Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có rất nhiều các công trình cao tầng được xây dựng và đưa vào sử dụng; đồng thời cũng có rất nhiều dự án khả thi khác về nhà cao tầng chuẩn bị được đưa vào thi công trong tương lai.
Một số các công trình nhà cao tầng ở Việt Nam đã được thi công [14]: 1- Tòa nhà “Hanoi Tower” – Hai Bà Trưng, Hà Nội (1997) – cao 26 tầng 2- Khách sạn Fortuna – 5 Láng Hạ, Hà Nội (1995)
3- Khách sạn SHERATON – Nghi Tàm, Hồ Tây, Hà Nội (1998) 4- Trung tâm đào tạo Bưu Chính Viễn Thông I – Hà Nội
5- Tháp truyền hình Việt Nam – Hà Nội
6- Trung tâm phát thanh truyền hình Quảng Ninh – thành phố Hạ Long (1997)
8- Khu đô thị Trung Hòa – Nhân Chính: 11 tòa nhà 17 tầng, 3 tòa nhà 18 tầng, 2 tòa nhà 24 tầng, 1 nhà 34 tầng.
9- Khách sạn “METROPOLE” – góc đường Trần Hưng Đạo – Nguyễn Cư Trinh – quận 1 thành phố Hồ Chí Minh
10- Khách sạn “HORIZON” – thành phố Hà Nội (1997)
Hình 1.16 “HaNoi Tower”-Hà Nội Hình 1.17 Khách sạn Winsor -TPHCM 1.6.3 Tình hình phát triển nhà cao tầng có hệ thống dầm chuyển
Hiện nay sự xuất hiện của các công trình nhà cao tầng ngày càng phát triển mạnh. Đồng thời các nhu cầu của con người về sự tiện ích khi sử dụng cũng đòi hỏi sự đa dạng về chức năng trong công trình. Công trình thường là sự kết hợp các chức năng như nhà ở, văn phòng làm việc, siêu thị,... Như vậy vấn đề đặt ra là các không gian như siêu thị, phòng họp,... đòi hỏi không gian lớn với các lưới cột thưa, trong khi đó nhà ở lại cần không gian hẹp hơn với lưới cột dày. Do đó giải pháp dầm chuyển là một trong số các giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này.
Trên thế giới, lý thuyết tính toán về dầm chuyển đã được nghiên cứu từ những năm 1965 bởi Albritton [20]. Những nghiên cứu ban đầu chỉ ra rằng hầu hết các dầm này làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Tuy nhiên nhược điểm
của các nghiên cứu đàn hồi là giả thiết vật liệu đẳng hướng tuân theo định luật Hook. Cho đến tận những năm 1960, việc thí nghiệm tải trọng giới hạn một cách hệ thống đã được thực hiện bởi Paiva & Siess (1965) và Leonhardt & Walther (1966). Những thí nghiệm này là một bước đột phá trong việc nghiên cứu về dầm chuyển.
Trước khi dầm chuyển chính thức được nghiên cứu về lý thuyết tính toán, tại thành phố Chicago – Mỹ đã xây dựng công trình “Brunswich Building” – công trình có dầm chuyển đầu tiên trên thế giới. Công trình này được xây dựng trên khu đất có diện tích 1hecta và có diện tích là 251,5m2. Chiều cao của công trình là trên 144m với 35 tầng. Dầm chuyển được thiết kế ở giữa tầng trệt và tầng 1 của công trình. Nó có chiều dài là 51,2m tựa trên 4 đầu cột và chịu tải từ các cột đặt dày hơn ở bên trên. Dầm được thiết kế với chiều cao tương đương khoảng 2 tầng nhà.
Hình 1.18 Hình ảnh về dầm chuyển trong công trình
Sau đó một số các công trình có hệ thống dầm chuyển đã dần dần được xây dựng trên toàn thế giới.
- Tòa nhà “Worth the Wait” ở Mỹ: dầm chuyển được thiết kế ở tầng 3 để đỡ hệ khung bên trên
- Tòa nhà “Diwang International Commerce Center” tại Nam Ninh- Trung Quốc: hoàn thành năm 2006 với chiều cao 276m và 56 tầng. Dầm
chuyển được thiết kế tại tầng 6 và tầng 38 dùng để đỡ hệ tường chịu lực và khung của các tầng trên.
Hình 1.19: “Brunswich Building” - Chicago - Mỹ
Hình 1.20: “Diwang International Commerce Center”–Trung Quốc
Tại Việt Nam, gần đây cũng đã có các công trình nhà cao tầng sử dụng hệ thống dầm chuyển.
