Bài giảng kết cấu nhà cao tầng TS đào đình nhân

Sàn Tiếp thu trực tiếp tải trọng đứng Được nâng đỡ bởi dầm sàn có sườn hoặc cột sàn phẳng Nâng đỡ sàn và truyền tải vào cột, vách Quyết định chiều cao tầng Có thể được cấu tạo dưới d

KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

(dành cho chương trình 30 tiết)

ĐÀO ĐÌNH NHÂN

Chương 1 CÁC HỆ KẾT CẤU CHNU LỰC CỦA

Theo điều kiện thiết kế, thi công: Chiều cao của nhà ảnh

hưởng đến ý đồ, phương pháp thiết kế và thi công.

Ở Việt Nam:

 Số tầng nhiều hơn 8 tầng

Khái niệm về nhà cao tầng

Số lượng người sử dụng nhiều, giao thông thoát hiểm

chậm, giá trị tài sản lớn, nhiều công trình có tính biểu

tượng.

Chiều cao mỗi tầng hạn chế, nhịp lớn.

Tải trọng đứng trên một đơn vị mặt bằng lớn, do đó:

 Kết cấu chịu tải trọng đứng (cột, vách) có tiết diện lớn

 Vấn đề ổn định phải được quan tâm thỏa đáng

 Nền móng phức tạp

Tải trọng ngang lớn, do đó:

 Cần quan tâm nhiều đến kết cấu chịu tải trọng ngang

 Quan tâm đến chuyển vị ngang của công trình

 Bê tông từ B25 trở lên

 Cốt thép từ AII trở lên Tuy nhiên, cần thận trọng trong việc sử

dụng cốt thép cường độ cao

Nên sử dụng kết cấu liên hợp để tận dụng và phát huy ưu

điểm của cả bê tông và thép

Sử dụng kết cấu thép cho nhà siêu cao tầng

Sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước để giảm

chiều cao tầng

Vật liệu làm kết cấu

Sàn

 Tiếp thu trực tiếp tải trọng đứng

 Được nâng đỡ bởi dầm (sàn có sườn) hoặc cột (sàn phẳng)

 Nâng đỡ sàn và truyền tải vào cột, vách

 Quyết định chiều cao tầng

 Có thể được cấu tạo dưới dạng dầm liên tục hay đơn giản

 Truyền tải trọng xuống móng

 Có thể giảm tiết diện theo chiều cao hoặc giữ nguyên tiết diện

nhưng thay đổi cấp bê tông

Vách

 Mặc dù thường được bố trí để chịu tải trọng ngang, vách cũng

chịu tải trọng đứng theo diện truyền tải

 Có khả năng chịu tải trọng đứng lớn

Kết cấu chịu trọng lực

Đặc điểm của tải trọng ngang:

 Thường lớn dần theo chiều cao

 Đường truyền tải trọng dài

 Thường là tải trọng động đối với nhà cao tầng

Kết cấu khung

 Được tạo bởi dầm và cột liên kết cứng với nhau

 Dầm có tác dụng làm tăng độ cứng ngang của khung, giảm mô

men uốn trong cột

 Chọn kết cấu có bậc siêu tĩnh cao

 Có thể cấu tạo dạng phẳng hoặc không gian (cũng có thể được

phân tích thành các khung phẳng)

 Hệ khung thuần túy thường có độ cứng theo phương ngang thấp

nên ít được sử dụng cho nhà có chiều cao trên 40 m

Kết cấu chịu tải trọng ngang

Kết cấu khung tương đương (gồm cột và sàn phẳng)

