CHUYÊN ĐỀ KẾT CẤU THÉP

-Công trình trong vùng động đất ,phải đảm bảo yêu cầu đặc biệt về thiết kế và cấu tạo các nút khung , vì khung cứng thường dẻo hơn và nhạy cảm hơn đối với những trận động đất mạnh so với

KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

1.ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG:

1.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG:

-Số lượng tầng nhiều nên TLBT và tải trọng sử dụng thường rất lớn, lại được phân bố trên một diện tích mặt bằng nhỏ

-Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng, ảnh hưởng khá nhiều đến TTUS và biến dạng của

công trình vốn có độ siêu tĩnh rất cao

-Để giảm gía trị hệ lực quán tính sinh ra khi tòa nhàdao động, phải tìm cách phân bố khối lượng hợp lý theochiều cao nhà Do đó cần ưu tiên sử dụng các VL nhẹ

làm KC bao che, dùng VL cường độ cao đểà chịu lực Đặcbiệt là thép cường độ cao

Công trình Bitexco Finacial Tower sử dụng vật liệu nhẹ

(kính) để bao che cho công trình.

-Do CT có chiều cao lớn; tác động các loại tảitrọng ngang (do gió, động đất) là rất đáng kể Việcchọn giải pháp KC NCT có ảnh hưởng khá nhiều đếnđộ bền và ổn định, dao động bản thân do gió động,

tính chống lật của CT -Điều kiện thi công phức tạp Qui trình thi công cần nghiêm ngặt và yêu cầu độ chính xác cao khó thực

điều kiện tổ chức thi công đòi hỏi cao và đặc biệt hơn so với công trình thông thường.

-Điều kiện sử dụng, vệ sinh môi trường, thông gió,cấp thoát nước, giao thông chủ yếu theo phương thẳng đứng , ảnh hưởng đến sức khỏe, tâm lý con người 1.2 PHÂN LOẠI NHÀ CAO TẦNG:

a.Theo số tầng và chiều cao : gồm 4 loại

-Loại I : 9 – 16 tầng (chiều cao nhà H<50m)

-Loại II : 17-25 tầng (H=50 – 70m)

-Loại III : 26-40 tầng (H=75 – 100m)

-Loại IV: loại siêu cao tầng với số tâng lớn hơn 40tầng (cao hơn100m)

b.Theo mục đích sử dụng:

-Cao ốc văn phòng, khách sạn, nhà ở , trung

tâm thương mại, ngân hàng…

Trung Tâm Thương Mại Diamond Plaza (34 Lê

Duẩn,Q.1,Tp.Hcm)

c.Theo hình dạng mặt bằng :

-Vuông , đa giác, chữ nhật, bẻ góc, chữ I, L.…d.Theo vật liệu xây dựng :

-Nhà BTCT, thép hình hoặc BTCT kết hợp thép e.Theo sơ đồ kết cấu:

-Nhà khung

-Nhà tường

-Nhà lõi

-Khung-tường kết hợp- hệ hộp

2 YÊU CẦU CƠ BẢN KHI THIẾT KẾ NHÀ CAO

TẦNG:

-Khi thiết kế NCT, KTS, KS phải xem xét toàn diện mọi vấn đề kiến trúc, kết cấu và các kỹ thuật khác kể cả biện pháp thi công Trong đó PA chịu lực KCCT phải được chú trọng ngay từ lúc phác thảo PA

-Những vấn đề dưới đây cũng phải cân nhắc khi tìmtòi PA kiến trúc:

+Địa chất công trình quyết định số tầng và chiều cao ngôi nhà khi kinh phí đầu tư bị hạn chế

+Kỹ thuật xây chen khu dân cư hiện hữu

+Tầng hầm, tổ chức lưu thông

+Hệ thống kỹ thuật hạ tầng cơ sở: điện, cấp

thoát nước, cứu hỏa, thang máy, thoát hiểm, cấp

+Điều kiện tổ chức, phương pháp kĩ thuật thi

công

+Công năng, tổ chức quản lý công trình

+Riêng về mặt KCCT cần đảm bảo sao cho ngôi nhà làm việc được dưới mọi tải trọng và tác động

+Vật liệu bao quanh công trình cần chịu được sự thayđổi về nhiệt độ, độ ẩm,

+Khi ngôi nhà có tầng hầm phải lưu ý tới tác động của đất, nước ngầm làm đẩy nổi tầng hầm

 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN:

a. Vật liệu xây dựng công trình :

-Có cuờng độ cao, TLBT nhẹ để giảm giá trị của hệ lực quán tính sinh ra khi CT dao động, nhưng vẫnđạt được hiệu quả cao nhất về KNCL

-Có tính biến dạng lớn nhằm tăng cường khả năng phân tán năng lượng khi CT dao động

-Có khả năng chịu mỏi lớn để chịu các tải

trọng lặp, đổi chiều

-Có tính đồng nhất, đẳng huớng nhằm hạn chế sự tách thớ làm giảm tiết diện cấu kiện khi chịu tải trọng lặp

b.hình dáng công trình :

-Hình dạng MB cần đơn giản, gọn, đối xứng và cóđộ cứng chống xoắn lớn Khi mặt bằng hình chữ L,H,Y cần bố trí các khe kháng chấn để biến

chúng thành tổ hợp của các MB đơn giản hình chữ nhật

-Hình khối CT cần cân đối đơn điệu và liên tục Các biến đổi đột ngột về hình khối theo chiều cao

như khối cao và khối thấp sẽ dẫn đến những đột biến về khối lượng tham gia dao động Khi cần thiết tách hẳn thành khe lún.

-Hình dáng thu hẹp dần theo chiều cao nhằm giảmthấp nhất ảnh hưởng của dao động nhờ phân

phối hợp lí theo chiều cao

Tòa Nhà Burj Khalifa Dubai Có Hình Dáng

Thu Hẹp Dần Theo Chiều Cao

:Hành lang , sảnh …

-Bước của khung cột thườøng là 5-6m đối với sơ đồ khung , 9-12m cho các sơ đồ kết hợp khung–lõi, khung-vách Với các hệ kết hợp khung-hộp hoặc vách hộp thì khoảng cách có thể lớn hơn

d.Tổ hợp kết cấu theo phương đứng:

-Độ cứng không gian của KC phụ thuộc nhiều vào hình dạng của nó Nhà có dạng thon dần theo chiều cao sẽ hợp lí nhất về phân phối trọng lượng khi dao động

-KC dải giằng đứng thường là các dàn phẳng hoặc tổ hợp để tạo thành dàn không gian mà

cánh của chúng chính là các cột khung

-Các dải giằng ngang thường đặt ở các tầng đỉnh hoặc các tầng kỹ thuật số lượng và kích

thước các giằng này tuỳ thuộc vào chiều cao

nhà, PA KC chịu lực

-Giải pháp KC được gọi là hợp lí nếu kết quả chuyển vị ngang, chuyển vị xoay của hệ và momen uốn ở chân là bé, đồng thời truyền tác động đến móng nhanh nhất

3.1.HỆ KHUNG CỨNG :

Dầm cột liên kết → tạo thành khung cứng Các khung cứng từ các phương liên kết tạo thành khung không gian cùng chịu lực

Hệ kết cấu khung cứng

a.Đặc điểm:

-Chịu cả tải trọng đứng và ngang đồng thời

-Nút khung phải đủ cứng để đảm bảo các góc giao nhau giữa các cấu kiện không bị biến dạng trong quá trình chịu lực

-Công trình trong vùng động đất ,phải đảm bảo yêu cầu đặc biệt về thiết kế và cấu tạo các nút khung , vì khung cứng thường dẻo hơn và nhạy cảm hơn đối với những trận động đất mạnh so vớicác kết cấu thép có giằng và tường chịu cắt

-Với khung cứng, độ bền và độ cứng tỉ lệ

thuận với kích thước của dầm và cột,và tỉ lệ nghịch với bước cột Cột được bố trí ở nơi ít ảnh hưởng đến kiến trúc nhưng khoảng cách giữa cáccột cũng phải đảm bảo chiều cao ,chiều dày tối thiểu cho dầm , sàn

-Kích thước cột và dầm phụ thuộc trực tiếp vào giá trị lực cắt tại cao trình xem xét.Vì thế,kích thước cột và dầm tăng dần về phía móng Thiết kế

dầm sàn không thể lặp lại như đối với hệ khung giằng

b.Phạm vi ứng dụng:

-Công trình thép và BTCT

-Với công trình cao đến 30 tầng,hệ khung chịu

toàn bộ tải trọng ngang trừ những trường hợp

công trình quá mảnh Với công trình trên 30

tầng,độ cứng của hệ khung thường không đủ chịudịch chuyển ngang do tác động của gió và động đất

-Hệ khung cứng rất phù hợp cho BTCT vì đặc tính cứng tự nhiên của các nút khung Với thép thì hệ khung tốn kém hơn do phải gia cường khả năng

chịu moment ở các nút

Tòa Nhà Lever House (1952) In New York City,USA.

Kết Cấu Thép Sử Dụng Hệ Khung Cứng(cao 21 tầng)

3.2.HỆ KHUNG GIẰNG :

Hệ kết cấu khung

giằng

a.Đặc điểm:

-Rất kinh tế và hiệu quả trong việc chịu tải

trọng ngang

-Nâng cao hiệu quả của hệ khung cứng do giảm ảnh hưởng uốn trong cột và dầm do tải trọng

ngang bằng cách bổ sung các hệ giằng

-Toàn hệ làm việc như một hệ dàn công-xon

thẳng đứng ,bao gồm các cột và dầm (chủ yếu tại tải trọng đứng ) và các giằng chéo

-Tùy theo các yêu cầu về đặc điểm kiến trúc và kết cấu ,các giằng được chia làm 4 nhóm

chính : X,giằng chéo, K(chevron), và knee.Các thanh giằng thường được bố trí ở các vị trí thang máy

,cầu thang ,…

b.Phạm vi ứng dụng:

-Công trình kết cấu thép

Tòa Nhà Chrysler Building (1930) In New York City,USA.

Kết Cấu Thép Sử Dụng Hệ Khung Giằng(cao 77 tầng)

3.3.HỆ DÀN LIÊN KẾT :

Hệ kết cấu dàn liên kết

Các dạng dàn liên kết

hết các trường hợp được liên kết với nhau bởi cácdầm chu vi.Khi hệ chịu tải trọng ngang ,hệ “cột chu vi-dàn liên kết” hạn chế sự xoay của lõi trung

tâm

-Hệ “dàn liên kết” và “dầm chu vi” được cấu tạocao ít nhất 1 tầng và thông thường là 2 tầng tùy theo độ cứng yêu cầu Chúng thường được bố trí

ở các tầng MEP để tránh tối đa sự bất tiện trong sử dụng

b.phạm vi ứng dụng:

-Phổ biến cho kết cấu thép và kết cấu hỗn

hợp

Tòa Nhà US Bank

Center(1974) In

Milwaukee,USA

Kết Cấu Thép Sử

Dụng Hệ Dàn Liên Kết

-Đặc trưng cơ bản của hệ ống khung là tận dụngkhoảng cách gần nhau của các cột chu vi được liên

kết bởi các dầm chu vi sâu nên toàn bộ công

trình làm việc như một công-xon lớn thẳng đứng chống moment lật Hệ chịu tải trọng ngang rất hiệuquả cho dù có hoặc không có cột bên trong

-Khả năng chịu lực hiệu quả của hệ là do số lượng rất nhiều các nút cứng làm việc trên mặt biên của công trình tạo nên một ống rất lớn.Ốngbiên sẽ chịu toàn bộ tải trọng ngang Lực trọng

trường được chia sẽ bởi ống biên và các cột trong hoặc vách (nếu có)

-Hệ ống khung còn mang đến sự thông thoáng ,tăng diện tích sử dụng cho các sàn tầng vì giảm thiểu hệ lõi cứng giằng ,cột to do hệ khung chu vi chịu toàn bộ tải trọng ngang

-Tuy nhiên,do các cột chu vi khá gần nhau nên tầm nhìn từ trong ra ngoài bị hạn chế Có 2 hình

thức phổ biến được sử dụng cho kết cấu hỗn hợp :

+Cột (kết cấu hỗn hợp )+dầm chu vi(kết cấu thép)

+Cột (kết cấu hỗn hợp )+dầm chu vi(BTCT)-Để xử lý trường hợp các cột quá gần nhau

làm ảnh hưởng đến sảnh vào ở tầng trệt , có thể dùng hệ ống các dầm chuyển lớn hoặc các cột xiên

-Tỉ lệ chiều cao /chiều rộng ,kích thước mặt

bằng , nhịp và kích thước cột và dầm chu vi của công trình ảnh hưởng trực tiếp đến tính hiệu quả của kết cấu

-Ngoài các hình dạng mặt bằng kinh điển mà hệ ống khung được sử dụng khá hiệu quả ,hệ ống

khung còn được dùng cho các mặt bằng hình tròn ,tam giác và hình thang

-Hệ ống khung có thể chia làm 3 nhóm nhỏ:

+Hệ không có cột trong,vách chịu cắt,hoặc khung thép giằng

+ Hệ có cột trong,vách chịu cắt,hoặc khung thép giằng

+Hệ ống- trong- ống -Khi độ lệch ngang lớn và quyết định việc thiết kế, có thể bổ sung thêm 1 hệ ống khung bên

trong để tạo thành hệ ống-trong- ống dùng cho

công trình trên 100 tầng

b.phạm vi ứng dụng:

-kết cấu thép,BTCT,kết cấu hỗn hợp

World Trade Center (1972),New York City,USA.

Hệ khung ống được tạo thành từ các cột thép

14”x14”,khoảng cách 22”.

kích thước mỗi phương là 210 feet

3.5.HỆ ỐNG GIẰNG :

a.đặc điểm:

-Khi bổ sung các thanh giằng chéo trên bề mặt của ống ,độ cứng và hiệu quả của hệ ống

khung sẽ tăng lên tạo nên hệ ống giằng ,ống

dàn, ống giằng chéo chu vi,có thể áp dụng cho nhà cao tầng hơn và khoảng cách các cột biên lớn hơn

-Ống giằng là hệ chịu tải ngang tiên tiến nhờ sử dụng tối thiểu số lượng các giằng chéo trên các mặt của ống giao nhau tại cùng 1 điểm trên các cột góc Với kết cấu thép, các giằng chéo ,dàn thép được sử dụng

-Các giằng chéo đảm bảo các cột chu vi cùng làm việc với nhau để chịu cả tải trọng đứng và tải trọng ngang => một hệ ống công –xon đứng rấtcứng được tạo thành mà sự làm việc dưới tải

trọng ngang rất giống với một ống cứng thuần

tuý

-Hệ này rất phù hợp cho các công trình rất

mảnh và cao với diện tích sàn rất nhỏ

-Hệ ống giằng giảm thiểu rủi ro sự vượt quá tảitrọng dọc trục do các cột góc chịu.Tuy nhiên ,hệ ống giằng ít được sử dụng rộng rãi vì khó khăn trong việc thiết kế kết cấu bao che

b.Phạm vi ứng dụng:

- kết cấu thép,BTCT,kết cấu hỗn hợp

Tòa Nhà John Hancock Center

(1969)In Chicago ,USA

(cao 100 tầng)

3.6.HỆ BÓ ỐNG :

a.Đặc điểm:

-Khi kích thước công trình tăng cả theo chiều cao và rộng ,một hệ ống khung đơn lẽ sẽ không hiệu quả về mặt chịu lực (nếu hệ kết cấu càng trải rộng theo mặt bằng ,thì hệ ống sẽ không hiệu

quả ) => hệ bó ống , với khoảng cách bố trí các cột lớn hơn, được sử dụng

-Vì hệ này được tạo thành bởi sự sắp xếp các ống độc lập nên có thể thay đổi mặt bằng sàn khá đơn giản bằng cách kết thúc một ống ở độ cao mong muốn mà không ảnh hưởng đến độ

cứng kết cấu của phần còn lại

-Hệ này rất phù hợp cho các kết cấu bất đối xứng Vì thiết kế bó ống được tạo thành từ các ống độc lập nên các ô có thể có các hình dạng khác nhau như tam giác , lục giác ,bán nguyệt

-Nhược điểm : các sàn bị chia cắt thành các ô nhỏ bởi hệ thống các dãy cột chạy dọc công trình.Tuy nhiên ,do bước cột lớn và các dầm liên kết mỏng , hệ cho phép các ô cửa lớn hơn so với hệ ống đơn

-Có thể hoặc sử dụng hệ ống khung hoặc ống giằng chéo hoặc kết hợp cả 2 giải pháp

-Hệ bó ống được sử dụng rộng rãi do tính modulehóa.Các ống hoặc ô có thể được sắp xếp dưới các hình thức khác nhau để tạo các hình khối khácnhau

b.Phạm vi ứng dụng:

- kết cấu thép,BTCT,kết cấu hỗn hợp

Tòa Nhà Sears Tower(Chicago ,1974) Kết cấu thép sử dụng hệ bó ống (cao 108 tầng)

Các Bó Ống Tòa Nhà Sears Tower(Chicago ,1974)

3.7.HỆ TƯỜNG CHỊU LỰC :

- Tấm tường đóng vái trò vách cứng chịu đồng thời tải trọng đứng và ngang

-Các cấu kiện thẳng đứng chịu lực của nhà là các tấm tường phẳng Theo cách bố trí tường cĩ các sơ đồ sau: Tường dọc chịu lực, tường ngang chịu lực, tường ngang và tường dọc cùng chịu lực

-Tải trọng ngang được truyền đến các tấm tường chịu tải thơng qua các bản

làm việc như một cơng xon cĩ chiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu tải của vách cứng phụ thuộc phần lớn vào hình dạng tiết diện ngang của chúng ( tuỳ theo cấu tạo cĩ thể cĩ dạng chữ nhật, chữ I, chữ T hay chữ C).

-Hiện nay VLXD đa dạng, nên cấu trúc các tấm tường cũng đa dạng Ngồiviệc xây bằng gạch đá, hệ lưới thanh tạo thành từ các cột đặt gần nhau liên kết qua các dầm ngang, xiên cũng được xem là loại kết cấu này

-Hệ tường chịu lực thích hợp cho các loại nhà cần phân chia khơng gian bên trong ( nhà ở, làm việc, khách sạn, ), cĩ thể cao đến 20 tầng

Hệ tường chịu lực

3.8.HỆ LÕI :

- dạng vỏ hộp rỗng ghép bởi tường vách, không gian bên trong tận dụng làm cầu thang Có thể bố trí đầu nhà, giữa nhà hoặc góc nhà

Sơ đồ bố trí lõi

 HỆ KẾT CẤU NỬA LÕI:

Dạng dầm chìa

Dạng treo

Sơ đồ tính toán dạng treo

3.9.HỆ HỘP :

- khung bao quanh, lõi ở giữa nhà

3.10.HỆ KẾT CẤU HỖN HỢP :

- Khung – tường kết hợp (khung giằng), khung-lõi, hệ khung –hộp…

+Hệ khung + vách cứng

+Hệ khung + lõi chịu lực,

Khung vách và giằng khơng gian Khung, lõi và dầm chìa

4 CÁC BỘ PHẬN CHI TIẾT NCT:

4.1.VÁCH CỨNG:

-Độ cứng lớn, biến dạng ngang nhỏ, làm bằng

BTCT tại chỗ, chống tác động và tải trọng ngang tốt.-Chiều dày vách không nhỏ hơn 1/25 chiều cao

tầng và 140mm

-Chiều dài một vách không nên lấy dài hơn 8m.-Bố trí nên cùng mặt phẳng cột, dầm khung và chạy suốt chiều cao ngôi nhà từ mái xuống móng 4.2.KHUNG CỨNG :

4.2.1.Cột : chủ yếu chịu nén và lệch tâm xiên

bé, khi lựa chọn TD căn cứ vào nội lực cũng như các liên kết với các cấu kiện khác nhằm đạt được hiệuquả lớn nhất về chịu lực, về giá thành, về tiết

kiệm không gian sử dụng

-Trong NCT thường dùng TD cột đặc tổ hợp hàn

Cột rỗng, do tốn nhiều công chế tạo, lại chiếm

không gian lớn nên thường không sử dụng

-Việc chọn dạng tiết diện phụ thuộc vào khá

nhiều tham số : giá trị lực nén N, momen uốn M và tỷ lệ M/N ; cách liên kết cột với xà ngang ; chiều dài tính toán theo phương lx, ly và tỷ lệ lx/ly

4.2.2.Dầm :

-Dầm chủ yếu là chịu uốn, và truyền các tải trọng này đến kết cấu thẳng đứng chịu lực( vách lõi cột của khung cứng).

-Khi nhịp nhỏ hơn 12m, TD ngang của dầm có thể dùng thép hình I cán, I tổ hợp hàn Cũng có thể kết hợp với sàn BTCT để tạo thành

hệ dầm sàn liện hợp hai vật liệu

-TD dạng hộp rổng được dùng khi dầm phải chịu lực cắt khá lớn hoặc khi cần tăng độ

cứng theo phương MP khung.

-Khi nhịp lớn hơn 12m, dùng dầm cao bụng có khoét lỗ hoặc dùng các dàn-dầm

-Thanh cánh dàn dạng chữ T, với các dàn

chịu tải trọng lớn thì thanh cánh thường dùng các thép hình I

-Chiều cao dầm, dàn xác định theo điều kiện chịu lực, chiều cao kiến trúc và các yêu cầu kinh tế, thường tỷ số h/L vào khoảng (1/15-

1/10).