- Công trình 34 tầng – khu đô thị Trung Hòa, Nhân Chính: Công trình này được khởi công xây dựng năm 2003 và hoàn thành năm 2006. Chiều cao của nó là 136m, diện tích xây dựng là hơn 3000m2. Hệ thống dầm chuyển được đặt tại tầng kỹ thuật của công trình với kích thước như sau: Chiều cao dầm là 2,15m, chiều rộng dầm là 18002700mm.
- Dự án tòa nhà Westa – Mỗ Lao – Hà Đông: Công trình gồm 2 khối có 21 & 25 tầng nổi (trong đó có 6 tầng dịch vụ), 3 tầng hầm. Các tầng dịch vụ có mục đích sử dụng làm nhà hàng, khách sạn, siêu thị. Diện tích xây dựng của công trình là 4992m2.
- Trung tâm thương mại và dịch vụ công cộng Cựu Viên – Kiến An – Hải Phòng. Đây là công trình cao 24 tầng nổi và 4 tầng hầm. Trong đó từ tầng 1 đến tầng 3 được thiết kế làm siêu thị và tầng 5 là phòng trưng bày sản phẩm; các phòng này đều đòi hỏi không gian lớn. Các tầng từ 6 – 24 có công năng là các văn phòng cho thuê có không gian hẹp hơn.
Hình 1.21: Chung cư 34T- Trung Hòa Nhân Chính
Hình 1.22: Tòa nhà Westa –Mỗ Lao – Hà Đông –Hà Nội
1.7 Tổng quan về dầm chuyển
1.7.1 Khái niệm về dầm chuyển
Dầm chuyển là loại kết cấu thường cao và rộng được sử dụng để truyền tải trọng từ các vách hoặc các cột của các kết cấu bên trên xuống các kết cấu thanh bên dưới [19].
Trong nhà cao tầng, các không gian rộng lớn ở các tầng phía dưới gần như là nhu cầu tất yếu. Các không gian này có thể là các bãi đỗ xe, các siêu thị, các sảnh lớn, hoặc các văn phòng làm việc. Tuy nhiên ở các tầng phía trên lại xuất hiện các vách cứng hoặc cần không gian hẹp hơn với lưới cột dày. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các dầm chuyển lớn để tiếp nhận các tải trọng
từ các vách cứng hoặc các cột bên trên và sau đó phân phối chúng xuống các cột bên dưới với bước cột lớn hơn.
Đối với trường hợp dầm chuyển đỡ vách, cách sắp xếp này chia khung thành 2 phần: phần vách cứng ở phía trên, phần kết cấu khung thông thường ở bên dưới. Còn khi dầm chuyển đỡ cột, xuất hiện 2 phần: phần khung có bước cột dày ở phía trên, phần khung có bước cột thưa ở phía dưới.
1.7.2 Phân loại dầm chuyển [8]1- Phân loại theo chức năng sử dụng: 1- Phân loại theo chức năng sử dụng:
- Dầm chuyển đỡ hệ khung (cột) - Dầm chuyển đỡ hệ vách
- Dầm chuyển đỡ khung kết hợp với vách
2- Phân loại theo vật liệu chế tạo:
- Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép thường
Ưu điểm: Dễ chế tạo, sử dụng được các vật liệu sẵn có của địa phương Nhược điểm: Kích thước của dầm lớn, trọng lượng của dầm lớn
- Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép ứng lực trước
Ưu điểm: Khả năng chống uốn cao hơn, giảm được kích thước tiết diện của dầm, khả năng vượt được nhịp lớn hơn so với bê tông cốt thép thường
Nhược điểm: Thi công phức tạp, khó khăn - Dầm chuyển bằng kết cấu thép
Ưu điểm: Trọng lượng nhỏ hơn so với bê tông cốt thép, khả năng vượt nhịp lớn tốt hơn, khả năng công nghiệp hóa cao
Nhược điểm: Thi công phức tạp, khó khăn; tốn kém hơn do thép là vật liệu đắt tiền và tốn kém khi bảo dưỡng, sửa chữa
3- Phân loại theo phương pháp chế tạo:
- Chế tạo theo phương pháp đổ tại chỗ
Ưu điểm: Do các cấu kiện được đổ toàn khối nên độ cứng tổng thể lớn, khả năng chịu tải trọng động tăng, hình dáng tiết diện phong phú
Nhược điểm: Thi công phụ thuộc nhiều vào thời tiết, tốn kém ván khuôn và cây chống
- Chế tạo theo phương pháp lắp ghép
Ưu điểm: Tiết kiệm được ván khuôn, cây chống; nâng cao chất lượng do thi công trong nhà máy; thời gian thi công được rút ngắn
Nhược điểm: Độ cứng tổng thể không cao; chịu tải trọng động kém; tốn kém khi xử lý các mối nối
4- Phân loại theo số nhịp của dầm:
- Dầm chuyển đơn nhịp (một nhịp)
- Dầm chuyển nhiều nhịp (hai nhịp trở lên)
1.7.3 Phân tích trạng thái làm việc của dầm chuyển
Dầm chuyển là dầm có chiều cao tương đối lớn do đó trạng thái làm việc cũng như tính toán tương tự như dầm cao
Khi phân tích đàn hồi với loại dầm này, trạng thái cần xét được tính đến trước khi dầm hình thành vết nứt. Sự hình thành vết nứt này xuất hiện khi tải trọng đạt từ một phần ba đến một nửa tải trọng tới hạn [13]. Các kết quả phân tích đàn hồi là chính yếu vì chúng thể hiện sự phân bố các ứng suất mà gây ra vết nứt do đó cần đưa ra các chỉ dẫn về hướng cho vết nứt và dòng lực sau khi đã xuất hiện vết nứt.