 Giảm chiều cao tầng

 Độ cứng ngang và khả năng chịu tải ngang kém, vì vậy không được

sử dụng cho nhà cao tầng

 Thường được kết hợp với hệ vách, lõi trong nhà cao tầng

 Tập trung ứng suất trong sàn tại điểm nối với cột do cả tải trọng đứng

 Chịu được tải trọng đứng trong diện truyền tải của nó

 Thường được bố trí liên tục từ móng đến mái với tiết diện không đổi

 Các vách có thể được liên kết với nhau bởi coupling beams để tạo

thành coupled wall

 Chiều dày sàn phải đủ lớn để truyền được tải trọng ngang vào vách

 Khoảng cách giữa các vách không nên quá lớn để đảm bảo việc

truyền tải ngang và tránh bị phá hoại do co giãn của sàn

Kết cấu chịu tải trọng ngang

Kết cấu khung + vách

 Khung và vách đồng thời tham gia chịu tải trọng ngang

 Tính linh hoạt cao trong bố trí kết cấu

 Do đặc điểm biến dạng của hệ khung và vách khác nhau nên

trong từng hệ có sự phân phối lại nội lực so với khi chúng làm việc

riêng lẻ

 Trong trường hợp thiết kế để vách chịu 100% tải trọng ngang thì

khung trở thành khung trọng lực (gravity frame), cột chỉ chịu nén

đúng tâm

Kết cấu lõi

 Gồm các vách nối kín nhau thành ống, phần trong lõi thường được

dùng để bố trí thang bộ hoặc thang máy hoặc hệ thống kỹ thuật

 Khả năng chịu tải trọng ngang và xoắn đều rất tốt

 Được dùng trong các nhà có chiều cao rất lớn

 Có thể được bố trí ở giữa nhà hoặc theo chu vi nhà

 Khoảng cách giữa các lõi không nên quá lớn để đảm bảo việc

truyền tải ngang và tránh bị phá hoại do co giãn của sàn

Kết cấu chịu tải trọng ngang

Kết cấu hộp

 Là những lõi lớn được đặt cả bên trong và gần biên ngôi nhà

 Chịu cả tải trọng đứng và ngang, hệ thống cột được giảm tối thiểu

Kết cấu khung + lõi

 Tương tự như kết cấu khung + vách

Kết cấu hộp + lõi

 Gồm các hộp và lõi bố trí cả bên trong và gần chu vi nhà

 Hệ kết cấu này chịu lực ngang cực tốt và được dùng trong các nhà

siêu cao tầng

Vai trò của sàn

 Chịu tải trọng đứng

 Truyền tải trọng ngang vào các hệ thống chịu lực ngang

 Cần phải có chiều dày lớn

Kết cấu chịu tải trọng ngang

Lựa chọn kết cấu theo chiều cao

Nên đơn giản, đối xứng

Tỉ số độ vươn ra của cánh/bề rộng cánh không nên quá

lớn

Tâm cứng và tâm khối lượng của các sàn nên trùng nhau

để giảm ảnh hưởng của phản ứng xoắn

Sử dụng các khe biến dạng, khe kháng chấn

 Khe lún: các khối có chiều cao khác nhau

 Khe biến dạng: kết cấu quá dài

 Khe kháng chấn: giảm ảnh hưởng bất lợi do sự dao động khác

pha của các khối

 Bề rộng các khe biến dạng, khe kháng chấn phải bảo đảm để các

khối của công trình biến dạng tự do

Bố trí mặt bằng kết cấu

 Độ cứng tầng trên không nhỏ hơn 70% độ cứng tầng dưới

 Nếu 3 tầng giảm độ cứng liên tục thì tổng mức giảm không quá

50%

 Cần phải có giải pháp phù hợp tại những vị trí có sự thay đổi độ

cứng đột ngột

Tâm cứng nên gần với tâm với mặt đón gió

Tránh các bộ phận nhô ra ở bên trên

Bố trí kết cấu theo phương đứng

Mô hình đàn hồi tuyến tính không giảm yếu tiết diện

 Sử dụng mô đun biến dạng tương đương (mô đun cát tuyến) của

vật liệu

 Sử dụng tiết diện không giảm yếu

Mô hình đàn hồi tuyến tính với tiết diện giảm yếu

 Sử dụng mô đun biến dạng tương đương của vật liệu

