6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1.2.5 HỆ GIẰNG CHỮ K
Hệ giằng chữ K tương tự hệ giằng hình thang hoặc tam giác, nhưng các thanh giằng chéo ngắn hơn nhiều. Do đó trong mặt phẳng của hệ giằng, chiều dài tính tốn của cột giảm bớt một nửa, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chịu lực của cột trong trạng thái uốn dọc và độ mảnh giới hạn theo phương mặt phẳng của hệ giằng.
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1. 7 K-giằng
Hệ giằng chữ K kết nối với các cột ở giữa chiều cao. Đây khung có nhiều sự linh hoạt cho việc cung cấp các khe hở ở mặt tiền và kết quả trong sự bẻ cong ít nhất là trong sàn dầm. Hệ giằng chữ K thường không được khuyến khích ở các vùng địa chấn vì có khả năng dẫn đến cột bị hỏng trong nếu thanh giằng đang chịu tác động của lực nén không làm việc.
1.1.2.6 Hệ khung có vách cứng
Các hệ giằng nói trên thường chỉ được sử dụng hạn chế trong phạm vi các lõi cứng, vách cứng ... chẳng hạn như lõi giếng thang máy, tum cầu thang bộ, thoát hiểm, hộp đường ống kỹ thuật hoặc vách tường hành lang... Muốn sử dụng toàn bộ ơ rỗng của khung có thể chỉ cấu tạo những vách cứng bằng các thanh chéo ngắn ở bên cạnh mối nối giữa cột và dầm, thay vì các hệ khung giằng nói trên. Những ưu điểm chính của hệ khung có vách cứng là kết cấu gọn nhẹ, ít tốn vật liệu, có thể bố
trí khung cửa sổ hoặc lối đi có kích thước lớn, đồng thời vẫn tạo ra được các vách cứng theo yêu cầu nhất định.
Tuy nhiên, trường hợp này nhịp dầm khung không được thu hẹp nhiều, nội lực trong dầm và cả chiều dài thiết kế của cột cũng khơng được cải thiện bao nhiêu.
1.1.2.7 Hệ khung giằng có dạng cổng
Loại này thường được sử dụng tại những khoang có nhịp gian khá rộng để bố trí các loại cổng và cửa lớn, cấu tạo gồm các thanh ngắn liên kết với nhau thành một dàn tam giác hai đầu ngàm vào các cột của khung giằng ở hai bên.
1.1.2.8 Hệ khung giằng có các thanh liên kết lệch tâm
Các thanh chéo trong hệ giằng thường liên kết đồng quy, trùng vào đúng tâm điểm của các nút khung. Với sơ đồ như vậy, lực dọc trục trong các thanh sẽ không gây ra mômen lệch tâm tại nút khung. Tuy nhiên, cấu tạo các nút liên kết với nhiều thanh cùng đồng quy tại một điểm sẽ trở nên phức tạp, khó bảo đảm chất lượng hơn. Bản mã cũng phải có kích thước lớn hơn. Vì vậy trong nhiều trường hợp có thể sử dụng các hệ thanh giằng có những thanh chéo liên kết lệch tâm.
Trong kết cấu thép nhà cao tầng, hệ giằng có hiệu quả về phương diện sử dụng vật liệu là những loại hệ giằng có ít cấu kiện chịu uốn nhất. Trừ khung có nút và vách cứng, các hệ giằng đều có ưu điểm chung như sau
- Mọi liên kết giữa dầm và cột với thanh giằng đều đơn giản, có thể bố trí lệch tâm theo yêu cầu thiết kế;
- Các hệ giằng dễ thay đổi hình dạng và có thể biến cải tuỳ nhu cầu sửa đổi trong tương lai;
- Các hệ giằng chiếm vị trí khá hẹp và tập trung trong mặt bằng kết cấu của sàn tầng và có thể nằm lẫn trong các tường ngăn;
- Đó là những hệ thống rất có hiệu quả và thơng dụng trong nhà cao tầng khung thép cỡ trung bình và lớn, tạo thành các vách cứng và lõi cứng.
