GIÁO TRÌNH KẾT CẦU NHÀ CAO TẦNG

Các đặc điểm chính trong thiết kế nhà cao tầng¾ Khi chịu tải trọng ngang, hệ kết cấu theo phương thẳng đứng khung, vách, lõi của nhà cao tầng làm việc như một công son chịu uốn.. ¾ Đan

NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: Các hệ kết cấu của nhà cao tầng

Chương 2: Các mô hình tính toán và các nguyên tắc tính toán Chương 3: Tải trọng, tác động và chuyển vị.

Chương 4: Tính toán hệ khung

Chương 5: Tính toán các hệ vách – lõi chịu lực

Chương 6: Tính toán các hệ khung - vách - lõi chịu lực

Chương 7 : Ổn định nhà cao tầng,

Tài liệu tham khảo:

1 Bryan Stanford Smith, Alex Coull, Tall building structures: analysis and design, John Wiley & Sons, NewYork, 1991

2 Lê Thanh Huấn, Kết cấu nhà cao tầng BTCT, nhà xuất bản XD Hà Nội, 2007.

3 Wolfgang Schueller, High rise building structures, John Wiley & Sons,

NewYork, London Sydney, Toronto, 1976.

4 Triệu Tây An, Hỏi - đáp thiết kế và thi công nhà cao tầng, nhà xuất bản Xây Dựng, 1996.

5 P.F Drozdov, Cấu tạo và tính toán hệ chịu lực và các cấu kiện nhà cao tầng, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 1984.

6 TCXDVN 323: 2004, Nhà ở cao tầng – tiêu chuẩn thiết kế.

7 TCXD 198: 1997, Nhà cao tầng – thiết kế, cấu tạo BTCT toàn khối.

8 TCXDVN 356: 2000, Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế.

9 TCXD 229: 1999 Tính toán thành phần động của tải trọng gió.

10 TCVN 375 2006, Thiết kế công trình chịu động đất.

11 Kenneth M Leet, Reinforced concrete design, McGraw Hill 1997.

Chương 1.

1.1 Khái niệm chung về nhà cao tầng

¾ Định nghĩa nhà cao tầng: Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố

quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với ngôi

nhà thông thường

¾ Phân loại: Căn cứ vào chiều cao và số tầng nhà,Ủy ban Nhà Cao Tầng

Quốc Tế phân nhà cao tầng ra 4 loại:

Độ cao khởi đầu Tên nước

≥ 40m Việt Nam

≥ 8 tầng Trung quốc

H ≥ 25 m Bỉ

≥ 10 tầng Liên Xô

H ≥ 22 m Đức

11 tầng , H ≥ 31 m Nhật

Nhà ở H ≥ 50 m, kiến trúc khác H ≥ 28 m Pháp

H ≥ 24.3 m Anh

Nhà ở H ≥ 22 → 25 m hoặc > 7 tầng Mỹ

Độ cao khởi đầu của nhà cao tầng

1.2 Các đặc điểm chính trong thiết kế nhà cao tầng

¾ Khi chịu tải trọng ngang, hệ kết cấu theo phương thẳng đứng ( khung, vách, lõi) của nhà cao tầng làm việc như một công son chịu uốn

¾ Đan sàn xem như có độ cứng vô cùng trong mặt phẳng sàn và có nhiệm vụphân bố các phản lực ngang vào hệ chịu lực đứng

¾ Do hệ kết cấu theo phương thẳng đứng làm việc như một công son chịu uốn Î chuyển vị ngang và nội lực trong hệ kết cấu tăng rất nhanh khi tăng chiều cao nhà

ắ Lựa chọn giải phỏp tổ chức mặt bằng và hỡnh khối thớch hợp để tăng độcứng trong mặt phẳng uốn nhằm:

Hạn chế dao động và chuyển vị ngang của cụng trỡnh trong phạm

vi cho phộp

Ứng suất nộn do tải trọng đứng sinh ra phải triệt tiờu được ứng suất kộo do tải trọng ngang gõy ra trong kết cấu ẻ tăng khả năng chống lật cho cụng trỡnh

