ngày bằng thang bộ sẽ rất mất thời gian và sức lực Với công trình cao trên 10 tầng điều này là không thể Thông thường các tiêu chuẩn giới hạn số tầng để có thể đi lại bằng thang bộ là 5 tầng Các nghiên cứu để tạo ra một phương tiện giao thông thẳng đứng trong nhà cao tầng đã được
Trang 23giới thiệu Năm 1853, Elisha Graves Otis giới thiệu mẫu thang máy an toàn đầu tiên, với khả năng không bị rơi khi đứt cáp Thang máy càng ngày càng trở nên an toàn và nhanh hơn Nhờ đó, những giới hạn về chiều cao và số tầng sử dụng đã được gỡ bỏ Con người
có thể xây dựng bao nhiêu tầng tùy ý miễn là trong khả năng khoa học kỹ thuật cho phép
Khả năng chịu lực yếu là một nhược điểm lớn của kết cấu gạch Vật liệu thép với sức chịu tải vượt trội đã dần được đưa vào ứng dụng Năm 1885, tòa nhà Home Insurance Building 10 tầng, cao 55 m được xây dựng ở Chicago đã sử dụng khung thép là kết cấu chịu lực, được coi là tòa nhà chọc trời đầu tiên trên thế giới
Hình 1-16 Home Insurance Building
http://www.100resilientcities.org/blog/entry/the-worlds-first-skyscraper-chicagos-home-insurance-building
Vật liệu xi măng cốt thép đã được Joseph Louis Lambot phát minh vào năm 1845, nhưng đến năm 1892, bê tông cốt thép mới chính thức được François Hennebique nộp bằng sáng chế Năm 1903, Ingalls Building, ngôi nhà cao tầng đầu tiên làm bằng hệ khung bê tông cốt thép cao 16 tầng đã được xây dựng ở Cincinnati, Ohio, Mỹ
Trang 24Hình 1-17 Ingalls Building
https://en.wikipedia.org/wiki/Ingalls_Building
Chiến tranh thế giới thứ hai đã tàn phá quá nhiều làng mạc, thành phố Sau chiến tranh, nhu cầu về chỗ ở trở nên cấp bách Hàng loạt các nhà chung cư cao tầng bằng bê tông cốt thép liền khối cũng như đúc sẵn được xây dựng ở Châu Âu Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của nhà cao tầng về mặt số lượng, nhưng đi kèm theo đó là những hệ quả
về chất lượng xây dựng, chất lượng sống, về an ninh tòa nhà, tệ nạn xã hội
Xu thế hội nhập toàn cầu đã đưa khoa học kỹ thuật đến khắp nơi trên thế giới Các nhà cao tầng không chỉ được xây dựng ở các nước phát triển như Mỹ, Canada, Châu Âu
mà cả ở các nước khác Trích dẫn tài liệu “Một số vấn đề về nhà cao tầng” đăng trên trang web của Bộ xây dựng:
“Căn cứ vào tư liệu của Hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng lần thứ 4 họp ở Hồng Kông năm 1990, có 100 ngôi nhà cao nhất thế giới đã được thống kê: chiều cao từ 218 - 243m với số tầng từ 32 - 110 tầng; trong đó gồm: 85 văn phòng làm việc, 12 nhà đa năng,
3 khách sạn, 78 ngôi nhà phân bố tại Hoa Kỳ, đặc biệt tập trung tại các đô thị lớn như New York, Chicago, Seattle, Los Angeles và Dallas Số còn lại xuất hiện tại Canada, Nhật, Singapore, Australia, Venezuela, Anh, Pháp, Đức, Ba Lan, Nam Phi, Malayxia, Triều Tiên, Hồng Kông