1.1.3 Ứng xử của kết cấu giằng và kết cấu khung có sử dụng giằng khichịu tác dụng của lực ngang và lực đứng chịu tác dụng của lực ngang và lực đứng
1.1.3.1 Ứng xử của kết cấu giằng
Giằng là phương pháp có hiệu quả và kinh tế để chịu lực ngang trong kết cấu khung. Một hệ thống khung có giằng, các cột và dầm chịu lực đứng và các giằng
chéo để tạo cho toàn bộ kết cấu tạo ra một kết cấu giàn trên phương đứng để chịu lực ngang. Các dầm và giằng đóng vai trị các thanh bụng và các cột là các thanh biên của giàn. Giằng rất có hiệu quả do cấu kiện này chỉ chịu lực dọc nên cần diện tích nhỏ nhưng có khả năng cung cấp độ cứng lớn để chịu lực ngang.
Do tải trọng ngang trong kết cấu nhà có tính đảo chiều nên các bộ phận của hệ thống giằng sẽ tính tốn tuỳ thiết kế theo chiều tải trọng (thanh giằng chịu lực kéo và lực nén). Tuy nhiên, do kết cấu thép có khả năng chịu kéo cao nên khi thiết kế người thiết kế thường tính tốn theo trường hợp chịu nén, vì đây là trường hợp nguy hiểm hơn. Vì lý do này, các hệ thống giằng có các thanh giằng ngắn, ví dụ kiểu chữ K, có thể được ưu tiên hơn là kết cấu có chiều dài tồn đường chéo. Thanh giằng chịu nén trong kết cấu hai giằng chéo có thể được giả định là mất ổn định và lực cắt sẽ được chịu bởi các thanh giằng chéo chịu kéo.
Lợi thế quan trọng của các kết cấu giằng dạng tam giác (Hình 1.8 a-e) là mơ men và lực cắt trong dầm không phụ thuộc tải trọng ngang. Kết quả là kết cấu khung chỉ chịu lực đứng nên có thể cấu tạo tương tự nhau giữa các tầng từ dưới lên dẫn đến kinh tế trong thiết kế.
Trong kết cấu giằng có các thanh chéo được nối với dầm ở những vị trí cách khá xa đầu dầm (Hình 1.8 f-g), dầm nên được thiết kế như là dầm liên tục qua liên kết để giảm chi phí cho kết cấu giằng. Một lợi thế khác của kết cấu giằng này là, do các thanh giằng được nối một hoặc cả hai đầu vào dầm nên mềm hơn theo phương đứng dẫn đến không chịu nhiều lực khi cột ngắn lại do lực đứng.
Hệ thống giằng lệch tâm là hệ thống mà các thanh giằng khơng nối với nút chính (Hình 1.8 k-m) có thể được thiết kế trong kết cấu khung thép có u cầu tính dẻo cao để chịu động đất. Trong kết cấu này, giằng làm việc đàn hồi khi chịu gió hay động đất nhỏ. Khi chịu vượt tải hay các trận động đất lớn liên kết ngắn trong dầm nối giằng với cột làm việc như một “cầu chì” với biến dạng chảy do cắt để tạo ra ứng xử dẻo cho kết cấu. Kết cấu giằng kiểu đảm bảo cho kết cấu có độ cứng đàn hồi lớn đồng thời có khả năng phân tán năng lượng phi đàn hồi và có thể chịu được nhiều vịng lặp của tải trọng.
