kết cấu nhà cao tầng tiến sĩ Nguyễn hữu anh tuấn

T
ng quan chiu cao nhà vi các công trình lân cnMt nhà 14 tng có th không c xem là cao tng  mt thành ph vi nhiu nhà chc tri nh Chicago hay Hongkong, nhng nó c xem là cao  vùng ngoi ô hay ni thành ca mt thành ph  Vit Nam.

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 1

KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM

TS NGUYỄN HỮU ANH TUẤN

30 TIẾT – PHẦN CƠ BẢN

• Bungale S Taranath (2010) Reinforced Concrete Design of Tall Buildings, CRC Press.

• Bungale S Taranath (1998) Steel, Concrete and Composite Design of Tall Buildings, McGraw-Hill.

• Lê Thanh Huấn (2007) Kết cấu nhà cao tầng BTCT, NXB Xây Dựng

• Nguyễn Lê Ninh (2007) Động đất và thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây Dựng

• Triệu Tây An (1996) Hỏi-đáp thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng, NXB Xây Dựng.

• TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động.

• TCXD 229:1999 Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió.

• TCXD 375:2006 Thiết kế công trình chịu động đất

• TCXD 198:1997 Nhà cao tầng-Thiết kế kết cấu BTCT toàn khối.

• Wolfgang Schueller (1986), High-Rise Building Structures, Krieger Pub Co.

• Mir M Ali & Kyoung Sun Moon (2007) Structural Developments in Tall Buildings: Curent Trends and Future Prospects, Architectural Science Review, Vol 50.3.

• Anil K Chopra (1995) Dynamic of Structures – A Primer, Earthquake Engineering Research Institute

• Cement and Concrete Association of Australia (2003) Guide to Long-Span Concrete Floors

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 3

Bài 1 Tổng quan Bài 2 Các hệ kết cấu sàn BTCT (ôn tập) Bài 3 Các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang Bài 4 Khái niệm về động lực học kết cấu nhà nhiều tầng Bài 5 Tải trọng và tác động Tải trọng gió

Bài 6 Tác động động đất Bài 7 Các phương pháp tính toán gần đúng kết cấu nhà nhiều tầng Bài 8 Tính toán và cấu tạo các bộ phận chịu lực bằng BTCT

Bài 9 Một số chủ đề đặc biệt

TỔNG QUAN

BÀI 1

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 5

Định nghĩa, quy ước về NCT

Tương quan chiều cao nhà với các công trình lân cận

Một nhà 14 tầng có thể không được xem là cao tầng ở một thành phố với nhiều nhà chọc trời như Chicago hay Hongkong, nhưng nó được xem là cao ở vùng ngoại ô hay nội thành của một thành phố ở Việt Nam

Tỷ lệ

Có nhiều công trình không cao lắm nhưng lại khá mảnh để có hình dáng như một nhà cao tầng Ngược lại, có nhiều công trình có mặt bằng phần đế rất rộng, có thể không giống như “nhà cao tầng” mặc dù chúng

có chiều cao khá lớn

Không có quy định duy nhất về chiều cao, số tầng là bao nhiêu thì được gọi

là cao tầng!

Định nghĩa, quy ước về NCT

Công nghệ liên quan đến chiều cao

Nếu một tòa nhà cần những “công nghệ “ đặc biệt bởi vì chiều cao của nó, ví dụ hệ thống vận chuyển đặc biệt theo phương đứng, hay hệ giằng chống tải trọng gió;

thì nó có thể được xem là nhà cao tầng

Mặc dù cách phân loại nhà dựa theo chiều cao là không thích hợp lắm, ta có thể xem

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 7

Định nghĩa, quy ước về NCT

Có quan niệm cho rằng nhà được xem như là caokhi việc thiết kế kết cấu của nó phải chuyển từ phântích tĩnh học sang phân tích động lực học Ởphương diện thiết kế kết cấu, có thể xem một côngtrình là cao khi tải trọng ngang, đặc biệt là chuyển

vị lệch tầng, có ảnh hưởng đến việc phân tích vàthiết kế kết cấu

Hoặc một tòa nhà đuợc xem là cao tầng nếu chiềucao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thicông và sử dụng khác với các ngôi nhà thôngthường

• Yếu tố quan trọng: tải trọng ngang

• Hạn chế chuyển vị ngang Nếu chuyển vị ngang lớn
tăng nội lực do độlệch tâm của trọng lượng; hư hỏng các bộ phận phi kết cấu; khó bố tríthiết bị; người có cảm giác khó chịu và hoảng sợ

• Yêu cầu chống động đất: không hư hại khi động đất nhẹ; hư hại các bộphận không quan trọng khi động đất vừa; có thể hư hại nhưng không sụp

đổ khi động đất mạnh
kết cấu cần có độ dẻo và khả năng tiêu tán nănglượng động đất

• Giảm nhẹ trọng lượng bản thân
giảm tải trọng xuống móng; giảm tải

động đất
kinh tế, an toàn

• Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng vì kết cấu vốn có độ siêu tĩnhcao
quan tâm tương tác kết cấu thượng tầng –nền đất

• Khả năng chịu lửa cao, dễ thoát hiểm

• Yêu cầu độ bền, tuổi thọ cao

Yêu cầu đối với thiết kế kết cấu NCT

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 9

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 11

Sơ bộ chọn hệ kết cấu

Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan

Thép

Sơ bộ chọn hệ kết cấu

Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan

Bê tông

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 13

Bố trí kết cấu

Bố trí mặt đứng

• Đều hoặc thay đổi đều, giảm dần kích thước dần lên phía trên

• Tránh mở rộng tầng trên hoặc nhô ra cục bộ
bất lợi khi động đất

• Không nên thay đổi trọng tâm và tâm cứng theo tầng nhà

Giới hạn tỷ số chiều cao/chiều rộng nhà (H/B) (TCXD 198:1997)

B H

B

<B/4

H

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 15

Bố trí kết cấu

Khe nhiệt, khe lún, khe khán chấn

• Hạn chế dùng khe: cấu tạo móng khó khăn, xô đẩy giữa các khối khi công trình dao động do động đất

• Kết cấu khung-vách BTCT toàn khối: khoảng cách cho phép giữa hai khe co

giãn là 45m (tường ngoài liền khối) hoặc 65m (tường ngoài lắp ghép).

• Khe lún: dùng khi có lệch tầng lớn, khi địa chất thay đổi phức tạp Có thể

không dùng khe lún nếu công trình tựa trên nền cọc chống vào đá hoặc tầngcuội sỏi; hoặc việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiện độ chênh lún giữa các

bộ phận nằm trong giới hạn cho phép

• Nhà có cánh dạng chữ L, T, U, H, Y … thường hay bị hư hỏng hoặc bị đổ

khi gặp động đất mạnh ⇒ bố trí khe kháng chấn tách rời phần cánh ra khỏi

công trình Các khe kháng chấn phải đủ rộng để khi dao động các phần củacông trình đã được tách ra không va đập vào nhau

• Chiều rộng của khe lún và khe kháng chấn

dmin = V 1 + V 2 + 20mm

V 1 , V 2 là chuyển dịch ngang cực đại của 2 khối, tại đỉnh của khối thấp hơn

Công trình Mexico City: một tầng nhà bị phá hoại hoàn toàn khi hai khối nhà, có chiều cao và đặc trưng động lực học khác nhau, va đập vào nhau.

Sự chuyển động của nền đất gây nên những dao động khác nhau giữa các khối công trình, tại những nơi có sự gián đọan kết cấu.

Bố trí kết cấu

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 17

Bố trí kết cấu

Phân bố độ cứng và cường độ theo phương ngang

• Bố trí độ cứng và cường độ đều đặn và đối xứng trên mặt bằng, tâm cứngnên trùng hoặc gần trùng với tâm khối lượng để giảm thiểu biến dạngxoắn do tải trọng ngang

• Bố trí hệ thống chịu lực ngang chính theo cả hai phương

• Các vách cứng theo phương dọc không không nên bố trí chỉ ở một đầunhà mà nên bố trí ở khu vực giữa nhà hoặc cả ở giữa nhà và hai đầu nhà

• Khoảng cách giữa các vách cứng: không quá 5B và 60m (cho công trìnhkhông kháng chấn), 4B và 50m (kháng chấn cấp ≤7), 3B và 40m (khángchấn cấp 8), 2B và 30m (kháng chấn cấp 9)

• Không nên chọn vách có khả năng chịu tải lớn nhưng số lượng ít; mà nênphân đều ra trên mặt bằng

• mỗi đơn nguyên có ít nhất có 3 vách cứng, trục ba vách không được đồngquy

• Chiều dày vách ≥ 150 mm và ≥ 1/20 chiều cao tầng

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 19

Bố trí kết cấu

Bố trí kết cấu

Phân bố độ cứng và cường độ theo phương đứng

• Tránh thay đổi độ cứng đột ngột Độ cứng của kết cấu ở tầng trên phải khôngnhỏ hơn 70% độ cứng của kết cấu ở tầng dưới kề với nó Nếu 3 tầng giảm độcứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50%

Brunswick Building (Chicago): loads in the closely spaced perimeter columns are transferred through the transfer beam to the widely spaced columns at ground level

http://khan.princeton.edu/khanBrunswick.html

• Trong trường hợp độ cứng kết cấu bịthay đổi đột ngột, ví dụ khi giảm sốlượng cột/vách ở tầng dưới thì cần cócác giải pháp kỹ thuật đặc biệt

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 21

Các tiêu chí kiểm tra kết cấu BTCT

• Tính toán và cấu tạo các cấu kiện theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành

• Kiểm tra ổn định chống lật cho nhà có H/B > 5:

 moment gây lật: do tải trọng ngang (gió, động đất)

 moment chống lật: do 90% tĩnh tải và 50% hoạt tải sử dụng

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 23

CÁC HỆ KẾT CẤU SÀN BTCT

PHỔ BIẾN (ÔN TẬP)

BÀI 2

Tổng quan

Chọn giải pháp ván khuôn đơn giản khi lắp dựng và tháo dỡ, có tính tái sử dụng cao Chọn giải pháp sàn hợp lý trong nhà cao tầng có vai trò quan trọng vì:

• Mỗi sàn tiết kiệm được một ít thì cả công trình nhiều tầng có thể tiết kiệm rất đáng kể

• Trọng lượng sàn có ảnh hưởng đến việc thiết kế các cấu kiện chịu lực đứng như vách/tường, cột, hệ móng

Khối lượng công trình cũng ảnh hưởng đến đặc điểm chịu tải trọng động của công trình

• Chiều cao hệ kết cấu sàn ảnh hưởng đến chiều cao tầng

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 25

Sàn không dầm

Flat plate – không có mũ cột hay bản đáy

BTCT thường:

nhịp 6-8 m (D x 30 cho nhịp biên và D x 32 cho nhịp giữa của sàn liên tục)

BTCT ứng suất trước:

nhịp 8-12m (D x 37 cho nhịp biên và D x 40 cho nhịp giữa của sàn liên tục, với

D là chiều dày sàn)

Sàn không dầm

Flat plate – không có mũ cột hay bản đáy

Ưu điểm:

• Ván khuôn đơn giản, trần phẳng

• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản

• Chiều cao hệ kết cấu sàn tối thiểu, có thể giảm chiều cao tầng

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 27

Sàn không dầm

Flat slab – có bản đáy (drop panel)

Dùng Drop panels để tăng khả năng chống xuyên thủng tại vị trí sàn gần cột

• BTCT thường: nhịp 9.5m (D x 32 cho nhịp biên và D x 36 cho nhịp giữa của sàn liên tục)

• BTCT ứng suất trước: nhịp 12m (D x 40 cho nhịp biên và D x 45 chi nhịp giữa của sàn liên tục, D là chiều dày sàn không kể drop panel)

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 29

Sàn không dầm

Flat slab – có bản đáy (drop panel)

Ưu điểm:

• Ván khuôn đơn giản

• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản

• Chiều cao kết cấu tối thiểu

• Thường không cần cốt thép chịu cắt cho vùng sàn gần cột

Nhược điểm:

• Vượt nhịp trung bình

• Thường không thích hợp để đỡ vách ngăn bằng vật liệu giòn

• Drop panels có thể ảnh hưởng đến việc bố trí các hệ thống kỹ thuật có kích thước lớn

• Việc bố trí lỗ theo phương đứng phải tránh vùng sàn xung quanh cột

• Với sàn phẳng BTCT thường độ võng của dải giữa nhịp có thể lớn

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 31

• Tăng chiều cao tầng nhà

• Có thể phải tạo lỗ xuyên qua dầm khi bố trí đường ống

Sàn có dầm bẹt

Hệ này có các dầm với chiều cao nhỏ nhưng chiều rộng lớn (band beams) Có thểdùng BTCT ứng lực trước cho band beams (căng sau) trong khi vẫn dùng BTCTthường cho sàn Cũng có thể dùng sàn composite concrete/metal decking

• BTCT thường: nhịp vào khoảng Dx22 cho band beams rộng 1200mm, và Dx26 cho band beams rộng 2400mm; có thể vượt nhịp đến 12m D là tổng chiều dày sàn-dầm bẹt

• BTCT ứng lực trước: nhịp vào khoảng Dx24 cho band beams rộng 1200mm, và Dx28 cho band beams rộng 2400mm

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 33

Sàn có dầm bẹt

Ưu điểm:

• Ván khuôn tương đối đối đơn giản

• Dầm thấp cho phép các hệ thống kỹ thuật chạy dưới sàn

• Giảm chiều cao hệ kết cấu sàn và chiều cao tầng nhà

• Có thể vượt nhịp lớn

• Tiết kiệm thời gian và giá thành

Nhược điểm:

• Độ võng dài hạn lớn
có thể phải cần ứng lực trước (căng sau)

• Có thể cần các lỗ kỹ thuật xuyên dầm

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 35

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 37

CÁC HỆ THỐNG KẾT CẤU CHỊU

TẢI TRỌNG NGANG

BÀI 3

Mở đầu

Chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng:

• Với tải trọng đứng: ngoài việc dùng vật liệu nhẹ thì khó có cách nào khác để giảm ảnh hưởng của tải trọng đứng

• Với tải trọng ngang: có thể giảm ảnh hưởng của tải trọng ngang bằng cách áp dụng một số nguyên lý khi bố trí kết cấu:

 Để chịu tốt moment lật do tải ngang, bố trí các cấu kiện thẳng đứng càng

xa tâm hình học của công trình càng tốt

 Lợi dụng các cấu kiện chịu moment lật đó để chịu tải trọng đứng luôn

 Giảm thiểu khả năng xuất hiện lực kéo dọc trục trong các cấu kiện BTCT khi chịu tải ngang

 Liên kết các cấu kiện đứng để tận dụng tối đa khả năng chịu tải ngang của các khung biên theo chu vi công trình

Ví dụ, kết cấu ống (Tube structures) gồm có các cột đặt gần nhau theo chu vi nhà, liên kết với nhau bởi các dầm có chiều cao lớn, gần như đáp ứng các các nguyên lý trên

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 39

Mở đầu

Gợi ý lựa chọn hệ thống kết cấu cho nhà cao tầng BTCT

HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT

• Sàn phẳng hai phương được đỡ bởi cột, không có dầm, chiều cao nhà thường không quá 10 tầng để bảo đảm chuyển vị ngang, ít được dùng trong vùng chịu động đất mạnh

• Ứng xử của sàn phẳng khi chịu tải ngang:

 Phân phối tải ngang đến các cấu kiện đứng, tỷ lệ với độ cứng của chúng

 Hạn chế chuyển vị dọc trục và góc xoay của cột và tường Lúc này sàn làm việc như dầm bẹp bản rộng

Tương thích biến dạng giữa sàn và tường khi chịu tải trọng ngang Khó cấu tạo cốt thép sàn khi có tập trung ứng suất lớn

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 41

Two-way waffle system

HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT

Phương pháp khung tương đương:

Thay sàn bằng hệ dầm hai phương

Tiêu chuẩn ACI cho phép lấy chiều rộng hiệu

quả (effective width) w của dầm tương đương bằng ½(w1 + w2) cho cả tải đứng và tải ngang

Các kỹ sư đề nghị lấy w = ¼ (w1 + w2) khi tính khung-sàn chịu tải trọng ngang thì an toàn hơn

Khi giải khung, cần xem xét ảnh hưởng của vết nứt trong sàn, sự tập trung và phân bố cốt thép trong bề rộng dải sàn,vv… đến độ cứng của các cấu kiện Tuy nhiên, việc tính chính xác sự suy giảm độ cứng là vấn đề khó khăn

Việc chỉ kể ¼ bề rộng dải sàn vào độ cứng của dầm tương đương thường là chấp nhận được

HỆ SÀN PHẲNG VÀ CỘT

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 43

Với nhà cao hơn 10 tầng có thể dùng hệ sàn phẳng được đỡ bởi vách cứng và cột Các vách cứng có thể có dạng phẳng, hở , kín hoặc kết hợp giữa các dạng

đó Vách phẳng sẽ làm việc tương tự như thanh công-xon mảnh, vách hở thì có ứng xử phức tạp hơn

Trong hầu hết các công trình căn hộ và khách sạn cao tầng thì phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ khung (sàn-cột) chỉ bằng khoảng 10-20% phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ vách cứng

HỆ SÀN PHẲNG, VÁCH CỨNG và CỘT

HỆ KHUNG CỨNG

• Hệ khung cứng gồm cột liên kết cứng với dầm theo cả hai phương, chịu toàn

bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang So với hệ vách cứng, hệ khung nói chung là không cứng bằng, nhưng có độ dẻo cao hơn và do đó mức độ bị phá hoại do động đất có thể ít hơn

• Hệ khung có ưu điểm về mặt kiến trúc là thuận tiện bố trí không gian bên trong nhà cũng như các ô trống ở mặt ngoài nhà, vì không có các tường cứng chịu lực

• Hệ khung cứng thuần túy có thể dùng cho nhà cao đến 25 tầng Khi khung được kết hợp với vách cứng để tăng độ cứng ngang và giảm chuyển vị thì nhà có thể cao đến 50 tầng

• Độ cứng ngang của khung phụ thuộc vào khả năng chống uốn của dầm, cột

và nút khung; và cả độ cứng dọc trục của cột khi khung có chiều cao lớn

• Với công trình có yêu cầu kháng chấn, cần đặt cốt đai ngang với khoảng cách nhỏ trong vùng nút khung_ là vùng chịu lực cắt lớn, để khống chế vết nứt nghiêng và sự tách bóc bê tông, cũng như để tăng độ dẻo cho khung

Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan 45

HỆ KHUNG CỨNG

Nội lực và biến dạng trong khung cứng

HỆ KHUNG CỨNG

Đặc trưng biến dạng của khung

Do liên kết giữa dầm và cột là cứng, khung sẽ không thể có chuyển vị ngang nếu không có sự uốn của dầm và cột Do đó, độ cứng ngang của khung phụ thuộc phần lớn vào độ cứng chống uốn của các cấu kiện, và phụ thuộc một ít vào độ cứng dọc trục (kéo/nén) của cột Để đơn giản, ta hãy so sánh:

- Một cây cột công-xon: chuyển vi ngang của cột chủ yếu là do biến dạng uốn, chỉ một phần nhỏ của chuyển vị ngang là do biến dạng cắt Trong tính toán, thậm chí có thể bỏ qua biến dạng cắt, trừ khi cột khá ngắn

- Một khung cứng: cả hai thành phần biến dạng do uốn (cantilever bending component) và do cắt (frame racking component) đều quan trọng

Với khung không quá cao, chuyển vị ngang do hiệu ứng uốn thường không vượt quá 10%–20% chuyển vị do hiệu ứng cắt Do đó biểu đồ biến dạng tổng thể của khung thường sẽ gần giống với biểu đồ biến dạng cắt