Trong trường hợp dầm đơn nhịp đỡ tải trọng tập trung, các ứng suất nén chính tác dụng gần như song song với các đường nối tải trọng và các trụ đỡ; ứng suất kéo chính lớn nhất tác dụng song song với đáy dầm; ứng suất uốn ở đáy là không đổi trên phần lớn nhịp.
Khi dầm đơn nhịp chịu tải trọng phân bố đều từ trên xuống, các đường ứng suất kéo chính có hình lượn sóng theo phương song song với đáy dầm, trong khi đó ứng suất nén chính luôn vuông góc với đường ứng suất kéo chính. Nếu tải trọng có hướng tác dụng từ mặt dưới của dầm, quỹ đạo chịu nén của dầm sẽ có dạng vòm.
Sự truyền lực cắt của tải trọng truyền xuống gối tựa diễn ra ở phần dưới của dầm. Nhưng lực cắt theo phương đứng gần với gối tựa nên được xem như các ứng suất trực tiếp tại khu vực đó để chịu các ứng suất kéo chính. Các ứng suất kéo chính hầu như nằm ngang khi tải đặt ở mặt trên của dầm, nhưng tải trọng đặt ở mặt dưới dầm thì giá trị của ứng suất kéo chính tăng lên đáng kể và theo góc 450 so với phương ngang [18].
Chương 2
Nguyên tắc, phương pháp tính toán nhà cao tầng Và mô hình hóa nhà cao tầng có dầm chuyển
2.1 Các loại tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng
2.1.1 Khái niệm chung về tải trọng [11]
Tải trọng tác dụng trực tiếp lên công trình được gây ra bởi những lực tự nhiên hoặc do con người tác động vào. Như vậy tải trọng do 2 nguồn gốc chính tạo ra:
- Tải trọng vật lý địa cầu: Là kết quả của sự vận động không ngừng trong thiên nhiên bao gồm trọng lực, lực gây ra do khí tượng và động đất. Trọng lực chính là trọng lượng riêng của công trình; là loại tải trọng thường xuyên, không đổi trong suốt quá trình sử dụng. Tải trọng do khí tượng là loại tải trọng biến đổi theo thời gian và cả điểm đặt lực. Đó có thể là tải trọng gió, sự thay đổi của nhiệt độ, tuyết, mưa,...
- Tải trọng nhân tạo: Là loại tải do sự tác động va đập của các máy móc, thang máy, các thiết bị cơ học, do người và các thiết bị di chuyển,...
Những nguồn tải trọng này đối với công trình thường phụ thuộc lẫn nhau nên khi tính toán cần xét đến mối liên hệ giữa chúng.
2.1.2 Phân loại tải trọng
Các loại tải trọng tác động lên công trình và các hệ số độ tin cậy của chúng được lấy theo quy phạm về tải trọng và tác động trong TCVN 2737:1995 [15] của Bộ Xây Dựng ban hành. Có nhiều cách để phân loại tải trọng:
1) Phân loại theo phương, chiều tác dụng:
- Tải trọng thẳng đứng: Là các loại tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng như trọng lượng bản thân, người, đồ đạc,...
- Tải trọng nằm ngang: Là loại tải trọng tác dụng theo phương ngang như tải trọng gió, lực hãm của xe cộ,...