(a)
(f)
(k)
(b)
(l) (c) (h) (m) (d) (i) (n) (e) (j) (p)
(a) Kết cấu giằng chéo đơn
(c) Kết cấu giằng chéo tam giác thuận (e) Kết cấu giằng chữ K đúng tâm (i, j) Kết cấu giằng tam giác lệch tâm
(b) Kiểu kết cấu giằng chéo chữ X (d) Kết cấu giằng chéo tam giác nghịch (f, g, h) Kết cấu giằng hình thang (k, f,) Kết cấu giằng chéo đơn lệch tâm (m, n, p) Kết cấu giằng có thanh liên kết lệch tâm
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1.8 Các kiểu kết cấu giằng
Vai trò của các “thanh bụng” để chịu lực cắt trong kết cấu khung giằng có thể được thể hiện bằng dịng lực cắt được truyền giữa các tầng. Hình 1.9 thể hiện 4 dạng giằng chịu lực ngang. Bỏ qua hiệu ứng nhỏ của lực ngang tác dụng cục bộ trên từng tầng, sự truyền theo phương đứng của lực ngang tổng thể có thể được thể hiện trên hình này. Trên Hình 1.9a, thanh chéo ở từng tầng chịu nén làm cho dầm chịu kéo. Biến dạng co ngắn trên thanh giằng và biến dạng giãn trên dầm gây ra biến dạng cắt cho kết cấu.
Trên Hình 1.9b, nội lực trong các giằng nối từng dầm cân bằng nhau theo phương ngang làm cho dầm chịu lực dọc khơng đáng kể. Trên Hình 1.9c, một nửa dầm chịu nén và nửa cịn lại chịu kéo. Trên Hình 1.9d, các phần cuối của dầm chịu kéo và chịu nén và tồn dầm chịu uốn hai phía. Khi lực ngang đổi chiều, nội lực và biến dạng trong các bộ phận kết cấu giằng cũng sẽ đổi dấu.
Q A D Q (a) Q B C A D 0 0 (b) Q B C Q Q A E B E F B D F C G H C D (c)
(a) Kết cấu giằng đơn (c) kết cấu chữ K
Q (d) Q
(b) kết cấu giằng kép, (d) giằng kiểu chân ghế
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1.9 Sự phân bố dịng lực ngang qua các tầng.
A C (a) B D A C (b) B D A C 0 0 0 (c) B D A 0 0 E F (d) 0 B D C
(a) Sự làm việc của kết cấu giằng đơn (b) Sự làm việc của kết cấu giằng kép, (c) Sự làm việc của đầu dầm không nối với giằng chéo đơn
(d) Sự làm việc kết cấu giằng chéo tam giác
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1.10 Sự làm việc của giằng khi chịu lực đứng
Vai trò, của các thanh bụng trong kết cấu giằng khi chịu nén do kết cấu biến dạng theo phương đứng do tải trọng đứng cũng được xác định tương tự. Khi cột trên Hình 1.10a và Hình 1.10b bị ngắn lại, các thanh chéo bị nén. Trên Hình 1.10c, các đầu dầm khơng nối với giằng sẽ khơng có liên kết mơ men với cột. Do đó, dầm
khơng thể tạo ra ràng buộc theo phương ngang để sinh ra nội lực trong thanh giằng chéo. Tương tự, trên Hình 1.10d, ràng buộc theo phương đứng do độ cứng chịu uốn của dầm không lớn nên các thanh chéo tham gia chịu lực theo phương đứng không đáng kể. Nếu kiểu kết cấu giằng cho phép các thanh giằng chéo chịu lực nén do tải trọng đứng chúng cần được thiết kế để có thể chịu lực nén hoặc, để tránh các bất thường trong ứng xử chịu lực ngang của kết cấu do các thanh giằng bị mất ổn định, chúng cần được cấu tạo ngắn và được dự ứng lực kéo trong khi xây dựng.
1.1.3.2 Ứng xử của khung có giằng
Khung có giằng khi chịu lực ngang ứng xử như một giàn consol đứng. Các cột làm việc như các thanh biên chịu mơ men, chịu kéo ở phía gió đẩy và chịu nén ở phía gió hút. Các thanh giằng chéo và dầm làm việc như các thanh bụng để chịu lực cắt. Các thanh chéo chịu nén hay chịu kéo phụ thuộc hướng nghiêng của chúng và các dầm chịu lực kéo và đôi khi cả chịu uốn.
