Bài giảng kết cấu thép phần nhà cao tầng

NỘI DUNG CƠ BẢN Chương I: Đại cương về nhà cao tầng  Chương II: Tổ hợp hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng  Chương III: Một số nguyên lý cơ bản trong thiết kế KC nhà cao tầng  Chư

Trang 1

NỘI DUNG CƠ BẢN

 Chương I: Đại cương về nhà cao tầng

 Chương II: Tổ hợp hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng

 Chương III: Một số nguyên lý cơ bản trong thiết kế KC nhà cao tầng

 Chương IV: Tải trọng tác dụng

 Chương V: Phân tích và tổ hợp nội lực

 Chương VI: Cấu tạo và tính toán các cấu kiện chịu lực cơ bản

 Chương VII: Cấu tạo và tính toán các liên kết cơ bản

2

Trang 2

CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG

1.1 Định nghĩa và phân loại

 Một công trình xây dựng được xem là cao tầng ở 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

 Phân loại theo chiều cao:

- Nhóm I, bao gồm những nhà có 9 - 16 tầng (cao dưới 50 m)

- Nhóm II, bao gồm những nhà có 17 - 25 tầng (cao dưới 75 m)

- Nhóm III, bao gồm những nhà có 26 - 40 tầng (cao dưới 100 m)

- Nhóm IV, là những nhà “siêu cao tầng”, số tầng nhiều trên 40 (cao trên 100 m)

 Phân loại theo kết cấu chịu lực:

- Nhà có kết cấu chịu lực chính là hệ thanh (khung, giằng)

- Nhà có kết cấu chịu lực chính là các tấm tường, vách

- Nhà có kết cấu chịu lực chính là hệ kết hợp: tường, khung, lõi cứng cùng tồn tại

và làm việc

3

Bộ môn Công trình Thép - gỗ

1.2 Các đặc điểm cơ bản của nhà cao tầng

 Do công trình có chiều cao lớn, tác dụng của các tải trọng ngang (do gió, do động

đất), của các tải trọng lệch, của biến thiên nhiệt độ là rất đáng kể

 Sự phân bố độ cứng dọc theo chiều cao nhà ảnh hưởng đến dao động bản thân,

ảnh hưởng đến tác dụng của các tải trọng, đến nội lực, chuyển vị của hệ kết cấu

 Số lượng tầng nhiều, được phân bố trên một diện tích mặt bằng nhỏ nên trọng

lượng bản thân và tải trọng sử dụng thường rất lớn, dẫn đến các vấn đề cần giải

quyết về nền và móng

 Rất nhạy cảm với độ lún lệch của móng

 Điều kiện thi công phức tạp, quy trình thi công cần phải nghiêm ngặt và yêu cầu

độ chính xác cao

 Các yêu cầu sử dụng như vệ sinh môi trường, thông gió, cấp thoát nước, giao

thông chủ yếu là theo phương thẳng đứng; ảnh hưởng của chiều cao đến sức

khoẻ, tâm lý của người sử dụng trong các nhà cao tầng đều khác xa so với các

công trình khác

4

Trang 3

1.3 Những thành tựu về nhà cao tầng trên thế giới và ở Việt Nam

 Trên thế giới, các công trình cao tầng tập trung chủ yếu ở Chấu Á và Mỹ (Ả rập,

Trung Quốc, Đài Loan, Hồng Kông, Malaysia, )

 Ở Việt Nam, các công trình cao tầng được xây dựng sau năm 1995 và phát triển

rất nhanh trong những năm gần đây, tập trung chủ yếu ở Hà Nội và TP Hồ Chí

Trang 8

Tòa nhà 169 Nguyễn Ngọc Vũ (Hà Nội)

CHƯƠNG II TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG

2.1 Các cấu kiện và hệ kết cấu chịu lực cơ bản

 Các cấu kiện chịu lực cơ bản:

- Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống

- Cấu kiện dạng tấm phẳng: vách cứng dạng tường (tấm tường bêtông cốt thép

đặc hoặc có lỗ), vách dạng giàn tạo thành từ các cột và dầm khung kết hợp với

các thanh xiên, các tấm sàn phẳng hoặc tấm sàn sườn

- Cấu kiện không gian: lõi, hoặc hộp tạo thành từ các tấm tường hoặc hệ lưới

thanh không gian được ghép lại từ các giàn phẳng

16

Trang 9

2.1 Các cấu kiện và hệ kết cấu chịu lực cơ bản

 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản:

- Hệ kết cấu chỉ bao gồm một loại cấu kiện

chịu lực cơ bản: hệ thanh (I), hệ vách cứng

(II), hệ lõi (III), hệ hộp (IV)

- Hệ kết cấu được tổ hợp từ hai hoặc nhiều

loại cấu kiện chịu lực cơ bản: hệ khung-vách,

khung-lõi, khung-hộp, hệ vách-lõi, hệ lõi-hộp

 Các sơ đồ kết cấu chịu lực cơ bản:

2.2 Sơ đồ khung chịu lực

 Sơ đồ gồm khung ngang và dọc liên kết với nhau tạo thành một khung không gian

 Khung và các cấu kiện cần đủ cứng để truyền mọi tải trọng (cả tải trọng đứng và

tải trọng ngang) xuống móng

 Các nút khung cấu tạo nút cứng để bảo đảm độ cứng tổng thể cho công trình

18

a- dạng phổ thông b- dạng hộp theo chu vi c- dạng hộp nhiều ngăn 1- cột, 2- dầm, 3- sàn cứng, 4- chuyển vị ngang, 5- vách thành hộp ngoài, 6- vách thành hộp trong

Trang 10

2.2 Sơ đồ khung chịu lực

 Chuyển vị ngang của một khung có nút cứng gồm hai thành phần:

- Chuyển vị ngang do uốn tổng thể khung, giống như chuyển vị của một thanh

côngxon thẳng đứng (hình b), tỷ lệ này chiếm khoảng 20%

- Chuyển vị ngang do biến dạng uốn các thanh thành phần (hình c), chiếm tỷ lệ

khoảng 80% (trong đó do biến dạng dầm khoảng 65%, do biến dạng cột khoảng

15%)

19

2.3 Sơ đồ giằng chịu lực

 Hệ hỗn hợp bao gồm các kết cấu cứng theo phương thẳng đứng (vách, lõi, hộp)