Tại Châu Mỹ La tinh, nhà siêu cao (trên 100m) tập trung ở Venezuela, Colombia,
Trang 25cao 260m, xây năm 1978 và ngôi nhà Office Towers 60 tầng, cao 237m, xây dựng năm
1985 ở Carakas; ngôi nhà Petronas Mexicanos 52 tầng, cao 214m, xây năm 1984 ở Mexico
Sau Đại chiến thế giới lần thứ 2, nhà cao tầng phát triển mạnh ở châu Âu Tại Paris, khu vực Defense năm 1965 mọc lên nhiều nhà làm việc cao từ 30 – 50 tầng và hàng chục ngôi nhà cao tầng Năm 1973, cũng tại đây, có ngôi nhà Maine Montparnass
64 tầng, cao 229m Tại Pháp, theo con số thống kê, nhà 9 tầng trở lên chiếm tỷ trọng 21%
Ở London, có nhà cao tầng Canery Wharf Tower 50 tầng, cao 245m Ở Frankffurt (Đức) có nhà cao tầng Messeturm 70 tầng, cao 259m
Ở Liên xô từ những năm 30 bắt đầu xây dựng nhà ở cao tầng Thập kỷ 50 khánh thành trường đại học Lomonosov có nhà chính 36 tầng, cao 239,5m trong đó có 22.000 căn phòng Năm 1961, ở Moscow xây dựng khách sạn Ucraina 34 tầng, cao 198m và nhiều nhà cao tầng khác Năm 1955 tại Varsava khánh thành cung văn hoá khoa học (I palac Kultury I Nauki) 42 tầng, cao 241m
Ở Liên Xô và các nước Đông Âu trong một thời gian dài vài thập kỷ, đã sử dụng một cách có kế hoạch phương pháp công nghiệp hoá xây dựng nhà ở tấm lớn trong đó có nhà ở cao tầng chiếm một tỷ lệ nhất định Nhà ở cao tầng ở Liên Xô chiếm tỷ trọng 7,9% (năm 1975) tăng lên đến 15% (năm 1985-1990).Vào những năm 80 nhà ở xây dựng mới
ở Moscow thường từ 9 đến 25 tầng, bình quân là 16 tầng Ở Đông Âu, nhà ở trên 9 tầng chiếm tỷ trọng từ 12-32% tại một số đô thị lớn tỷ trọng đó còn cao hơn như ở Budapest lên tới 80%
Tại châu Phi, ở Nam Phi, nhà cao tầng nhất là ngôi nhà Carlton Center 50 tầng, cao 220m, ở Ai Cập và các nước Bắc Phi, ven Địa Trung Hải, cũng xây dựng rất nhiều nhà khách sạn cao tầng Austraylia cũng đã xây dựng nhiều nhà cao tầng thương mại và văn phòng làm việc Ví dụ: ở Sydney có trung tâm MLC 70 tầng cao 240m Ở Melbourg
có ngôi nhà Riollo Center 70 tầng cao 243m là những điển hình có thể nêu lên
Nhật Bản do phải chịu tác động của động đất và gió bão rất ác liệt nên có một thời gian dài quy định nhà cao tầng không vượt quá 31m Sau khi đã tiến hành nghiên cứu sâu các biện pháp khoa học phòng chống gió bão và động đất, đi đến loại trừ hạn chế nói trên
và từ năm 1964 trở đi nhà cao tầng được phép phát triển Đến năm 1981 đã có 47 ngôi nhà có chiều cao vượt quá 100m (siêu cao) trong đó phải kể đến ngôi nhà Shunshine 60,
ở Tokyo 60 tầng, cao 226m, xây dựng năm 1978.”
“Sau chiến tranh Tiều Tiên, cả hai miền Bắc và Nam (Hàn Quốc) trong cuộc tái thiết quy mô lớn, nhà cao tầng cũng có điều kiện phát triển mạnh Tại Bình Nhưỡng trên
Trang 26cao tầng từ 8 tầng đến 42 tầng Khách sạn Liễu Kinh 105 tầng cao 305m đã khánh thành Tại Hán Thành năm 1985 xây dựng xong ngôi nhà Korea Ins Co 63 tầng cao 233m.”
Trong những năm gần đây châu Á vươn lên là một khu vực có tốc độ phát triển kinh tế mạnh mẽ Nhà cao tầng được xây dựng khắp nơi để phục vụ nhu cầu đô thị hóa Cũng theo “Một số vấn đề về nhà cao tầng”:
“Ở vùng Đông Nam Á, Singapore là nước nhỏ, mật độ dân số cao, kinh tế phát đạt nên nhà cao tầng xây dựng rất tập trung; nổi bật là ngôi nhà Overseas Union Bank 63 tầng cao 280m; Singapore Treasurry 52 tầng cao 235m; Roffles City Hotel 70 tầng cao 226m Malaysia có ngôi nhà TAR (Tun Abdul Razak Building) 61 tầng cao 232m và tháp đôi Petronas cao 251,9m - một thời nổi tiếng là cao nhất thế giới - cắt băng khánh thành tháng 8/1999
Tại Trung Quốc, trong thời gian 30 năm lại đây, cải cách mở cửa, kinh tế phồn vinh, nhà cao tầng mọc lên như nấm ở các thành phố Bắc Kinh, Thượng Hải, Quảng Châu, Thâm Quyến, Thiên Tân, Thẩm Dương, Lan Châu, Thạch Gia Trang, Vũ Hán, Tây
An, Từ Châu, từ đó lan truyền sang hầu hết các đô thị lớn của địa lục, trong đó có rất nhiều nhà siêu cao trên 100m”
Hình 1-18 Tòa tháp đôi Petronas
https://c1.staticflickr.com/3/2420/2079664291_b81cbe4b8e_z.jpg?zz=1
Sự phát triển của nhà cao tầng là không ngừng Ngày càng có nhiều loại kết cấu mới ra đời Các kết cấu ngoài khả năng chịu lực thông thường còn được nghiên cứu sâu
Trang 27Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn về chất lượng sống cũng như an toàn được nâng cao Tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy, an toàn cứu nạn cùng các thiết bị hiện đại được phát minh
đã giúp người sử dụng an tâm hơn Không như các tòa nhà sau thế chiến thứ hai, giờ đây con người hướng tới những không gian ở, làm việc cao cấp với những tiện nghi như hệ thống điều hòa không khí có khả năng tạo ra môi trường sống sạch, dễ chịu không chịu ảnh hưởng của bên ngoài, những trang thiết bị nội thất cao cấp, những hệ thống an ninh hiện đại Đất chật người đông vẫn là nhân tố chính thúc đẩy nhu cầu xây dựng nhà cao tầng trong đô thị, nhưng bên cạnh đó, nhu cầu về cái “Tôi” ngày càng lớn dần lên Các tòa nhà chọc trời chính là biểu tượng cho sự phát triển hiện đại của các thành phố Kỷ lục
về nhà cao nhất thế giới liên tục bị phá vỡ từ năm 1885, theo Skyscraper
1894 Manhattan Life Insurance Building Thành phố New York
Trang 28Hình 1-19 Những tòa nhà cao nhất thế giới
http://www.dailymail.co.uk/news/article-2687728/New-Yorks-Nordstrom-Tower-tallest-residential-structure-world.html
Trung Đông là khu vực giàu có với nguồn dầu mỏ dồi dào, nhưng cũng có nhiều
sa mạc Một số nước đã có chiến lược xây dựng những thành phố hiện đại phục vụ du lịch, công nghệ làm mục tiêu phát triển kinh tế bền vững thay thế dần tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt dần Để làm được điều đó không thế thiếu được các biểu tượng kiến trúc Tòa nhà cao nhất thế giới hiện nay Burj Khalifa và khách sạn Burj AI - Arab, khách sạn sang trọng nhất thế giới đều đã được xây dựng ở Dubai thuộc Các tiểu vương quốc Ả Rập
Hình 1-20 Burj AI - Arab
https://www.vietravel.com/vn/vong-quanh-the-gioi/can-canh-khach-san-7-burj-al-arab-o-dubai-v8819.aspx
Trang 29Burj Khalifa có chiều cao đáng kinh ngạc: 828m, 164 tầng, hơn hẳn tháp Taipei
101 với chiều cao chỉ 509,2m Tòa nhà được đưa vào sử dụng ngày 4 tháng 1 năm 2010 Công trình sử dụng kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên, với chiều cao lớn như vậy, cần phải có một máy bơm bê tông với công suất rất lớn Hãng Putzmeister đã nghiên cứu và chế tạo ra một máy bơm khả năng bơm đến 606m, đạt kỷ lục thế giới mới Móng công trình sử dụng 192 cọc đường kính 3m sâu 50m Thể tích bê tông dùng cho phần móng trên 45.000 m3 Phần thân tháp dùng khoảng 330.000 m3 bê tông và 55.000 tấn thép, cùng
22 triệu giờ công Phần còn lại phía trên được xây dựng để phá kỷ lục thế giới về chiều cao nên sử dụng kết cấu thép
Hình 1-21 Burj Dubai
Trang 30Việt Nam với hàng ngàn năm văn hiến cũng đã xây dựng nên nhiều tòa tháp uy nghi hùng vĩ Không thể không kể đến ngôi chùa cổ nhất của Phật giáo Việt Nam, còn được gọi là “Tổ đình của Phật giáo Việt Nam” - Chùa Dâu
Chùa Dâu nằm ở xã Thanh Khương, huyện Thuận Thành, tỉnh Bắc Ninh, được khởi công xây dựng năm 187 và hoàn thành năm 226, và được trùng tu nhiều lần Đời nhà Trần, vua Trần Nhân Tông đã sai Trạng Nguyên Mạc Đĩnh Chi về kiến thiết lại chùa Dâu thành “chùa trăm gian, tháp chín tầng, cầu chín nhịp” Kiến trúc hiện nay của chùa Dâu là của thời Hậu Lê (thế kỷ 17-18)
Chính giữa sân chùa trước bái đường, có ngôi tháp Hòa Phong, xây bằng gạch trần
cỡ lớn ngày xưa, được nung thủ công tới độ có màu sẫm già của vại sành, cao chín tầng Đến nay tòa tháp Hòa Phong chỉ còn ba tầng với chiều cao khoảng 17m
Hình 1-22 Tháp Hòa Phong chùa Dâu
http://btgcp.gov.vn/Plus.aspx/vi/News/38/0/245/0/1788/Chua_Dau_Bac_Ninh_ngoi_chua_co_nhat_Viet_Nam
Kỷ lục về chiều cao thuộc về Tháp Bình Sơn nằm trong khuôn viên chùa Vĩnh Khánh xã Tam Sơn, huyện Sông Lô, Vĩnh Phúc Đây là ngọn tháp đất nung đời Trần cao nhất còn lại Tương truyền tháp có 15 tầng, tuy nhiên hiện nay chỉ còn 11 tầng tháp và 1 tầng bệ Tổng chiều cao tháp là 16,5 mét Mặt bằng vuông vắn, đế rộng 4,45 mét, đỉnh nhỏ dần còn 1,55 mét
Trang 31Hình 1-23 Tháp Bình Sơn chùa Vĩnh Khánh Vĩnh Phúc
http://chuaphuclam.vn/index.php?/van-hoa/xot-xa-ngoi-chua-thap-cao-nht-vit-nam-thanh-chua-hoang.html
Trong 20 năm đổi mới, nền kinh tế Việt Nam đã có những thay đổi đáng kể Cùng với sự phát triển kinh tế và hội nhập, dân số cố định và lưu động của các thành phố lớn tăng nhanh, tốc độ đô thị hóa của các thành phố đặc biệt là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh phát triển mạnh mẽ
Năm 1954, thành phố Hà Nội có 53.000 dân, diện tích 152 km2 Năm 1961, thành phố được mở rộng, diện tích lên tới 584 km2, dân số 91.000 người Năm 1978, Quốc hội quyết định mở rộng Thủ đô lần thứ hai với diện tích đất tự nhiên 2.136 km2, dân số 2,5 triệu người Năm 1991, địa giới Hà Nội tiếp tục thay đổi, chỉ còn 924 km2, nhưng dân số vẫn ở mức hơn 2 triệu người Trong suốt thập niên 1990, cùng việc các khu vực ngoại ô dần được đô thị hoá, dân số Hà Nội tăng đều đặn, đạt con số 2,7 triệu người vào năm
1999 Như vậy, nếu chỉ xét từ năm 1978 đến năm 1999, trong 21 năm, dân số Hà Nội gần như không tăng, ở ngưỡng 2,7 triệu người
Kết quả tổng điều tra dân số ngày 1/4/2009, tức 10 năm sau, dân số Hà Nội đã
Trang 32trú Có thể thấy, trong vòng 15 năm trở lại đây (từ 1999 đến 2014) dân số Hà Nội tăng gấp 3 lần
Mật độ dân số Hà Nội hiện nay không đồng đều giữa các quận nội và ngoại thành Trên toàn thành phố, mật độ dân cư trung bình 1.979 người/km2 nhưng tại quận Đống
Đa, mật độ lên tới 35.341 người/km2
Còn tại thành phố Hồ Chí Minh, theo thống kê của Tổng cục Thống kê năm 2014 thì dân số là 7,98 triệu người Tuy vậy, nếu tính những người cư trú không đăng ký thì dân số thực tế của thành phố vượt trên 10 triệu người
Theo dự kiến của Ngân hàng Thế giới, dân số thành phố Hồ Chí Minh đến 2020 sẽ hơn 10 triệu người, nếu mỗi năm dân số tăng trung bình 3,9%/năm như trong giai đoạn 2000-2010
Với tốc độ tăng trưởng chóng mặt về dân số và sự chênh lệch quá lớn về mật độ dân cư, nhu cầu về nhà ở cao tầng cũng như văn phòng tăng mạnh Chỉ trong thời gian ngắn, hàng chục nhà cao tầng đã được xây dựng Hai tòa nhà cao nhất hiện nay là Keangnam Hanoi Landmark Tower cao 72 tầng cao 350m được xây dựng tại Hà Nội và Bitexco Financial Tower cao 262m, 68 tầng nằm tại thành phố Hồ Chí Minh Sự mọc lên của các tòa nhà cao tầng đã thay đổi toàn bộ diện mạo của các thành phố cũng như của cả Việt Nam
Hình 1-24 Keangnam Hanoi Landmark Tower
https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp_tin:LANDMARK72.jpg
Trang 33Hình 1-25 Bitexco Financial Tower
Về mặt thiết kế có những vấn đề như đánh giá lại tầm quan trọng của các loại tải trọng, giải pháp móng chịu tải trọng lớn Trong giai đoạn thi công cần xem xét đến biện pháp thi công thẳng đứng, giải pháp cẩu lắp, an toàn lao động trên cao Trên khía cạnh sử dụng phải giải quyết được vấn đề thoát hiểm khi cháy, lựa chọn phương tiện phục vụ giao thông thẳng đứng, xử lý tình trạng chênh áp suất theo độ cao Do đó, đi kèm với nhà cao tầng phải có những thiết bị hiện đại hơn, từ đó làm tăng tổng mức đầu tư của công trình Với các công trình thấp tầng, chi phí xây dựng chiếm phần lớn trong tổng mức đầu tư Thống kê cho thấy, chi phí thiết bị trong công trình cao tầng chiếm đến 30% tổng mức đầu tư công trình Vì thế, định nghĩa thế nào là công trình cao tầng sẽ có ảnh hưởng rất lớn quyết định đầu tư xây dựng công trình cũng như tính năng sử dụng của nó
Việc đưa ra một định nghĩa nhà cao tầng dựa theo chiều cao nhà hoặc số tầng có
Trang 34nhà cao tầng đưa ra định nghĩa chung nhất cho nhà cao tầng như sau: Một công trình xây dựng được xem là cao tầng 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 ngôi nhà thông thường khác
Tại thời điểm hiện tại, để phân biệt nhà cao tầng, nhiều tầng và thấp tầng được rõ ràng và từ đó đưa ra những quy định cụ thể cho các nhà có chiều cao lớn, đã có một số quy định cụ thể như sau:
Về mặt kiến trúc có TCXDVN 323 : 2004 Nhà ở cao tầng Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng để thiết kế cho nhà ở căn hộ có chiều cao từ 9 đến 40 tầng Tiểu chuẩn này đã tạm thời bị hủy bỏ do có thay đổi về cách đặt tên hệ thống tiêu chuẩn nhưng chưa có tiêu chuẩn thay thế
Về mặt kết cấu có TCVN 198 : 1997 Nhà cao tầng Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối cũng đã bị hủy bỏ Tiêu chuẩn này không quy định chiều cao bắt đầu được xem xét là nhà cao tầng mà chỉ nêu ra chiều cao tối đa của công trình khi áp dụng tiêu chuẩn là 75m
Về phòng cháy chữa cháy cho nhà cao tầng, TCVN 6160 – 1996 Phòng cháy chữa cháy – Nhà cao tầng – Tiêu chuẩn thiết kế quy định: Nhà cao tầng là nhà và các công trình công cộng có chiều cao từ 25m đến 100m (tương đương từ 10 tầng đến 30 tầng)
Trên thế giới còn nhiều định nghĩa khác về nhà cao tầng, chủ yếu tập trung ở lĩnh vực phòng cháy chữa cháy:
Tiêu chuẩn NFPA, Tiêu chuẩn an toàn sinh mạng của Hiệp hội phòng cháy quốc gia Mỹ định nghĩa nhà cao tầng cao trên 23m, tương ứng với khoảng 7 tầng
Hội thảo quốc tế về an toàn cháy cho nhà cao tầng định nghĩa: Công trình cao tầng
là công trình mà chiều cao của nó có ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc thoát nạn
Nhìn chung, nhà cao tầng được hiểu là nhà có chiều cao vượt quá tầm với của thiết bị chữa cháy, tức khoảng 23m, tương đương với 7 tầng
Hội đồng tiêu chuẩn Emporis (một công ty về dữ liệu bất động sản có trụ sở tại Humburg, Đức, được coi là nguồn dữ liệu chính thức về các công trình nhà cửa) định nghĩa nhà cao tầng là nhà có chiều cao từ 35 đến 100m, hoặc số tầng từ 12 đến 39 tầng, nhà siêu cao tầng là nhà có chiều cao trên 100m
Một số kỹ sư kết cấu định nghĩa nhà cao tầng là nhà mà tải trọng ngang quan trọng hơn tải trọng thẳng đứng
1.2.2 Phân loại
Sự phân loại nhà cao tầng chỉ mang tính chất tương đối, theo từng mục đích cụ thể Dưới đây giới thiệu một số cách phân loại
Trang 35Nhà cao tầng thường được dùng làm nhà ở, văn phòng, khách sạn, bệnh viện, trung tâm thương mại hoặc hỗn hợp nhiều chức năng
b) Phân loại theo chiều cao hoặc số tầng
Theo cách phân loại trước đây, nhà cao tầng được chia làm 4 nhóm:
Nhóm I: 9 16 tầng (chiều cao dưới 50 m)
Nhóm II: 17 25 tầng (chiều cao dưới 75 m)
Nhóm III: 26 40 tầng (chiều cao dưới 100 m)
Nhóm IV: trên 40 tầng (chiều cao trên 100 m)
c) Theo hình thức kết cấu chịu lực
Cấu kiện chịu lực ngang là thành phần chính của kết cấu nhà cao tầng Tùy theo hình thức cấu tạo có thể phân thành:
Nhà có kết cấu chịu lực ngang là hệ thanh như kết cấu khung hoặc kết cấu giằng (giàn thẳng đứng)
Nhà có kết cấu chịu lực ngang là các tấm vách bê tông cốt thép hoặc vách thép, có thể kết hợp với nhau để tạo nên các hình dạng mặt bằng phức tạp như chữ C, hình hộp
Nhà có kết cấu chịu lực ngang là hệ kết hợp (kết hợp hệ thanh và hệ vách)
d) Theo vật liệu
Nhà cao tầng bê tông cốt thép: cột, vách, dầm, sàn dùng bê tông cốt thép
Nhà cao tầng liên hợp: Các cấu kiện nhìn chung dùng kết cấu liên hợp Cột có thể
là bê tông cốt cứng hoặc thép nhồi bê tông Vách cứng tiết diện thường lớn nên dùng bê tông cốt thép thông thường là đủ, đôi khi bổ sung thép hình tại các đầu mút nhằm mục đích gia cường Dầm dùng bê tông cốt cứng để dễ liên kết với cột
Sử dụng sàn liên hợp để tăng tốc độ thi công
Nhà cao tầng kết cấu thép: Cột, vách dùng kết cấu thép Dầm bằng thép kết hợp với bản sàn liên hợp cùng chịu lực
Nhà cao tầng kết cấu hỗn hợp: là nhà sử dụng từ 2 loại kết cấu đã nêu ở trên, như cột dùng bê tông cốt cứng, dầm sàn sử dụng bê tông cốt thép thông thường
e) Theo hình thức xây dựng
Nhà cao tầng xây dựng toàn khối: là kết cấu nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép đổ trực tiếp tại hiện trường
Trang 36nhưng vì tiến độ của sàn liên hợp độc lập với phần kết cấu chính bằng thép nên vẫn có thể coi là kết cấu lắp ghép
Nhà cao tầng bán lắp ghép: Các cấu kiện cột, vách kích thước nhỏ (cột dạng vách)
và dầm được đúc sẵn tại nhà máy Vách lõi chính đổ toàn khối bằng phương pháp cốp pha trượt Sàn có thể được đúc sẵn hoặc thi công toàn khối Sàn hoặc vách thi công toàn khối sẽ làm tăng độ cứng của kết cấu trước tải trọng ngang
f) Phân loại theo tính dẻo của kết cấu
Tùy theo khả năng hấp thụ năng lượng động đất mà kết cấu được phân thành nhiều dạng khác nhau Dưới đây chỉ liệt kê phân loại kết cấu nhà cao tầng bằng thép theo tiêu chuẩn TCVN 9386 : 2012 Thiết kế công trình chịu động đất
Khung chịu mô men: là dạng kết cấu dùng kết cấu khung (chỉ gồm dầm, cột) để chịu lực ngang
1
u
=1,3
VÞ trÝ khíp dÎoVùng tiêu tán năng lượng nằm trong dầm và chân cột
Hình 1-26 Khung chịu mô men
Khung với hệ giằng đúng tâm: là dạng kết cấu dùng hệ giàn thẳng đứng chịu lực ngang Trục các thanh giàn giao nhau tại tâm nút Các thanh giàn chỉ chịu lực dọc trục
Vùng tiêu tán năng lượng chỉ nằm trong các thanh chéo chịu kéo
Hình 1-27 Khung có hệ giằng chéo đúng tâm
Trang 37Hình 1-28 Khung có hệ giằng chữ V đúng tâm
Khung với hệ giằng lệch tâm: là dạng kết cấu sử dụng hệ giàn như khung với hệ giằng đúng tâm, nhưng một số nút được cấu tạo lệch tâm thông qua các cấu kiện ngắn gọi là đoạn nối kháng chấn, có khả năng biến dạng để hấp thụ năng lượng động đất
1
u
=1,2
Vùng tiêu tán năng lượng nằm trong các cấu kiện nối chịu cắt hoặc chịu uốn
Hình 1-29 Khung có hệ giằng lệch tâm
Kết cấu với lõi hoặc vách bê tông: là dạng kết cấu chủ yếu dùng lõi hoặc vách bê tông để chịu lực ngang
Hình 1-30 Kết cấu với lõi bêtông hoặc vách bêtông
Khung chịu mô men kết hợp với hệ giằng đúng tâm
Vùng tiêu tán năng lượng nằm trong khung chịu mômen và trong các thanh chéo chịu kéo
Hình 1-31 Khung chịu mômen kết hợp với hệ giằng đúng tâm
Khung chịu mô men kết hợp với tường chèn (bằng gạch hoặc các loại vật liệu khác)
Trang 38Hình 1-33 Khung có hệ giằng chữ K (không được phép sử dụng)
1.3 Những đặc điểm cơ bản của kết cấu nhà cao tầng
Tải trọng ngang là chủ đạo: Do chiều cao nhà lớn, trong khi bề rộng nhà bị giới hạn bởi điều kiện sử dụng, nên tỷ lệ chiều cao trên bề rộng lớn, ảnh hưởng của tải trọng ngang lên hệ kết cấu sẽ vượt trội so với tải trọng đứng Khi nghiên cứu kết cấu, cần phải đặt tải trọng ngang và các bộ phận kết cấu chịu tải trọng ngang lên vị trí ưu tiên hàng đầu
Tải trọng thẳng đứng lớn: Mặc dù tải trọng ngang là chủ đạo, nhưng do số lượng tầng nhiều nên tải trọng đứng cũng rất lớn, lại phân bố trên diện tích hẹp, nên thường phải dùng giải pháp móng sâu Việc giảm tải trọng đứng cần được coi trọng, vì không những giảm trọng lượng tác dụng lên móng mà còn giảm khối lượng tham gia động đất, thông qua đó giảm ảnh hưởng của động đất lên kết cấu Trong nhà cao tầng, tải trọng thẳng đứng chủ yếu do trọng lượng bản thân kết cấu
và tường xây, vì thế nên sử dụng vật liệu cường độ cao cho kết cấu, còn tường sử dụng vật liệu nhẹ hoặc thay thế bằng các vách ngăn nhẹ
Kết cấu móng phức tạp và thường có tầng hầm: Ngoài yêu cầu sử dụng, tầng hầm còn có tác dụng làm giảm trọng tâm, tăng độ ổn định cho công trình Tuy nhiên, việc xây dựng tầng hầm có nhiều vấn đề phức tạp, đặc biệt là trong các đô thị với nhiều công trình lân cận Kết hợp với móng sâu, kích thước cấu kiện móng như cọc, đài cọc… đều lớn nên đòi hỏi máy móc thi công phải hiện đại, kinh nghiệm thi công cần phong phú,thuần thục