 Sử dụng hệ số đặc trưng hình học của tiết diện để kể đến sự giảm

yếu của tiết diện

Mô hình phi tuyến vật liệu

 Sử dụng mô hình vật liệu phi tuyến

 Chủ yếu sử dụng cho nghiên cứu và khảo sát hơn là cho thiết kế

Mô hình kể đến sự làm việc của các bộ phận phi kết cấu

 Tường xây

Các quan điểm xây dựng mô hình

Vật liệu là đàn hồi tuyến tính

 Sử dụng được nguyên lý cộng tác dụng

Chỉ các bộ phận chịu lực chính mới tham gia chịu lực

 Bỏ qua ảnh hưởng của các bộ phận chịu lực không quan trọng

 Bỏ qua ảnh hưởng của các bộ phận phi kết cấu

 Giả thiết này thường thiên về an toàn Tuy nhiên cũng có vài ngoại

lệ:

• Các bộ phận bao che có thể làm tăng đáng kể độ cứng của kết

cấu, do đó tăng lực động đất lên công trình

• Tường chèn có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến các bộ phận kết

cấu xung quanh nó

Bỏ qua độ cứng của các thành phần độ cứng nhỏ

 Độ cứng uốn ngoài mặt phẳng của sàn

 Độ cứng uốn ngoài mặt phẳng của vách

 Độ cứng chống xoắn của dầm, cột, vách

 Giả thiết này phụ thuộc vào vai trò của các bộ phận kết cấu

Các giả thiết thường dùng khi xây dựng mô hình thiết kế

Biến dạng là bé

Bỏ qua ảnh hưởng của các biến dạng thứ cấp

Sàn là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng

Sự giảm yếu tiết diện do nứt của bê tông được kể đến

thông qua hệ số giảm yếu mô men quán tính tiết diện

 Lấy 50% mô men quán tính tiết diện cho dầm

 Lấy 80% mô men quán tính tiết diện co cột

Các giả thiết thường dùng khi xây dựng mô hình thiết kế

Có thể được mô hình hóa bằng phần tử vỏ (shell) hay tấm

chịu uốn (plate)

Thường được giả thiết là cứng tuyệt đối trong mặt phẳng

để giảm khối lượng tính toán

Để bảo đảm độ chính xác cần thiết, mỗi cạnh của một ô

sàn phải được chia thành ít nhất là 4 phần tử.

Sự tham gia độ cứng chịu uốn của sàn vào khung thường

được bỏ qua (đối với sàn có sườn)

Nội lực trong bản sàn có 8 thành phần đối với shell, và 5

thành phần đối với plate

Mô hình hóa sàn

Được mô hình là phần tử thanh

Có 6 thành phần nội lực (tổng quát)

Thường bỏ qua lực dọc (do sàn chịu)

Thường bỏ qua mô men xoắn

Có thể mô hình là dầm đơn giản khi:

 Dầm trọng lực

 Kết cấu thép

 Có kết cấu chịu tải trọng ngang riêng

Có thể kể đến sự tăng độ cứng do hiệu ứng tiết diện chữ

T

Đối với dầm bê tông cốt thép, mô men quán tính tiết diện

được lấy bằng 50% của tiết diện thực

Chú ý đến việc chia nhỏ dầm để dầm và sàn làm việc

đồng thời

Mô hình hóa dầm

Mô hình hóa bằng phần tử thanh tổng quát

Có 6 thành phần nội lực

Thường bỏ qua mô men xoắn

Có thể xem là cột trọng lực khi có hệ thống chịu tải trọng

ngang riêng:

 Cột 2 đầu khớp, dầm liên tục

 Cột liên tục, dầm 2 đầu khớp

Đối với cột bê tông cốt thép, mô men quán tính tiết diện

được lấy bằng 80% mô men quán tính của tiết diện thực

Mô hình hóa cột

Vách chịu uốn ngoài mặt phẳng

 Tham gia chịu tải trọng ngang tác dụng vuông góc với mặt phẳng

vách

 Được mô hình bằng kết cấu vỏ (shell)

 Có 6 thành phần nội lực

Vách không chịu uốn ngoài mặt phẳng

 Tải trọng ngang vuông góc với mặt phẳng tấm do các hệ thống

chịu tải ngang khác chịu

 Được mô hình bằng kết cấu màng (membrane)