và các cột hai đầu khớp, liên kết với nhau bởi các tấm sàn tầng

 Kết cấu cột có độ cứng chống

uốn bé nên không có khả năng

chịu tải trọng ngang

Trang 11

của các cột, bổ sung thêm các thanh chống xiên

trên suốt chiều cao nhà để tạo thành những giàn

phẳng thẳng đứng gọi là giàn giằng Các giàn

giằng này chịu phần tải trọng đứng tương ứng với

diện tích sàn mà mỗi vách, giàn phải đỡ (bình

đẳng như các cột khớp), đồng thời phải chịu toàn

bộ tải trọng ngang tác dụng lên công trình

21

bê tông cốt thép; ở một ô (hoặc một số ô) trong mặt bằng

nhà, các giàn giằng đứng liên kết với nhau tạo thành các

giàn không gian Không gian bên trong của các ô giằng

này thường được dùng để bố trí thang máy, thang bộ

hoặc dùng cho việc lắp đặt các đường ống kỹ thuật thông

gió, cấp thoát nước, dây dẫn điện

22

Trang 12

được bố trí với bước nhỏ hơn, kết hợp với các dầm ngang

biên, tạo thành hộp có ô lưới chữ nhật bao quanh biên

ngoài của nhà Khi bổ sung thêm các thanh chéo vào ô

lưới chữ nhật này sẽ tạo thành hộp có ô lưới tam giác, thì

hiệu quả về chịu lực sẽ lớn hơn rất nhiều Trong hệ hộp,

các bản sàn cứng của các tầng tựa trực tiếp lên thành

hộp, các cột bên trong có thể không cần hoặc cần rất ít

Hệ thống cứng theo phương ngang là các bản sàn; cứng

theo phương đứng chủ yếu là hộp giàn giằng quanh chu vi

Trang 13

Cấu tạo hệ giằng đứng bằng thép

2.4 Sơ đồ khung - giằng chịu lực

 Hệ kết hợp gồm các khung có nút cứng và các giằng đứng (vách, lõi, hộp) liên kết

với nhau bởi các sàn cứng, tạo thành hệ không gian cùng chịu lực

 Độ cứng tổng thể của hệ được bảo đảm bởi các giằng đứng, các sàn ngang và các

khung cứng

 Độ cứng của khung bé hơn rất nhiều so với vách, lõi, nên các kết cấu giằng đứng

chịu phần lớn tác dụng của tải trọng ngang (vào khoảng 70 - 90%)

26

a- hệ khung, vách; b- hệ khung, vách, hộp ngoài; c- hệ khung, vách lõi, hộp

Trang 14

2.4 Sơ đồ khung - giằng chịu lực

 Giải pháp tăng độ cứng cho khung ngang:

- Tăng cường thêm các giàn

ngang ở tầng đỉnh nhà hoặc

thêm một vài tầng trung gian

nữa, đồng thời liên kết các cột

khung với các giàn này

- Bố trí thêm các giàn ngang,

dọc để tạo thành các dải cứng,

dải này thường có chiều cao bằng

chiều cao của một tầng nhà

27

28

Trang 16

32

Trang 17

34

Trang 19

CHƯƠNG III NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG

- Công trình có mặt bằng phức tạp hình chữ L, H, Y cần bố trí thêm khe kháng

chấn để đưa về tổ hợp các mặt bằng đơn giản

- Công trình có mặt bằng dài cần được chia cắt thành các mặt bằng ngắn, giảm

bớt sự lệch pha khi dao động

37

3.1 Các nguyên lý cơ bản

 Nguyên lý về hình khối công trình: cân đối, đơn diệu và liên tục, đảm bảo tính

đồng điệu về dao động trong một khối công trình

 Nguyên lý về độ cứng của công trình: không thay đổi đột ngột độ cứng trên dọc

chiều cao và theo phương ngang nhà

 Nguyên lý về bậc siêu tĩnh của công trình: nhà nhiều tầng nên thiết kế với bậc

siêu tĩnh cao

 Nguyên lý về sự xuất hiện của các khớp dẻo: trường hợp cho phép xét đến sự

xuất hiện của các khớp dẻo, thì cần thiết kế sao cho các khớp dẻo xuất hiện ở

dầm trước khi xuất hiện ở cột

38

Trang 20

3.2 Nguyên tắc bố trí kết cấu trên mặt bằng

3.2.1 Bố trí lưới cột

 Lưới cột cần đơn giản, tuân

theo các yêu cầu về định hình

cấu kiện, theo mô-đun thống

nhất

 Bước cột thường 5-6 m đối với

sơ đồ khung; 9-12m cho các

sơ đồ khung-lõi, khung-vách

3.2.2 Bố trí kết cấu giằng

 Cần có ít nhất ba hệ giằng cứng (vách đứng) không cùng song song hoặc không

cắt nhau trên cùng một điểm

40

a,b,c,d,e - các phương án bố trí giằng hợp lý f,g,h - các phương án bố trí giằng không hợp lý

Trang 21

3.2.2 Bố trí kết cấu giằng

 Trọng tâm hình học của mặt bằng nhà trùng hoặc gần trùng với tâm cứng

 Các vách đứng nên phân bố đều trên mặt bằng nhà và càng xa trọng tâm mặt

bằng càng tốt

 Với nhà có mặt bằng dài thì khoảng cách giữa các vách giằng không vượt quá

30m; khoảng cách từ vách giằng đầu tiên đến trục biên không lớn hơn 12m

41

Công trình có độ cứng chống xoắn lớn Công trình có độ cứng chống xoắn nhỏ

Trang 24

3.3 Nguyên tắc tổ hợp kết cấu theo phương đứng

 Nhà có dạng thon dần về chiều cao sẽ cho hiệu quả cao về phân phối khối lượng

dao động, giảm đáng kể các tác dụng của tải trọng ngang

 Trong nhà cao tầng bằng thép, giằng đứng thường là các giàn phẳng hoặc tổ hợp

để tạo thành giàn không gian mà thanh cánh của giàn chính là các cột khung

 Các giàn ngang thường đặt ở tầng đỉnh hoặc các tầng kỹ thuật

47

a- sơ đồ thường dùng; b,c- sơ đồ dùng cho công trình có chiều cao lớn

d- sơ đồ dùng cho công trình yêu cầu độ cứng lớn

CHƯƠNG IV TẢI TRỌNG TÁC DỤNG

4.1 Tải trọng thường xuyên

 Trọng lượng bản thân các kết cấu chịu lực

 Trọng lượng các chi tiết cấu tạo kiến trúc

 Trọng lượng các thiết bị kỹ thuật

4.2 Tải trọng tạm thời (hoạt tải)

 Tải trọng sử dụng trên sàn, mái (tồn tại hệ số giảm tải xét đến xác suất đồng

thời xuất hiện tải trọng ở toàn bộ các ô sàn trong một tầng là nhỏ)

 Tải trọng sửa chữa

48

Trang 25

4.3 Tải trọng gió (TCVN 2737-1995)

 Gió là sự chuyển động của luồng không khí từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp

suất thấp

 Tải trọng gió là tải trọng tạm thời, phụ thuộc vào:

- Thông số về tính chất luồng không khí: vận tốc, áp lực, hướng, dạng địa hình

- Thông số bản thân công trình như: hình dáng, kích thước, độ nhám bề mặt, đặc

4.3.1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió

 Công thức xác định thành phần tĩnh của tải trọng gió :

W = W o kC (daN/m 2 )

- Wolà giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió phụ thuộc vào địa điểm xây dựng

- k là hệ số địa hình phụ thuộc vào cao độ và dạng địa hình, lấy theo bảng 5 TCVN

2737-1995

- C là hệ số khí động, phụ thuộc vào hình khối công trình và hình dạng mặt đón

gió, lấy theo bảng 6 TCVN 2737-1995

-là hệ số vượt tải của tải trọng gió, =1.2

50

Trang 26

4.3 Tải trọng gió

4.3.1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió

 Thành phần tĩnh của tải trọng gió tác dụng lên một cấu kiện hoặc một phần công

trình thứ j được quy về lực tập trung đặt tại trọng tâm, theo hướng gió :

W oj = W o kCA j  (daN/m 2 )

- Wolà giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió phụ thuộc vào địa điểm xây dựng

- k là hệ số địa hình phụ thuộc vào cao độ và dạng địa hình, lấy theo bảng 5 TCVN

2737-1995

- C là hệ số khí động, phụ thuộc vào hình khối công trình và hình dạng mặt đón

gió, lấy theo bảng 6 TCVN 2737-1995

- Ajlà diện tích của cấu kiện hoặc phần công trình thứ j

-là hệ số vượt tải của tải trọng gió, =1.2

51

4.3.2 Thành phần động của tải trọng gió

 Bản chất thành phần động của tải trọng gió: phần tăng thêm tác dụng của tải

trọng gió lên công trình kể đến tính động của gió khi va đập (sự mạch động) và

ảnh hưởng của lực quán tính sinh ra do công trình bị dao động bởi xung động của

luồng gió

 Tần số giới hạn fL: xác định tính cần thiết phải kể đến lực quán tính phát sinh khi

công trình dao động bởi gió, phụ thuộc vùng gió và vật liệu xây dựng công trình

52

Trang 27

 Với công trình có f1>fL: công trình không mảnh, chỉ xét đến mạch động của tải gió