Hiệu ứng của biến dạng dọc trong các thanh biên (cột) khi chuyển vị ngang của khung sẽ tạo ra hình dạng biến dạng uốn của kết cấu nghĩa là kết cấu cong theo hướng gió với độ dốc lớn nhất ở đỉnh (Hình 1.11a).
Hiệu ứng từ biến dạng của các thanh bụng (dầm và giằng) tạo ra biến dạng “cắt” của kết cấu, cong ngược về hướng gió và có độ dốc lớn nhất ở chân và độ dốc bằng 0 ở đỉnh (Hình 1.11b).
Biến dạng chung của biến dạng trong kết cấu là tổng của các biến dạng trên và phụ thuộc nhiều vào dạng của giằng (Hình 1.11c).
(a) Kết cấu cong theo hướng gió;
(b) Kết cấu cong theo hướng ngược gió
(c) Kết cấu cong hỗn hợp
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Trong kết cấu khung được giằng một nhịp, tải trọng ngang sinh ra lực kéo lớn nhất ở chân cột phía đón gió. Khung càng mảnh thì lực kéo càng lớn. Phụ thuộc diện tích truyền lực từ sàn vào cột, lực kéo có thể được triệt tiêu một phần hay toàn bộ bởi tĩnh tải. Đối với kết cấu có tỷ lệ chiều cao/bề rộng nhịp lớn hơn 10, khả năng kết cấu bị nhổ là cao. Trong kết cấu nhiều nhịp, vấn đề này có thể tránh được bằng cách bố trí giằng trong các tầng kế tiếp ở các nhịp khác nhau. Trong cách bố trí này, lực dọc gây ra bởi tải trọng ngang có thể nhỏ đi đáng kể.
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1.12 Bố trí giằng trong các nhịp khác nhau của khung Với một yêu cầu kiến trúc cho trước, đôi khi cần phải sử dụng các dạng giằng khác nhau ở các nhịp khác nhau trong cùng một khung hoặc trong các nhịp của các khung song song. Việc kết hợp các khung giằng toàn đường chéo hay dạng chữ K - (các dạng đều có độ cứng chịu cắt lớn) với khung giằng kiểu chân ghế (dạng có độ cứng ngang nhỏ) có thể khơng tạo ra kết cấu có độ cứng thoả mãn do các kết cấu có độ cứng lớn sẽ gây ra nội lực lớn. Khi xác định độ cứng của từng khung riêng rẽ, tổng chiều cao của khung cần được xem xét. Điều này có nghĩa là độ mềm uốn ngang do biến dạng của giằng và dầm cần được xét đến.
Trong một số tình huống, do bố trí tầng lùi hay tầng chuyển nên khơng bố trí được giằng trong cùng một mặt phẳng trên toàn bộ chiều cao của kết cấu. Trong trường hợp này, lực ngang có thể được truyền từ các khung có giằng ở trên tầng chuyển xuống khung ở dưới qua sàn cứng hay các giằng trong mặt phẳng sàn.
1.2 Giới thiệu về nhà cao tầng
1.2.1 Định nghĩa về nhà cao tầng
Định nghĩa về nhà cao tầng thay đổi từng Quốc gia tùy thuộc vào sự phát triển khoa học kỹ thuật, kinh tế, xã hội và ứng dụng cơng nghệ của Quốc gia đó. Theo Ủy Ban nhà cao tầng Quốc tế “Một cơng 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”.