Trang 39 Dao động riêng có ảnh hưởng lớn đến tính năng chịu lực của kết cấu nên cần được kiểm soát chặt chẽ: Dao động riêng được thể hiện qua chu kỳ T Chu kỳ T càng lớn, kết cấu càng mềm và ngược lại Thông thường, kết cấu càng mềm càng linh hoạt trong động đất, nhờ đó giảm ảnh hưởng của động đất lên kết cấu Tuy nhiên, dưới tác dụng của các loại lực ngang cưỡng bức như tải trọng gió, kết cấu mềm có các hiệu ứng chuyển vị lớn, làm hỏng các kết cấu bao che và gây cảm giác bất an cho người sử dụng Tiêu chuẩn đưa ra điều kiện hạn chế chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng tương đối và gia tốc đỉnh công trình Như vậy, cần khống chế dao động riêng của công trình để chu kỳ riêng T ở trong phạm vi thích hợp
Kết cấu phần thân cũng đòi hỏi trình độ thi công cao: Dẫn tim cốt lên các tầng cao, vận chuyển vật liệu lên cao … đều phức tạp hơn các công trình thấp và nhiều tầng nên đã có nhiều thiết bị, máy móc được chế tạo và sản sinh ra nhiều công nghệ
Trang 40 Chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết cấu liên quan mật thiết với kích thước kết cấu Nhà cao tầng có chiều cao lớn nên biến dạng nhiệt theo phương thẳng đứng ở hàng cột ngoài khá rõ rệt, khi tính toán phải được xem xét một cách thỏa đáng
Hệ thống cơ điện hiện đại, đan xen phức tạp, làm ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu: Việc các mặt bằng sử dụng ở trên cao làm phát sinh nhiều vấn đề mới như giao thông chủ đạo là thẳng đứng, giải pháp thoát hiểm khi có thiên tai, hỏa hoạn,
sự giảm áp suất theo chiều cao làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người… từ đó đòi hỏi hệ thống phụ trợ (cơ điện) phải có sự thích ứng Nhìn chung, hệ thống cơ điện trong nhà cao tầng rất phức tạp, liên quan đến nhiều lĩnh vực, dễ xung đột, buộc hệ thống kết cấu phải linh hoạt, phù hợp với hệ thống cơ điện
1.4 Ưu nhược điểm của kết cấu nhà cao tầng bằng thép
Như đã nêu ở trên, vật liệu sử dụng trong nhà cao tầng ưu tiên chủng loại có cường độ cao, trong đó có vật liệu thép So với kết cấu bê tông, kết cấu thép có những ưu điểm sau:
Cường độ cao
Vật liệu thép có cường độ lớn hơn nhiều lần so với các vật liệu xây dựng thông dụng khác hiện nay Cấp độ bền của bê tông dùng trong nhà cao tầng đã có những bước tiến đáng kể, tuy nhiên vẫn kém vật liệu thép đến hơn 10 lần Nhờ cường độ cao nên kết cấu thép cho phép triển khai các loại công trình cao hơn, nhiều tầng hơn so với dùng các vật liệu khác
Trọng lượng kết cấu nhẹ
Mặc dù trọng lượng riêng của vật liệu thép gấp 3 lần bê tông cốt thép, nhưng do
có cường độ cao nên tiết diện cấu kiện thép nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép trong cùng một điều kiện làm việc đến cả chục lần Tích giữa trọng lượng riêng và diện tích tiết diện chính là trọng lượng của kết cấu, cho thấy kết cấu thép nhẹ hơn kết cấu bê tông cốt thép khoảng 3 lần, nhờ thế giảm bớt tác động của động đất, giảm bớt gánh nặng cho kết cấu nền móng, giúp giải pháp nền móng trở nên đơn giản hơn, tính khả thi được nâng lên
Tốc độ thi công nhanh
Kết cấu thép là kết cấu lắp ghép Cấu kiện được sản xuất tại nhà máy trên các dây chuyền chuyên dụng, năng suất cao, chất lượng tốt, mang đến công trường chỉ cần lắp ráp bằng bu lông, đinh tán hoặc liên kết hàn nên không có thời gian chờ đợi như trong kết cấu bê tông cốt thép toàn khối Tốc độ thi công kết cấu thép hiện nay khoảng 2,5 tầng/ngày, của kết cấu bê tông cốt thép khoảng 5 đến 10 ngày Tuy nhiên, kết cấu lắp ghép có thể thi công nhanh hơn nhiều nếu có đủ điều kiện thuận lợi Mới đây, công ty