ắ Tải trọng bản thõn và hoạt tải rất lớn được phõn bố trờn một diện tớch mặt bằng nhỏ ẻ chọn loại vật liệu cú khả năng chịu lực cao và trọng lượng riờng nhẹ ẻ trọng lượng của cụng trỡnh giảm ẻ giảm kớch thước múng và giảm tải trọng động đất tỏc động lờn cụng trỡnh

ắ Độ cứng của hệ móng phải đủ để truyền những tác động nhận đ−ợc từ kết cấu bên trên xuống nền đất càng đều đặn càng tốt

1.2 Cỏc đặc điểm chớnh trong thiết kế nhà cao tầng

¾ BT có trọng lượng bản thân lớn, dùng hiệu quả cho nhà ≤ 30 tầng Trong nhà cao tầng dùng bê tông cấp độ bền ≥ B25, thép có Ra ≥ 300 MPa Nhà

≥ 30 tầng dùng BT ứng lực trước hay kết cấu thép – BT liên hợp

¾ Hệ thống lưu thông chủ yếu là theo phương đứng Î bố cục nhà cao tầng phải đảm bảo các yêu cầu về phòng cháy, chữa cháy, thông gió, chiếu sáng, và vệ sinh môi trường

¾ Chuyển vị ngang và gia tốc dao động của ngôi nhà phải nằm trong phạm

vi giới hạn cho phép nhằm:

Hạn chế sự mất ổn định của các cấu kiện do tăng độ lệch tâm

Hạn chế độ phát triển vết nứt trong các kết cấu chịu lực chính

Đảm bảo điều kiện tâm, sinh lý cho người sống trong ngôi nhà

Đảm bảo cho các hệ thống kỹ thuật làm việc bình thường

1.2 Các đặc điểm chính trong thiết kế nhà cao tầng

¾ Các dạng kết cấu cơ bản:

Hệ kết cấu khung ( frame structures): < 20 tầng

Hệ kết cấu sàn phẳng ( flat – plate structures) < 25 tầng

Hệ kết cấu vách ( wall structures): < 35 tầng

Hệ kết cấu lõi ( core structures)

Kết cấu ống ( tube structures): >100 tầng

¾ Các dạng kết cấu tổ hợp thường dùng

Hệ kết cấu khung – vách cứng ( wall-frame structures): 40- 60 tầng

Hệ kết cấu khung – vách - lõi ( core - frame structures): 40- 60 tầng

Hệ kết cấu vách cứng – lõi cứng (core-wall structures) : 40- 60 tầng

Hệ kết cấu ống dạng khung ( framed - tube structures): 60- 100 tầng

Hệ kết cấu lõi - ống >100 tầng

Hệ kết cấu ống trong ống ( tube-in-tube structures) >100 tầng

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

¾ Các hệ kết cấu truyền tải trọng ( transfer structures): Khi giải pháp

kiến trúc và kết cấu cần khoảng cách giữa các cột hoặc vách của các tầng bên trên nhỏ và không gian giữa các cột hoặc vách của các tầng bên dưới lớn hơn nhiều → phải dùng các kết cấu tấm lớn (transfer plate) hoặc dầm cao (transfer girder) để đỡ các kết cấu chịu lực phía trên

¾ Các hệ tường chắn ( retaining structures) : dùng để chắn đất trong tầng

hầm

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

1.3.Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

khớp dẻo sẽ xuất hiện trong các dầm sớm hơn trong các cột

¾ Tỉ số chiều cao thông thủy tầng trên chiều cao tiết diện cột < 25, chiều cao cột h ≥ 300mm, chiều rộng tiết diện cột b ≥ 220 mm, h/b ≥ 3

¾ Hệ cột và dầm ở các tầng bên dưới lớn → Hệ kết cấu đòi hỏi chiều cao thông thủy của tầng lớn → thường ít dùng cho nhà cao tầng

¾ Thích hợp cho nhà có chiều cao < 20 tầng

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

1.3.2 Hệ kết cấu khung chèn ( infilled framed):

¾ Hệ kết cấu khung chèn bao gồm hệ cột, dầm khung

bằng BTCT được chèn bởi gạch, gạch block hay bê

tông

¾ Hệ kết cấu khung chèn có thể dùng một cách kinh tế

cho nhà < 30 tầng

¾ Khi khung chèn chịu lực ngang, phần chèn làm việc

như một thanh giằng theo phương xiên chịu nén

trong kết cấu khung giằng.