a. Nhà cao tầng ở Mỹ
Trường phái nhà cao tầng Chicago Nhà cao tầng mang nặng về mặt kỹ thuật, có hình thức khối tương đối vng vắn, cục mịch và khơng đa dạng cũng như khơng mang tính nghệ thuật. Kiểu nhà cao tầng phổ biến nhất tại thành phố Chicago nói riêng và tồn nước Mỹ nói chung là những tịa nhà chọc trời được thiết kế thiên hướng theo cơng năng và kết cấu hiện đại mang tính cơng nghệ cao nhưng khơng mang tính phong phú và đa dạng về nghệ thuật kiến trúc nhà cao tầng. Kể từ khi được giới thiệu và sử dụng rộng rãi, kiến trúc này đã làm chuyển đổi các tòa nhà theo phong cách Châu Âu cổ điển sang trường phái thiết kế theo công nghệ phô diễn kết cấu.
Cao ốc Woolworth (241m) Cao ốc Chrysler (319m) State Empire Building (344m)
(Nguồn Buitk, 2018 [7])
Hình 1.13 Các tịa nhà cao tầng nổi tiếng ở Mỹ theo trường phái Chicago Trường phái nhà cao tầng New York Nhà cao tầng có đặc điểm phong phú và đa dạng về hình thức kiến trúc của tổ hợp. Trường phái này có xử lý hình khối
kiến trúc của tổ hợp một cách nghệ thuật, bao gồm Tổ hợp mặt bằng; tổ hợp mặt đứng mà hiệu quả là phần kết của mặt đứng.
(Nguồn Buitk, 2018 [7])
Hình 1.14 Các tịa nhà cao tầng nổi tiếng ở Mỹ theo trường phái New York
b. Nhà cao tầng ở Châu Âu
Châu Âu đi sau Mỹ trong quá trình phát triển nhà cao tầng. Từ những năm 1950 Frankfurt - Đức trở thành thành phố nhà cao tầng đầu tiên của Châu Âu. Năm 1960 tháp Henninge trong khu phố Sachsenhausen là căn nhà Frankfurt đầu tiên vượt qua tháp “Tây” của nhà thờ lớn Frankfurt về chiều cao (120 mét). Các nhà cao nhất của những năm 1970 (Plaza Baro Center/khách sạn Marriott, DG-Bank (ngân hàng hợp tác xã Đức), Dresdner Bank là những tòa nhà cao nhất nước Đức với chiều cao tròn 150m, tháp hội chợ (Messeturm) 1990 đạt chiều cao 257 m và là tòa nhà cao nhất châu Âu cho đến 7 năm sau đó bị vượt qua bởi tòa nhà cao 259 m (cả ăngten cao 300 m) là trụ sở chính của Commerzbank.
c. Nhà cao tầng ở Mỹ La tin, Trung Đông, Châu Á
Trước sự khan hiếm về đất đai xây dựng cũng như tỉ lệ hồn vốn và lợi nhuận trên diện tích sàn cao, nhà chọc trời trở thành một xu hướng phát triển chung do đó từ cuối thập niên 1930, nhà cao tầng cũng dần dần xuất hiện ở Nam Mỹ và ở Châu Á như Tháp đôi Petronas tại Kuala Lumpur, Tháp Taipei tại Đài Bắc - Đài Loan, Tòa tháp Burj tại Dubai - Tiểu Vương quốc Arập …
d. Nhà cao tầng ở Việt Nam
cơng trình nhà cao tầng. Các cơng trình nhà cao tầng đã đem lại cho các đơ thị Việt Nam một cảnh quan mới, một không gian kiến trúc hiện đại, tạo ra biểu tượng cho nền văn minh và tiến bộ xã hội, cụ thể Dự án Phương Trạch Tower (500+, 108 tầng, Hà Nội), Tòa nhà Empire City (500+, 86 tầng, TP.HCM), Tòa nhà Landmark 81 (461m, 81 tầng, TP.HCM), Tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark Tower (345m, 72 tầng, Hà Nội), Trung tâm Lotte (265m, 65 tầng, Hà Nội), Tháp tài chính Bitexco