2) Phân loại theo tính chất:
- Tải trọng thường xuyên (Tĩnh tải): Là các loại tải trọng không thay đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng của công trình. Loại tải này bao gồm tải trọng bản thân của các cấu kiện, khối lượng và áp lực của đất,...
- Tải trọng tạm thời (Hoạt tải): Là loại tải trọng có thể thay đổi về điểm đặt, trị số phương chiều tác dụng, nó có thể xảy ra dài hạn hoặc ngắn hạn như người, đồ đạc, tải trọng gió,...
- Tải trọng đặc biệt: Là loại tải trọng rất ít khi xảy ra như tải trọng cháy nổ, động đất,...
3) Phân loại theo thời gian tác dụng:
- Tải trọng tác dụng dài hạn: Bao gồm tải trọng thường xuyên và một phần của tải trọng tạm thời như trọng lượng bản thân của cấu kiện, thiết bị, vật liệu,...
- Tải trọng tác dụng ngắn hạn: Bao gồm phần còn lại của tải trọng tạm thời như tải trọng gió, người đi lại. xe cộ,...
4) Phân loại theo trị số:
- Tải trọng tiêu chuẩn: Trị số của tải trọng này được lấy bằng giá trị thường gặp trong quá trình sử dụng công trình và được xác định theo các kết quả thống kê
- Tải trọng tính toán: Trị số được xác định bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy. Hệ số này được xác định theo một xác suất đảm bảo quy định để kể đến các tình huống bất ngờ, đột xuất mà tải trọng có thể vượt quá hoặc giảm đi gây bất lợi cho kết cấu
2.1.3 Cách xác định tải trọng
Trong các công trình xây dựng, chúng luôn phải đồng thời chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. [1] Đối với các công trình thấp tầng, ảnh hưởng do tải trọng ngang sinh ra rất nhỏ, công trình chủ yếu được thiết kế để chống lại tải trọng đứng. Theo sự gia tăng của chiều cao, nội lực và chuyển vị của công
trình do tải trọng ngang (do tải trọng gió hoặc tác động của tải trọng động đất) gây ra tăng lên rất nhanh. Nếu xem công trình như một thanh công xon ngàm vào móng, mômen do tải trọng ngang sẽ tỷ lệ thuận với bình phương chiều cao trong khi lực dọc chỉ tỷ lệ với chiều cao
= (nếu tải trọng phân bố đều)
= (nếu tải trọng phân bố hình tam giác)
Chuyển vị ngang do tải trọng ngang sinh ra cũng tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của chiều cao:
∆= (nếu tải trọng phân bố đều)
∆= (nếu tải trọng phân bố hình tam giác)
Do vậy khi tính toán thiết kế nhà cao tầng, tải trọng ngang trở thành nhân tố chủ yếu cần xem xét kỹ
1) Xác định tải trọng thẳng đứng:
- Tĩnh tải: bao gồm các tải trọng như trọng lượng bản thân các cấu kiện, tải trọng tiêu chuẩn của các lớp vật liệu sàn và các tường nhân với hệ số độ tin cậy (được xác định theo TCXDVN 2737-1995)
- Hoạt tải: Căn cứ vào tính năng sử dụng của các loại phòng khác nhau xác định được hoạt tải tiêu chuẩn cho từng phòng, sau đó nhân với hệ số độ tin cậy (được xác định theo TCXDVN 2737-1995)
=> Căn cứ vào kích thước là liên kết giữa sàn với các dầm xung quanh, các tải trọng tác dụng lên sàn theo m2 sẽ được phân phối về các dầm theo các hệ số tương đương
2) Xác định tải trọng ngang:
Tải trọng ngang tác động lên nhà cao tầng gồm: tải trọng gió và tải trọng động đất.
a) Xác định tải trọng gió [17]
Tải trọng gió gồm 2 thành phần: Thành phần tĩnh và thành phần động. Theo TCVN 2737:1995 quy định, đối với nhà có H < 40m và xây dựng trong khu vực có dạng địa hình A và B thì chỉ cần tính toán với thành phần tĩnh của tải trọng gió. Khi H 40m thì cần tính toán với cả thành phần tĩnh và thành phần động.
*) Thành phần tĩnh của tải trọng gió được xác định theo công thức:
= . . (2.1)
Trong đó:
- W0: áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng
- K : Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo thời gian - C : Hệ số khí động
*) Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo công thức sau:
= . . (2.2)
Trong đó:
- W: Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió tại độ cao đang tính toán
- : Hệ số áp lực động của tải trọng gió được xác định theo TCVN 2737-1995
- : Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió
Đối với trường hợp ≤ < và các công trình có mặt bằng đối