¾ Tính chất tương tác giữa khung và vật liệu chèn thì

phụ thuộc nhiều vào liên kết và chất lượng của khối

xây Î khó đoán chính xác độ cứng và khả năng

chịu lực của khung

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

1.3.3 Hệ kết cấu sàn phẳng: bao gồm hệ sàn phẳng dày khoảng 15 – 25

cm được liên kết cứng với hệ cột

¾ Hệ cho khoảng cách thông thủy giữa các sàn tối ưu nhất, hệ cốp pha dùng đổ BT sàn đơn giản nhất Îdùng thích hợp cho thiết kế chung cư hoặc khách sạn

¾ Khi chịu tải trọng ngang, sự làm việc của hệ kết cấu sàn phẳng tương tự như sự làm việc của kết cấu khung cứng Î khả năng chịu tải trọng ngang phụ thuộc vào độ cứng chịu uốn của các thành phần và liên kết của chúng

¾ Thiết kế hệ sàn có nhịp khoảng 8m, hoặc nhịp 12m với mũ cột và số tầng

< 25 tầng sẽ cho hiệu quả kinh tế cao Thực tế nhà có thể cao dến 40 tầng

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

Flat slab

1.3.4 Hệ vách , lõi chịu lực:

¾ Vách có độ cứng ngang cao Î khả năng chịu lực ngang lớn

¾ Phải bố trí ít nhất 3 vách cứng trong một đơn nguyên, trục 3 vách không được đồng qui

¾ Nên bố trí sao cho tâm cứng của hệ trùng với tâm khối lượng của nó đểtránh tác động xoắn cho công trình khi chịu lực ngang lớn khi động đất

Hệ vách , lõi chịu lực

1.3.5 Hệ khung – vách: gồm hệ vách

kết hợp với các khung cứng

¾ Sử dụng cho nhà có mặt bằng hình

chữ nhật kéo dài, chịu lực chủ yếu

theo phương ngang nhà

¾ Khung có biến dạng theo hướng

biến dạng trượt, Vách có biến dạng

theo dạng uốn Sự tương tác của hệ

khung vách giúp cho kết cấu có độ

cứng ngang lớn hơn, có thể dùng

cho nhà cao từ 40 đến 60 tầng

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

1.3.6 Hệ ống dạng khung ( framed - tube

structures)

¾ Ống bao gồm các khung vòng theo chu vi

nhà Các khung này tạo bởi các cột có nhịp

rất nhỏ (từ 2- 4m) và các dầm khung là các

dầm rỗng có chiều cao rất lớn (deep

spandrel girders)

¾ Toàn bộ tải trọng ngang do hệ ống chịu

¾ Tải trọng đứng được phân cho hệ ống và

các cột hay vách ở bên trong ống

¾ Các cột ở tầng trệt thường được gộp lại để

đảm bảo bề rộng cửa → một số cột tầng

trên phải đạt trên các dầm chuyển (transfer

beams)

¾ Hệ khung ống là một trong những dạng kết

cấu hiện đại nhất của nhà cao tầng, có thể

áp dụng cho nhà có chiều cao ≥ 100 tầng

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

¾ Hệ ống trong ống ( tube –in tube or hull core

structures):

hệ gồm một hệ ống bên ngoài theo chu vi

nhà ( outer framed tube structure), và một hệ

ống bên trong tạo thành lõi cho nhà

Hệ ống và lõi cùng tham gia chịu tải trọng

đứng và tải trọng ngang

¾ Hệ bó ống (Buldled – tube structures):

Parallel rigid frames are interconnected to

form a buldled – tubes

¾ Hệ thích hợp cho nhà > 100 tầng

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

¾ Các thanh giằng xiên nối tại nút của

khung ống → dưới tác động của tải

trọng ngang, hệ làm việc như một hệ

khung giằng

¾ Nhờ có hệ thanh xiên, khoảng cách

các cột trong hệ giằng- ống có thể

lớn hơn hệ khung-ống và chiều cao

của dầm khung có thể nhỏ hơn

1.3 Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

¾ Hệ treo

1.3.8 Transfer structures

The behaviour is similar to a pile cap

1.3.9 Hệ kết cấu tường chắn đất cho tầng hầm

1.4 Bố trí kết cấu

1.4.1 Bố trí mặt bằng kết cấu:

¾ Mặt bằng (MB.) nhà cần chọn hình đơn giản, tránh dùng MB nhàtrải dài hoặc MB có các cánh mảnh