Wp= W.. daN/m2Trong đó:

: hệ số mạch động, lấy theo bảng 8 TCVN 2737-1995 Giá trị của  được xác định

tương tự hệ số k của thành phần tĩnh tuy nhiên ngược với k khi chiều cao tăng thì

 lại giảm

: hệ số tương quan không gian áp lực động, lấy theo bảng 10 TCVN 2737-1995

Với cùng một bề rộng b, khi chiều cao h tăng,  giảm; hoặc là cùng một chiều cao

h, khi chiều rộng b tăng,  giảm

 Trên mọi bề mặt ngoài của nhà đều chịu tác động của thành phần động do sự

 Với công trình có f1<f2<…<fs<fL<fs+1công trình thuộc loại mảnh:

- Tính riêng từng giá trị của thành phần động, tác dụng lên từng phần thứ k (tầng

k) của công trình, tương ứng với s dạng dao động

- Với bài toán khung phẳng hoặc dao động công trình dạng trượt thuần túy theo

các phương tác dụng của tải trọng gió (phương x hoặc y của mặt bằng), thành

phần động của tải trọng gió ở tầng thứ k được quy về lực tập trung đặt ở mức sàn

và tại tâm khối lượng của tầng theo chiều chuyển vị:

54

W M   y ,daN

Trang 28

 Với công trình có f1<f2<…<fs<fL<fs+1công trình thuộc loại mảnh:

- Với bài toán không gian hoặc dao động công trình lệch theo phương u khác với

các phương x và y, thành phần động của tải trọng gió ở tầng thứ k được quy về

lực tập trung đặt ở mức sàn và tại tâm khối lượng của tầng theo chiều chuyển vị

- Mk: khối lượng phần công trình thứ k, trọng tâm ở độ cao zk(tầng thứ k)

- i: hệ số động lực ứng với dạng dao động i, phụ thuộc thông số i:

xác định theo đồ thị 2, điều 6.13.2 TCVN 2737-1995

- yki; uki: chuyển vị ngang ở dạng dao động thứ i của tầng thứ k theo phương y, u

- i: hệ số xác định theo công thức:

Mj: khối lượng phần công trình thuộc tầng j

Wjp: thành phần động của tải gió lên tầng j chỉ tính phần mạch động tương ứng

pj j

j 1 i n

Trang 29

 Những lưu ý khi xác định thành phần động của tải trọng gió

- Việc chia phần công trình để xác định thành phần động tùy thuộc theo sơ đồ,

thông thường với nhà cao tầng thường chia theo tầng

- Với công trình không mảnh lắm, thành phần động chỉ tính đến mạch động của

gió, quy luật phân bố, phương, chiều và điểm đặt của thành phần động giống như

thành phần tĩnh

- Với những công trình thuộc loại mảnh, thành phần động là phần tăng thêm do

quán tính của công trình có dao động Tùy theo dao động riêng, với một hướng

gió xác định chỉ có một thành phần tĩnh nhưng tại tâm khối lượng có thể có hai

thành phần động theo hai hướng khác nhau

57

4.3.3 Tổ hợp hệ quả các thành phần tác động của tải trọng gió

 Trường hợp gió thổi theo hướng trục y:

- Phân tích kết cấu với riêng từng thành phần tải trọng do gió, riêng từng dạng

dao động của công trình

- Gọi Qk là giá trị nội lực cần tìm:

- Trên cơ sở thống kê, với đặc trưng đổi chiều của tải trọng gió, dấu của tổ hợp do

thành phần động được lấy theo dấu của nội lực do thành phần tĩnh gây ra

 Khi gió thổi theo hướng u, chéo góc  so với trục x của mặt bằng: nội lực được tổ

hợp tương tự với tải trọng được chiếu theo hai phương:

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	12,75 MB

Bài giảng kết cấu thép phần nhà cao tầng

Thành phần động của tải trọng giú