 Có 3 thành phần nội lực

Trên mỗi cạnh của cấu kiện vách trong một tầng nên được

chia nhỏ thành tối thiểu là 4 phần tử để đạt được độ chính

 Liên kết cứng: mô men dầm lớn

 Liên kết khớp: mô men dầm tại vị trí liên kết với vách = 0

 Liên kết nữa cứng

Liên kết giữa cột và dầm:

 Liên kết cứng, đúng tâm: thường dùng

 Liên kết cứng, sử dụng end offset:

• Nội lực do tải trọng ngang thường lớn

• Nội lực do tải trọng đứng thường bé

• Độ cứng lớn, chuyển vị bé

Mô hình hóa các liên kết

Liên kết giữa cột và cột

 Đúng tâm: thường dùng

 Lệch tâm: chính xác hơn nhưng phải cẩn thận khi dùng

Liên kết giữa sàn và dầm:

 Liên kết đúng tâm: thường dùng + tiết diện dầm T

 Liên kết lệch tâm: chính xác hơn nhưng phải cẩn thận khi dùng và

khi thiết kế

Mô hình hóa các liên kết

Tâm hình học = trọng tâm hình học của sàn

Tâm khối lượng = điểm đặt của trọng lượng của cả sàn

Tâm cứng = vị trí mà khi đặt lực tác dụng vào sàn sẽ

không bị xoắn trên mặt bằng Khái niệm này chỉ tồn tại đối

với sàn rigid diaphragm.

Tâm hình học, tâm khối lượng và tâm cứng của sàn

Hoạt tải sử dụng theo một số tiêu chuẩn

Tải trọng đứng

Hệ số vượt tải

 Kể đến sự lớn hơn giữa giá trị thực so với giá trị dự đoán thông

thường

 Phụ thuộc vào độ tin cậy của giá trị dự đoán

 Có giá trị khác nhau theo các tiêu chuẩn

Hệ số giảm hoạt tải

 Dựa trên thực tế là tải trọng trên một diện rộng không thể đạt được

giá trị lớn nhất của nó tại cùng một thời điểm

 Dùng trong thiết kế dầm, cột, vách, móng có diện truyền tải rất

rộng

 Có nhiều phương pháp:

• Phương pháp phần trăm đơn giản:100% cho mái, 85% cho

tầng trên cùng, giảm tiếp 5% cho các tầng bên dưới cho đến

khi còn 50%

• Phương pháp diện truyền tải: TCVN 2737-1995

Tải trọng đứng

Tải trọng gió

AB

C

Là một trong số các nguyên nhân chủ yếu khiến cho việc

thiết kế nhà cao tầng khác với nhà thấp tầng

Là kết quả của sự tương tác giữa gió và công trình

Có hai phương pháp tính:

 Phương pháp tĩnh: dành cho nhà có chiều cao thấp, độ mảnh thấp

và không nhạy cảm với dao động do gió

 Phương pháp động: dành cho những nhà rất cao, độ mảnh lớn và

nhạy cảm với dao động

Theo TCVN, tải trọng gió được phân tích thành 2 thành

phần:

 Thành phần tĩnh

 Thành phần động

Tải trọng gió

Thành phần động của tải trọng gió

chỉ do xung vận tốc gió gây ra

Giá trị của phụ thuộc vào phổ

vận tốc gió và tỉ số cản của công

Ảnh hưởng của sự dao động của công trình là đáng kể Thành phần động của tải

trọng gió là do sự tương tác giữa xung vận tốc gió và sự dao động của công trình

(/0)  2 /   0  4 /0  5 0

Khối lượng phần thứ j

Hệ số động lực ứng với mode thứ i, phụ

thuộc vào tần số, tỉ số cản và áp lực gió tĩnh

Phải tính toán thành phần động của tất cả các mode dao động 6 có 0<  Lực

tác dụng lên phần thứ 7 của mode thứ 6 được xác định theo:

Hình dạng của mode dao động thứ i

Hệ số thành phần động, phụ thuộc vào dạng dao động 4/0, thành phần động theo xung vận tốc gió 8/, và khối lượng 2/:

∑ 4/0 8/

/:%

T0 0.2 Ts 1.0

Period, T (s)

G = 0.2GH

Tải trọng động đất – PP lực tĩnh ngang tương đương

Trong phương pháp lực tĩnh ngang tương đương, người ta xem như phản ứng

của kết cấu chỉ do mode 1 gây ra

Xác định chu kỳ dao động của mode đầu tiên (theo cận dưới):

Các trạng thái giới hạn:

 Trạng thái giới hạn 1: bảo đảm yêu cầu về cường độ

• Khả năng >= yêu cầu

• Sử dụng cả hệ số an toàn và hệ số vượt tải

• Thống nhất trong phạm vi từng tiêu chuẩn Không được áp

dụng nhiều tiêu chuẩn cho cùng một thiết kế

 Trạng thái giới hạn 2: bảo đảm yêu cầu về biến dạng

• Biến dạng tương đối <= yêu cầu

• Trong nhiều trường hợp yêu cầu này quyết định thiết kế, đặc

biệt là đối với kết cấu thép

• Đối với nhiều cấu kiện, khi lựa chọn kích thước tiết diện thỏa

mãn điều kiện tối thiểu thì không cần kiểm tra TTGH này

 Trạng thái giới hạn 3: sự hình thành và mở rộng khe nứt

Trình tự phá hoại từ cấu kiện phụ đến chính; liên kết

không được phá hoại

Thiết kế và cấu tạo sàn

Tựa đơn Tựa đơn - ngàm Ngàm - ngàm Công xônL/27 L/33 L/38 L/14

Ô biên không dầm biên Ô biên có dầm biên và ô giữaL2/33 >= 12 cm L2/36 >= 12 cm

Ô biên không dầm biên Ô biên có dầm biên và ô giữaL2/36 > 10 cm L2/40 > 10 cm

Thiết kế cốt thép chịu uốn

 Bản loại dầm: thiết kế theo phương cạnh ngắn, cấu tạo theo

phương cạnh dài

 Bản kê: thiết kế theo cả hai phương

 Sàn phẳng:

• Dãy trên gối = L1/4 (mỗi bên)

• Dãy giữa nhịp = nằm giữa các dãy trên gối

Thiết kế cốt thép chịu xuyên thủng cho sàn phẳng

Thiết kế và cấu tạo sàn

Thiết kế và cấu tạo dầm

Chiều cao dầm tối thiểu

Nội lực tính toán:

 Nội lực bao

 Tại 3 tiết diện: hai đầu dầm và giữa nhịp

Thiết kế cốt thép dọc: dựa theo biểu đồ bao mô men

Thiết kế cốt thép đai: dựa theo biểu đồ bao lực cắt

Thiết kế cốt thép chịu lực tập trung do dầm phụ truyền vào

Đơn giản Tựa đơn - ngàm Ngàm - ngàm Công xôn

L/20 L/23 L/26 L/10

Chọn sơ bộ kích thước tiết diện

A  U V

WX

k = 0.9: cột trọng lực

k = 1.0: cột trong khung + vách (lõi)

k = 1.3-1.5: cột trong khung chịu tải trọng ngang

Kích thước cột là hợp lý nếu hàm lượng cốt thép dọc

tính toán khoảng 1,5%

Nội lực tính toán:

 Các cặp nội lực (M,N) cơ bản để tính thép dọc

 Lực cắt lớn nhất để tính cốt đai

 2 tiết diện: đầu và chân cột

Tính toán cốt thép: theo cấu kiện chịu nén lệch tâm

(phẳng, xiên)

Thiết kế và cấu tạo cột

Quyết định đến sự an nguy của công trình

Tuyệt đối không được phép phá hoại

Chịu cắt lớn dưới tác dụng của tải trọng ngang  phải bố

trí cốt đai chịu cắt:

Thiết kế vùng liên kết dầm – cột