¾ Nên bố trí các kết cấu chịu lực đối xứng để tránh những bất lợi do biến dạng xoắn

B L

l

1.4 Bố trí kết cấu

1.4.1 Bố trí mặt bằng kết cấu

1.4.1 Bố trí mặt bằng kết cấu

¾ Khi nhà cao tầng chịu tải trọng động đất, việc bố trí các kết cấu chịu lực phải chú ý như sau:

Nhà nên có hai trục đối xứng

Mặt bằng các tầng nên bố trí sao cho trọng tâm và tâm cứng của nhà trên các tầng không thay đổi

Mối quan hệ giữa chiều dài nhà L, chiều rộng nhà B, và độ nhô ra của các bộ phận kết cấu trên mặt bằng phải thoả các điều kiện sau ( TCXD 198:1997):

l/B L/Bmax

L/B Cấp động đất

1.4 Bố trí kết cấu

1.4.2 Bố trí khe co dãn nhiệt, khe lún, khe kháng chấn:

Cố gắng điều chỉnh hình dáng và kích thước mặt bằng nhà cao tầng bởi các giải pháp kết cấu và thi công để hạn chế việc tạo ra các khe biến dạng ( khe co dãn nhiệt, khe lún, khe kháng chấn)

Thông thường các khe biến dạng nên được kết hợp làm một.

Chiều rộng khe biến dạng xác định trên cơ sở xác định chuyển vị lớn nhất thường ở tầng mái do tổ hợp tải trọng bất lợi nhất sinh ra:

Dmin = u1 + u2 + 20 mm Trong đó u1 , u2 là chuyển vị lớn nhất theo phương ngang của hai khối kề nhau

Bề rộng tối thiểu khe kháng chấn ( H [mm]: chiều cao mái của đơn

nguyên thấp hơn trong các đơn nguyên kề nhau )

7H - 55 5H - 25

3,5 H - 3 2,8 H + 7

Vách - lõi

8,5H - 68 6H - 30

4,2 H - 4 3,5 H + 9

Khung -vách

10H - 80 7H - 35

5H - 5 4H + 10

Khung

9 8

7 6

Cấp động đất thiết kế (MSK – 64)

Hệ kết cấu

1.4 Bố trí kết cấu

1.4.3 Bố trí kết cấu theo phương đứng:

¾ Cần thiết kế các kết cấu chịu lực có độ cứng đồng đều, tránh sự thay đổi đột ngột theo chiều cao

¾ Trên mặt cắt thẳng đứng nên có sự đối xứng về hình học cũng như về khối lượng.

¾ Chiều cao nhà: tỉ số giữa độ cao và bề rộng ngôi nhà nên nằm trong phạm vi cho phép

4 5

6 6

Kết cấu ống

4 5

6 6

Vách BTCT

3 4

5 5

Khung -vách

2 4

5 5

Khung

Kháng chấn cấp 9

Kháng chấn cấp 8

Kháng chấn cấp 7

Không kháng chấn Loại kết cấu

Chương 2

Tính toán các chuyển vị ngang và tần số dao động riêng của côngtrình Î chọn lại kích thước tiết diện cho thoả độ cứng ngang

Xác định tải tác động ảnh hưởng của gió động và động đất

Tổ hợp tải trọng và xác định nội lực nguy hiểm xảy ra trong từngcấu kiện

Tính toán khả năng chịu lực và ổn định của các cấu kiện

Đơn giản về kết cấu Tính đồng đều, tính đối xứng và siêu tĩnh

Có độ cứng và độ bền theo hai phương Sàn ứng xử như tấm cứng

Có hệ móng thích hợp

2.2 Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng

2.2.1 Thiết kế khung chịu lực:

¾ Bậc siêu tĩnh:

Các hệ kết cấu khung nhà cao tầng cần phải được thiết kế có bậc

siêu tĩnh cao Î khi chịu tải trọng ngang lớn, kết cấu có thể bị pháhoại ở một số cấu kiện mà không sụp đổ

¾ Cách thức phá hoại:

Kết cấu nhà cao tầng cần phải được thiết kế sao cho khớp dẻo đượchình thành ở dầm trước, sau đó mới đến cột; sự phá hoại ở dầm

trước khi phá hoại ở nút

Các dầm được cấu tạo sao cho sự phá hoại do uốn xảy ra trước sự

phá hoại do cắt

2.2 Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng

2.2.2 Thiết kế hệ vách chịu lực:

Nên bố trí vách theo cả hai phương, các vách cứng nên bố trí cả hai khu

vực đầu hồi và giữa nhà

Vách cứng nên có chiều cao chạy suốt từ móng đến mái và có độ cứng

không đổi trên tòa bộ chiều cao hoặc nếu phải giảm thì giảm dần từ dưới

lên

Đ/v kết cấu BTCT toàn khối, khoảng cách giữa các vách cứng Lv phải

nằm trong giới hạn để sàn không bị biến dạng khi chịu tải trọng ngang

như sau:

Lv≤ 2B và Lv≤ 30 m Thiết kế không kháng chấn cấp ≤ 9

Lv≤ 3B và Lv≤ 40 m Thiết kế không kháng chấn cấp ≤ 8

Lv≤ 4B và Lv≤ 50 m Thiết kế không kháng chấn cấp ≤ 7

Lv≤ 5B và Lv≤ 60 m Thiết kế không kháng chấn

2.2 Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng

2.2.3 Phân bố độ cứng và cường độ

¾ Theo phương ngang:

Độ cứng và cường độ của kết cấu nên được bố trí đều đặn và đối

xứng trên mặt bằng công trình

Để giảm độ xoắn khi dao động:

Do tải trọng đứng: tâm cứng của công trình cần được bố trí gầnhoặc trùng với trọng tâm của nó

Do tải trọng ngang do gió: tâm cứng của công trình cần được bốtrí gần tâm của mặt đón gió

¾ Theo phương đứng:

Độ cứng và cường độ của kết cấu nên được thiết kế đều hay giảm dần

về phía trên, tránh thay đổi đột ngột

Độ cứng của kết cấu tầng trên không nhỏ hơn 70% độ cứng của kếtcấu tầng dưới kề nó

Tổng mức giảm của 3 tầng liên tục không vướt qúa 50%

2.2 Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng

2.2.4 Trỏnh tập trung ứng suất: các yếu tố có thể dẫn đến tình trạng tậptrung ứng suất

2.2 Nguyờn tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng

∑Mc >∑Md

Thay đổi đột ngột độ cứng theo phương đứng Bố trí không đối xứng theo phương đứng

2.2.4 Chuyển vị của công trình

Tỉ số giới hạn giữa chuyển vị u và chiều cao h của cấu kiện:

Tỉ số u/h

1/400 – 1/250 1/1000 – 1/800

Vách cứng

1/300 1/4000

Tường xây chèn

1/250 1/4000 -1/2000

Vách cứng có khung viền

1/1000 – 1/300 Cột ngắn khung

1/200 – 1/100 Cột dài khung

Khi phá hoại Khi nứt

Loại kết cấu

2.2 Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng

¾ Tỉ lệ chuyển vị tương đối giữa các tầng với chiều cao tầng

khi chịu tải trọng ngang ∆u / htang phải nằm trong giới hạn

1/800 1/1000

1/900 1/1100

Trang trí loại vừa Trang trí cao cấp Vách cứng

1/650 1/750

1/700 1/800

Trang trí loại vừa Trang trí cao cấp

Khung – vách

cứng, Khung - ống

1/400 1/450

1/450 1/500

Tường ngăn nhẹ Tường xây chèn Khung

Động đất

Áp lực gió

Dưới tác động của Loại kết cấu

2.2 Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng

2.2.5 Dao động của công trình

¾ công thức kinh nghiệm gần đúng tính chu kỳ dao động T của nhà nhiềutầng như sau [3 ]:

Kết cấu khung: T1 = 0,1 N Kết cấu khung – vách cứng : T1 = 0,9hn/D1/2

Kết cấu vách cứng: T1 = (0,04 – 0,05) N

T2 = (1/5 – 1/3)T1 và T3 = (1/7 – 1/5) T1Trong đó N là số tầng, hn- chiều cao nhà, D – kích thước nhàtheo phương song song lực động đất,

2.2 Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng