Hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tẩng

Khái niệm về nhà cao tầng Theo định nghĩa của Ủy ban Quốc tế nhà cao tầng “Một công trình được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tầng” là công trình nghiên cứu của bản thân được nghiên cứu, tính toán dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo TS Trần Anh Thiện Các số liệu trong luận văn có nguồn trích dẫn, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đặng Bá Liên

HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG CO NGẮN CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG

Học viên: Đặng Bá Liên Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K32, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt–Hiện tượng co ngắn cột, đặc biệt là độ vênh co ngắn, gây ra rất nhiều vấn đề cho nhà cao

tầng Để hạn chế ảnh hưởng của co ngắn cột, giá trị co ngắn cần được tính toán chính xác Luận văn này so sánh kết quả tính toán giữa phương pháp phân tích theo giai đoạn thi công, có xét và không xét đến co ngót và từ biến, với phương pháp phân tích thông thường cho công trình nhà cao 30 tầng bằng

bê tông cốt thép, sử dụng phần mềm ETABS Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng

hệ tầng cứng đến hạn chế co ngắn cột Kết quả phân tích cho thấy độ vênh co ngắn ở tầng đỉnh theo phân tích thông thường có thể lớn gấp 10 lần giá trị được phân tích theo giai đoạn thi công, và giá trị momen uốn tại liên kết dầm-lõi cứng có thể lớn hơn 2 lần giá trị được phân tích theo giai đoạn thi công Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sử dụng hệ tầng cứng giúp giảm đáng kể độ vênh co ngắn giữa cột

và vách

.Từ khóa: co ngắn cột, độ vênh co ngắn, bê tông cốt thép, nhà cao tầng

REDUCTION OF DIFFERENTIAL COLUMN SHORTENING IN DESIGN OF

REINFORCED CONCRETE TALL BUILDINGS

Abstract –Column shortening, especially differential column shortening, can cause several problems

for tall buildings To minimize the effect of differential column shortening, the column shortening values should be accurately estimated This thesis compares the construction sequence analysis (CSA), with and without creep and shrinkage, with regular analysis of a 30-story reinforced concrete building using ETABS.Thestudyalso investigates the effectiveness of using outrigger systemsin controlling column shortening The results show that the differential column shortening from regular analysis is almost ten times as that from CSAat the top story, and the bending moment at the top floor beam-core wall connection approximately doubles that from CSA The study also indicates that using outriggers help reduce significantly the differential column shortening between columns and adjacent shear walls

Keywords:column shortening, differential column shortening, reinforced concrete, tall building,

high-rise building

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Nội dung chương mục trình bày trong luận văn 2

CHƯƠNG 1 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG CO NGẮN CỘT ĐẾN NỘI LỰC NHÀ CAO TẦNG 3

1.1 Khái niệm về nhà cao tầng 3

1.2 Lịch sử phát triển nhà cao tầng 3

1.2.1 Nhà cao tầng ở Hoa Kỳ 4

1.2.2 Nhà cao tầng ở Châu Âu 6

1.2.3 Nhà cao tầng ở Mỹ La tinh, Trung Đông và Châu Á 7

1.2.4 Nhà cao tầng ở Việt Nam 9

1.3 Các hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng 9

1.3.1 Đặc điểm chịu lực nhà cao tầng 9

1.3.2 Đặc điểm sử dụng vật liệu 10

1.3.3 Các hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng 11

1.3.3.1 Hệ khung chịu lực 12

1.3.3.2 Hệ tường chịu lực 13

1.3.3.3 Hệ lõi chịu lực 14

1.3.3.4 Hệ hộp chịu lực 15

1.3.3.5 Hệ hỗn hợp: khung – tường (Vách) chịu lực 17

1.3.3.6 Hệ khung – lõi chịu lực 18

1.3.3.7 Hệ khung – hộp chịu lực 19

1.3.3.8 Hệ hộp – tường chịu lực 19

1.3.3.9 Hệ hộp - lõi chịu lực (ống trong ống) 19

1.3.3.10 Hệ tường - lõi chịu lực 20

1.3.3.11 Hệ khung - vách – lõi 21

1.3.3.12 Hệ kết cấu nhà cao tầng dạng tầng cứng 21

1.4 Tải trọng tác động trong nhà cao tầng 22

1.4.1 Tải trọng thẳng đứng 22

1.4.2 Tải trọng ngang 22

1.4.3 Các loại tải trọng khác 22

1.5 Một số vấn đề trong thiết kế nhà cao tầng 22

1.5.1 Thỏa mãn yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng 22

1.5.2 Đảm bảo độ bền và ổn định 22

1.5.3 Chống cháy 23

1.6 Hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép 23

1.7 Các nhân tố ảnh hưởng của co ngắn cột 25

1.7.1 Biến dạng đàn hồi do cột và vách chịu tải trọng nén, phụ thuộc vào 25

1.7.2 Co ngót bê tông, phụ thuộc vào 25

1.7.3 Từ biến, phụ thuộc vào 25

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG CỦA CỘT VÀ VÁCH BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG NHÀ CAO TẦNG 27

2.1 Một số mô hình tính toán biến dạng trong cột bê tông cốt thép 27

2.1.1 Mô hình ACI 209R-92 27

2.1.2 Mô hình Bazant-Baweja B3 28

2.1.3 Mô hình CEB MC90-99 29

2.1.4 Mô hình GL2000 30

2.2 Tính biến dạng và co ngắn cột theo giai đoạn thi công 31

2.2.1 Nguyên tắc chung về trình tự giai đoạn thi công 31

2.2.1.1 Xét biến dạng của cột tầng 1 31

2.2.1.2 Xét biến dạng của cột tầng 2 32

2.2.2 Phương pháp phân tích nội lực và chuyển vị của các cấu kiện trong mô hình tính toán nội lực sử dụng phần mềm Etabs 33

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO GIAI ĐOẠN THI CÔNG 34

3.1 Giới thiệu chung về mô hình hóa kết cấu, thuyết minh tính toán 34

3.1.1 Thiết lập mô hình tính toán 34

3.1.2 Cơ sở lập thuyết minh tính toán 36

3.1.3 Áp dụng công thức ACI 209R-92 vào tính toán biến dạng 36

3.2 Xây dựng mô hình phân tích 36

3.2.1 Khảo sát đối với mô hình không sử dụng tầng cứng 36 3.2.2 Khảo sát đối với mô hình có sử dụng một tầng cứng tại tầng 15 36 3.2.3 Khảo sát đối với mô hình có sử dụng hai tầng cứng tại tầng 10 và tầng 20 trong 36 3.3 Kết quả tính toán nội lực, biến dạng và co ngắn cột cho từng mô hình ứng với

ba trường hợp 37 3.3.1 Tính toán, phân tích mô hình không sử dụng tầng cứng 37 3.3.1.1 Kết quả nội lực trong dầm liên kết lõi vách và cột biên 38 3.3.1.2 Phân tích xét chuyển vị cho khung trục 2 giữa lõi vách (nút 14) và cột (nút 5) 41 3.3.2 Khảo sát đối với mô hình sử dụng một tầng cứng tại tầng 15 45 3.3.2.1 Xét nội lực trong dầm liên kết lõi vách và cột biên ứng với 3 trường hợp 46 3.3.2.2 Phân tích xét chuyển vị cho khung trục 2 giữa lõi vách (nút 14) và cột (nút 5) 49 3.3.3 Khảo sát mô hình có sử dụng hai tầng cứng tại tầng 10 và tại tầng 20 53 3.3.3.1 Xét nội lực trong dầm liên kết lõi vách và cột biên ứng với 3 trường hợp 54 3.3.1.2 Phân tích xét chuyển vị cho khung trục 2 giữa lõi vách (nút 14) và cột (nút 5) 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.2 Chiều cao lớn nhất thích hợp cho nhà BTCT liền khối (m) 103.1 Tổng hợp giá trị momen trong dầm liên kết lõi vách (2C) và

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.4 Chiều cao các tòa nhà nổi tiếng trên thế giới 8 1.5 Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng 11

1.19 Sự làm việc của hệ kết cấu nhà cao tầng dạng tầng cứng 21 1.20 Độ vênh co ngắn ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của dầm sàn

và gây nứt vỡ tường kính, vách ngăn, nứt dầm, sàn 25 1.21 Biến dạng của bê tông theo thời gian do từ biến, co ngót 25 1.22 Hàm số co ngót theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn ACI 26 1.23 Hàm số cường độ nén theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn ACI 26 2.1 Hàm số từ biến theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn ACI 28 2.2 Biến dạng của cột tầng 1 theo từng giai đoạn thi công 32 2.3 Biến dạng của cột tầng 2 theo từng giai đoạn thi công 33

Số hiệu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây với xu thế hội nhập toàn cầu, cùng với nhịp điệu tăng trưởng của nền kinh tế và sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới

và trong nước, nhu cầu sử dụng lao động nhiều nên dẫn đến mật độ dân số tăng nhanh tại các thành phố lớn Do diện tích đất xây dựng ngày một khan hiếm, nhu cầu xây dựng các nhà cao tầng như trung tâm thương mại, nhà ở, văn phòng là xu thế và là mục tiêu của các nhà đầu tư bất động sản hiện nay Song song với sự phát triển của nhà cao tầng thì việc nghiên cứu, thiết kế tính toán nhà cao tầng đang được các đơn vị

tư vấn thiết kế đặc biệt quan tâm Mặc dù, hiện tượng co ngắn cột và độ vênh co ngắn gây ra nhiều tác hại đến công trình làm nứt vỡ các bộ phận không chịu lực như vách kính, vách bao che làm ảnh hưởng không nhỏ đến công năng sử dụng của công trình, mất mỹ quan kiến trúc và ảnh hưởng đến tâm lý của người sử dụng, nhiều đơn vị tư

vấn thiết kế chưa quan tâm đến hiện tượng này Vì thế, đề tài nghiên cứu “Hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tầng” là

rất cần thiết Hiện có nhiều phương pháp hạn chế ảnh hưởng co ngắn không điều được đua ra, nhưng phương pháp kết hợp tầng cứng và phân tích ứng xử công trình theo giai đoạn thi công có kể đến từ biến và co ngót là khá mới mẻ và góp phần làm phong phú nghiên cứu về ứng xử phi tuyến của công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tìm hiểu các nguyên nhân của hiện tượng co ngắn cột bê tông cốt thép trong thiết kế nhà cao tầng

- Nghiên cứu các phương pháp để hạn chế tác hại của hiện tượng co ngắn cột

- Mô phỏng và phân tích nội lực cho một nhà cao tầng theo giai đoạn thi công

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng co ngắn trong cột và vách bê tông cốt thép của nhà cao tầng

- Phạm vi nghiên cứu: Ảnh hưởng của hiện tượng co ngắn trong cột do các nguyên nhân biến dạng đàn hồi, từ biến và co ngót gây ra

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết tính toán các biến dạng đàn hồi, từ biến và co ngót trong cột và vách bê tông cốt thép

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để thực hiện mô hình hóa và phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công

5 Nội dung chương mục trình bày trong luận văn

Nội dung cơ bản các chương của đề tài như sau:

Phần mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 1 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG CO NGẮN CỘT ĐẾN

NỘI LỰC NHÀ CAO TẦNG

1.1 Khái niệm về nhà cao tầng

Theo định nghĩa của Ủy ban Quốc tế nhà cao tầng “Một công trình được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với nhà thông thường” thì được gọi là nhà cao tầng Do đó, trên thế giới tùy thuộc vào sự phát triển khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội và khả năng ứng dụng công nghệ của từng quốc gia mà có những quy định về nhà cao tầng khác nhau Cụ thể về quy định về nhà cao tầng của một số Quốc gia như sau:

Nhà ở 10

tầng

trở lên

10 tầng trở lên

10 tầng trở lên

>50m >24,3m 11

tầng

và chiều cao từ 31m

Cao 22m tính từ mặt nền

Công trình cao trên 40m

>28m

1.2 Lịch sử phát triển nhà cao tầng

Từ đầu thế kỉ XX, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật (như công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo máy ) đã đưa thế giới vào một cuộc chạy đua xây dựng các công trình chọc trời Do vậy, nhà cao tầng xuất hiện và trở thành biểu tượng cho sự phồn thịnh và phát triển mà điển hình là sự phát triển ở Mỹ:

Năm 1913 cao ốc Woolworth được xây dựng với số tầng 57 tầng (chiều cao 241m);

Năm 1930 cao ốc Chrysler trở thành công trình cao nhất với chiều cao 319m; tuy nhiên chỉ sau vài tháng đã bị đánh bại bởi công trình Emprire State Building với số tầng 102 tầng (chiều cao 381m) Kỷ lục này chỉ giữ được đến khi công trình World Trade Center ra đời với số tầng 110 tầng (Chiều cao 381m)

Ở Châu Á, xu hướng phát triển này cũng bắt đầu từ những năm 1970 mà điển hình là:

- Bank of China Tower - HongKong cao 269m (70 tầng);

- Jin Mao Tower ShangHai cao 421m (86 tầng);

- Petronas Tower Malaysia cao 450m (95 tầng)

1.2.1 Nhà cao tầng ở Hoa Kỳ

Trường phái nhà cao tầng Chicago: Là trường phái nhà cao tầng xuất hiện trước đặc điểm phát triển nhà cao tầng theo kiến trúc High-Tech Mang nặng về mặt kỹ thuật, có hình thức khối tương đối vuông vắn, cục mịch và không đa dạng cũng như tính nghệ thuật Kiểu nhà cao tầng phổ biến nhất tại thành phố Chicago nói riêng và toàn nước Mỹ nói chung là những tòa nhà chọc trời, được thiết kế theo hướng thiên về công năng và kết cấu hiện đại, mang tính công nghệ cao nhưng không mang tính phong phú và đa dạng về nghệ thuật kiến trúc nhà cao tầng Kể từ khi được giới thiệu

và sử dụng rộng rãi, kiến trúc này đã làm chuyển đổi các tòa nhà theo phong cách Châu Âu cổ điển sang trường phái thiết kế theo công nghệ phô diễn kết cấu

Hình 1.1 Một số hình ảnh nhà cao tầng ở Chicago

Là trường phái sau trường phái nhà cao tầng Chicago, có đặc điểm phong phú

và đa dạng về hình thức kiến trúc của tổ hợp Trường phái này có xử lý hình khối kiến trúc của tổ hợp một cách nghệ thuật Bao gồm: Tổ hợp mặt bằng; tổ hợp mặt đứng mà

hiệu quả là phần kết cấu của mặt đứng Trường phái này thể hiện bởi các kiểu nhà cao tầng phổ biến nhất tại thành phố New York từ kiểu truyền thống Châu Âu thấp tầng và các khối nhà theo phong cách cao tầng thô mộc Chicago sang những khu thương mại vươn thẳng đứng lên cao và có xử lý nghệ thuật ở phần mái Đến tháng 8/2008, New York có 5.538 tòa nhà cao tầng ( nhiều nhất ở hoa kỳ và đứng hạng nhì thế giới sau Hồng Kong) Hiện nay, thành phố có 50 ngôi nhà chọc trời xây dựng xong, cao trên 200m Bị bao quanh bởi mặt nước, mật độ dân số và giá trị bất động sản cao trong những khu thương mại khiến cho New York trở thành nơi tập trung nhiều nhất các tòa nhà, tòa tháp chung cư và văn phòng trên thế giới

New York có những tòa nhà cao tầng với kiến trúc nổi bật mang nhiều phong cách khác nhau Uoolworth Building tại 40 phố Wall (1913), là tòa nhà chọc trời mang kiến trúc Gothic phục hưng thời kỳ đầu Nghị quyết phân vùng năm 1916 bắt buộc các tòa nhà mới phải được xây theo kiểu hình chồng lên nhau (phần dưới có diện tích rộng hơn phần trên) và giới hạn các tháp bằng 1% nền đất bên dưới để cho có ánh nắng mặt trời chiếu xuống đường phố bên dưới Kiểu thiết kế art deco của tòa nhà Chrysler năm

1930 đỉnh thon nhỏ và hình chóp bằng thép đã phản ánh những yêu cầu bắt buộc đó Tòa nhà này được nhiều sử gia và kiến trúc sư xem như là tòa nhà đẹp nhất New York với cách trang trí rõ nét

Hình 1.2 Một số hình ảnh nhà cao tầng ở New York

1.2.2 Nhà cao tầng ở Châu Âu

Châu Âu đi sau Mỹ trong quá trình phát triển nhà cao tầng Từ những năm 1950 Frankfurt – Đức trở thành thành phố nhà cao tầng đầu tiên của Châu Âu Năm 1960 tháp Hennige trong khu phố Sachsenhausen là căn nhà Frankfurt đầu tiên vượt qua tháp tây của nhà thờ lớn Frankfurt về chiều cao (120m) Trong những năm 1970 các nhà cao tầng: Plaza Baro center; khách sạn Marriott; Ngân hàng hợp tác xã Đức Trong những năm 1990 Tháp hội chợ Messeturm đạt chiều cao 257m và đã là tòa nhà cao nhất Châu Âu

Hình 1.3 Một số hình ảnh nhà cao tầng ở Châu Âu 1.2.3 Nhà cao tầng ở Mỹ La tinh, Trung Đông và Châu Á

Từ cuối thập niên 1930, Nhà cao tầng cũng dần xuất hiện ở Nam Mỹ và ở Châu

Á như: Thượng Hải, Hồng Kông và Singapore trước sự khan hiếm về đất đai xây dựng cũng như tỷ lệ hoàn vốn và lợi nhuận trên diện tích sàn cao, nhà cao tầng trở thành một

xu hướng phát triển chung của loài người Mặt khác, nhà cao tầng cũng được xem như biểu tượng của sức mạnh kinh tế Kể từ cuối thập niên 1980, Hồng Kông và Trung Quốc đóng góp một số công trình nhà cao tầng nổi tiếng, bao gồm nhà băng Trung

Quốc và trung tâm tài chính quốc tế Trên thế giới bộ ba Chicago, Hồng Kông và New York được xem là ba ông lớn về nhà cao tầng trên thế giới

Trong số 10 tòa nhà cao nhất thế giới hiện nay, châu Á chiếm tới 8 và giữ ngôi

vị quán quân của châu Á vẫn là tháp Taipei 101 với chiều cao 509 m Hiện nay, châu

Á đua nhau xây nhà cao nhất thế giới

Bước vào thế kỷ 21, ngay cả những nước giàu có về dầu lửa ở Trung Đông cũng chưa thể so với các thành phố châu Á trong cuộc đua xây dựng các tòa nhà cao chọc trời Tuy nhiên, cuối năm 2008, Taipei đã phải nhường ngôi vị cao nhất thế giới cho tòa tháp Burj ở Dubai, Tiểu vương quốc Arập thống nhất Tháp Burj do hãng kiến trúc Mỹ thiết kế cao tới 800m với 160 tầng dùng làm khách sạn, siêu thị, văn phòng cho thuê và căn hộ sang trọng Taipei 101 cao nhất của châu Á cũng sẽ bị một tòa nhà khác ở châu Á hoàn thành vào năm 2010 hoặc 2011 vượt mặt Đó là tháp thiên niên kỷ

ở thành phố cảng Busan (Hàn Quốc) với chiều cao 560m

Ngày nay, thành phố nào may mắn mới giữ được kỷ lục trong hơn nửa thập kỷ Tháp đôi Petronas (Kuala lumpur) hoàn thành năm 1998 đã bị tháp Taipei 101 vượt qua năm 2004 Tuy nhiên, Tháp Taipei 101 chỉ giữ được kỷ lục trong 4 năm bởi tháp Burj (Dubai) đã hoàn thành đưa vào sử dụng

Hình 1.4 Chiều cao các tòa nhà nổi tiếng trên thế giới

Việc đua nhau xây các tòa nhà chọc trời còn chứng tỏ tiềm lực kinh tế của các quốc gia và vùng lãnh thổ Thành phố công nghiệp Thượng Hải (Trung Quốc) từ những năm 1990 đã được ví như Manhattan của châu Á với hàng loạt tòa nhà cao chót vót Nổi tiếng nhất ở Thượng Hải là tháp Jin Mao với 88 tầng, 421m là nhà cao nhất Trung Quốc Tuy nhiên, Thượng Hải đã có thêm một tòa nhà cao chọc trời nữa là trung tâm Tài chính thế giới với chiều cao 492m vào năm 2008

1.2.4 Nhà cao tầng ở Việt Nam

Trong khoảng hai mươi năm trở lại đây, đất nước ta đã xây dựng rất nhiều công trình nhà cao tầng Các công trình nhà cao tầng đã đem lại cho các đô thị Việt Nam một cảnh quan mới, một không gian kiến trúc hiện đại, tạo ra biểu tượng cho nền văn minh và tiến bộ xã hội Việt Nam trong những năm gần đây số lượng nhà có số tầng từ

20 trở lên tăng rất nhanh: SaiGon Plaza 33tầng, Hanoi Tower 25 tầng, Vietcombank Tower 68 tầng, Khách sạn Melia 22 tầng, khu đô thị Trung Hòa 34 tầng, chung cư Sông Đà ở km 10 Nguyễn Trãi 34 tầng; Keangnam Hanoi landmar Tower 35m(70 tầng), Tháp Dầu Khí Việt Nam 79 tầng( dự kiến xây dựng), Trung tâm tài chính Bitexco 262,5m(68 tầng), Ha noi city Complex 195m (65 tầng)

Sự phát triển của nhà cao tầng tạo điều kiện cho sự phát triển các hệ kết cấu chịu lực đặc biệt là các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang

Bảng 1.1 Một số công trình nhà cao tầng ở Việt Nam

1.3 Các hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

1.3.1 Đặc điểm chịu lực nhà cao tầng

Do số lượng tầng nhiều nên tải trọng bản thân và tải trọng sử dụng thường rất lớn, thường bố trí trên mặt bằng nhỏ, nên cấu tạo móng rất phức tạp Vì vậy, đa số công trình đều lựa chọn giải pháp móng sâu (móng cọc đóng, cọc khoan nhồi )

Sự phân bố độ cứng của công trình theo độ cao nhằm hạn chế chuyển vị ngang cũng như việc giảm khối lượng tham gia các thành phần dao động của công trình, có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của công trình;

Nhà cao tầng thường có điều kiện thi công phức tạp, quy trình thi công rất nghiêm ngặt và yêu cầu độ chính xác cao

Khả năng đảm bảo về thông gió, cấp thoát nước, phòng chống cháy, nổ, giao thông là rất phức tạp

Đối với những ngôi nhà có chiều cao từ 40m trở lên, kết cấu chịu lực phải được tính toán cả với thành phần động của tải trọng gió và kiểm tra theo tải trọng động đất

từ cấp 7 trở lên (theo thang MSK- 64 ) được xem là nhà cao tầng

Bảng 1.2 Chiều cao lớn nhất thích hợp cho nhà BTCT liền khối (m)

Ghi chú: Độ cao nhà được tính từ mặt đất ngoài nhà đến dìm mái công trình,

không kể độ cao của các bộ phận nhô lên thoả mái như bể nước, buồng thang máy

1.3.2 Đặc điểm sử dụng vật liệu

Nhà cao tầng yêu cầu khắt khe về vật liệu chịu lực và bao che Trong nhà cao tầng các cấu kiện đều chịu các tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang lớn Để đủ khả năng chịu lực đồng thời đảm bảo tiết diện có kết cấu thanh như cột, dầm, các kết cấu bản như sàn, tường có kích thước hợp lý, phù hợp với giải pháp kiến trúc mặt bằng và không gian sử dụng, vật liệu dùng trong kết cấu nhà cao tầng cần có cấp độ bền chịu kéo, nén, cắt cao Thường dùng bê tông B25 đến B60 (tương đương mác 300 đến 800)

và cốt thép có giới hạn chảy từ 300Mpa trở lên

Bê tông là vật liệu đàn- dẻo nên có khả năng phân phối lại nội lực trong các kết cấu, sử dụng rất hiệu quả khi chịu tải trọng lặp lại( động đất, gió bão) Bê tông có tính liền khối cao giúp cho các bộ phận kết cấu liên kết lại thành một hệ chịu lực theo các phương tác động của tải trọng Tuy vậy, bê tông có trọng lượng bản thân lớn nên thường được sử dụng có hiệu quả cho các ngôi nhà dưới 30 tầng Khi các nhà cao trên

30 tầng nhất thiết phải dùng bê tông có cấp cường độ cao, bê tông ứng lực trước hay

bê tông cốt cứng hoặc dùng kết cấu thép hoặc kết cấu thép- bê tông liên hợp

Trong nhà cao tầng thường sử dụng các lưới cột rộng từ 6x6 trở lên nhưng chiều cao tầng điển hình thường không lớn, nên giải pháp kết cấu sàn phải lựa chọn sao cho các dầm đỡ sàn có chiều cao tối thiểu Bởi vậy, bê tông ứng lực trước thường được sử dụng cho kết cấu sàn đổ toàn khối hay lắp ghép nhất là hệ sàn phẳng không dầm Ngoài kết cấu chịu lực, kết cấu bao che trong nhà cao tầng cũng chiếm tỉ lệ đáng

kể trong tổng khối lượng công trình Bởi vậy, cần sử dụng các vật liệu nhẹ, có khối

lượng riêng nhỏ, tạo điều kiện giảm đáng kể không những chỉ đối với tải trọng thẳng đứng mà còn cả đối với tải trọng ngang do lực quán tính gây ra

1.3.3 Các hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng

Trong nhà cao tầng, khi có sự hiện diện của các khung thì tùy theo cách làm việc của các cột trong khung mà hệ kết cấu chịu lực được phân thành các loại sơ đồ: sơ

đồ khung; sơ đồ giằng; và sơ đồ khung- giằng;

Trong nhà cao tầng, sàn các tầng, ngoài khả năng chịu uốn do tải trọng thẳng đứng, còn phải có độ cứng lớn để không bị biến dạng trong mặt phẳng khi truyền tải trọng ngang vào cột, vách, lõi nên còn gọi là những sàn cứng

Cấu kiện không gian là các vách nhiều cạnh hở hoặc khép kín, tạo thành các hộp bố trí bên trong nhà, được gọi là lõi cứng Ngoài lõi cứng bên trong, còn có các dãy cột bố trí theo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành một hệ khung biến dạng tường vây Tiết diện các cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng Khi là những cột rỗng hình hộp vuông hoặc hình tròn sẽ tao nên hệ kết cấu được gọi là ống trong ống Dạng kết cấu này thường sử dụng trong nhà có chiều cao lớn

Phụ thuộc vào các giải pháp kiến trúc, từ 3 thành phần kết cấu chính( cấu kiện dạng thanh, tấm, không gian) có thể liên kết tạo thành 2 nhóm kết cấu chịu lực:

Nhóm 1: gồm 1 cấu kiện chịu lực độc lập- khung, tường, vách, lõi hộp (ống);

Nhóm 2: Hệ chịu lực được tổ hợp từ 2 hoặc 3 cấu kiện cơ bản trở lên:

Hình 1.5 Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng

Sự phân chia trên chỉ là quy ước tương ứng với từng giả thiết và mô hình tính toán công trình cụ thể, phụ thuộc vào chiều cao (H), tỷ lệ giữa chiều rộng (B) và chiều dài (L) mặt bằng nhà Khi H tăng lên thì vai trò khung cột dầm giảm dần đối với tác động của tải trọng ngang Dầm, cột khung chủ yếu chịu các loại tải trọng thẳng đứng truyền từ sàn tầng vào Bởi vậy, trong thực tế ngay cả các hệ vách,lõi, ống vẫn luôn kết hợp với hệ thống khung cột được bố trí theo các ô lưới nhất định, phù hợp với giải pháp mặt bằng kiến trúc

1.3.3.1 Hệ khung chịu lực

Các khung ngang và khung dọc liên kết thành 1 khung phẳng hoặc khung không gian, tải lên khung bao gồm tải trong theo phương đứng và phương ngang Để đảm bảo độ cứng tổng thể cho công trình nút khung phải là nút cứng

Hình 1.6 Sơ đồ hệ khung chịu lực

Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo, nén Chuyển vị của khung gồm 2 thành phần chuyển vị ngang do uốn khung như chuyển vị ngang của thanh công xon thẳng đứng, tỷ lệ này khoảng 20% Chuyển vị ngang do biến dạng khoảng 65%; do cột biến dạng khoảng 15%)

Khung có độ cứng ngang bé khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng khoản 6-9 m chỉ nên áp dụng cho nhà dưới 30 tầng

Về tổng thể, biến dạng ngang của khung cứng thuộc loại biến dạng cắt

Khung thuần tí nên sử dụng cho nhà có chiều cao dưới 40 m Trong kiến trúc nhà cao tầng luôn có những bộ phận như hộp thang máy, thang bộ, tường ngăn hoặc bao che liên tục trên chiều cao nhà có thể sử dụng như lõi, vách cứng nên hệ kết cấu khung chịu lực thuần túy trên thực tế không tồn tại

Để tăng độ cứng ngang của khung có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một số nhịp trên suốt chiều cao của nó, phần kết cấu dạng dàn được tạo thành sẽ làm việc như một vách cứng thẳng đứng Nếu thiết kế thêm các dàn ngang (tầng cứng) ở tầng trên cùng hoặc ở 1 số tầng trung gian liên kết khung còn lại với dàn đứng thì hiệu quả tăng

độ cứng sẽ tăng lên và làm giảm thiểu chuyển vị ngang Dưới tác động của tải trọng

ngang, kết cấu dàn ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực dọc giữa các cột khung, cản trở chuyển vị xoay của cả hệ và giảm momen uốn ở dưới khung

Hệ kết cấu khung sử dụng hiệu quả cho công trình có không gian lớn, bố trí nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại công trình Tuy nhiên hệ khung có khả năng chịu cắt theo phương ngang kém Ngoài ra, hệ thống dầm thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến không gian sử dụng và làm tăng độ cao của công trình

Chiều cao nhà thích hợp cho kết cấu BTCT là không quá 30 tầng Nếu trong vùng có động đất từ cấp 8 trở lên thì chiều cao khung phải giảm xuống Chiều cao tối

đa của ngôi nhà còn phụ thuộc vào số bước cột, độ lớn các bước, tỉ lệ chiều cao và chiều rộng nhà

1.3.3.2 Hệ tường chịu lực

Là một hệ tấm tường phẳng vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng, vừa là hệ thống chịu tải trọng ngang và là tường ngăn giữa các phòng Căn cứ vào cách bố trí các tấm tường chịu tải trọng thẳng đứng chia làm 3 sơ đồ:

- Tường dọc chịu lực

- Tường ngang chịu lực

- Tường dọc và ngang cùng chịu lực

Hình 1.7 Sơ đồ hệ tường chịu lực

Trong các nhà mà tường chịu lực chỉ đặt theo một phương, sự ổn định của công trình theo phương vuông góc được đảm bảo nhờ các vách cứng Như vậy, vách cứng được hiểu theo nghĩa là các tấm tường thiết kế để chịu tải trọng ngang Trong thực tế, đối với nhà cao tầng, tải trọng ngang bao giời cũng chiếm ưu thế nên các tấm tường chịu lực được thiết kế để vừa chịu tải trọng ngang vừa chịu tải trọng đứng Các tấm tường được làm bằng BTCT có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt nên được gọi là vách cứng

Để đảm bảo độ cứng không gian cho công trình nên bố trí vách cứng theo cả hai phương dọc và ngang nhà Số lượng vách theo mỗi phương xác định theo khả năng chịu tải trọng theo phương đó Ngoài ra, vách cứng cũng nên bố trí sao cho công trình không bị xoắn khi chịu tải trọng ngang

Tải trọng ngang được truyền đến các tấm tường chịu tải thông qua hệ các bản sàn được xem là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng Do đó, các vách cứng làm

việc như những dầm công xon có chiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu tải của các vách cứng phụ thuộc nhiều vào hình dáng và kích thước tiết diện ngang của nó Các vách cứng thường bị giảm yếu do có các lỗ cửa, số lượng, vị trí, kích thước lỗ cửa ảnh hưởng quyết định đến khả năng làm việc của chúng

Hình 1.8 Hình dạng các vách cứng

Các đặc điểm cơ bản của hệ tường chịu lực:

Các vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phương ngang lớn Khả năng chịu động đất tốt: Kết quả nghiên cứu thiệt hại do các trận động đất lớn gây ra, cho thấy rằng: các công trình có vách cứng bị hư hỏng tương đối nhẹ, trong khi các công trình có kết cấu khung bị hư hỏng nặng hoặc sụp đổ

Hệ vách cứng có trọng lượng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất tác động lên công trình có giá trị lớn Đây là đặc điểm bất lợi cho công trình thiết kế chịu động đất

Hệ kết cấu này thích hợp cho các công trình mà có không gian bị ngăn chia bên trong như nhà ở, khách sạn, bệnh viện và cho các công trình chiều cao dưới 40 tầng

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

1.3.3.3 Hệ lõi chịu lực

Lõi có dạng vỏ hộp rỗng tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tác dụng lên công trình và truyền xuống đất nền Lõi có thể xem là sự kết hợp của nhiều tấm tường theo các phương khác nhau Trong lõi có thể bố trí hệ thống kỹ thuật, thang

bộ, thang máy sau đây là một số cách bố trí thông dụng:

- Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác ( kín hoặc hở)

- Nhà có một lõi hoặc hai lõi

- Lõi nằm trong nhà hoặc theo chu vi nhà hoặc có một phần nằm ngoài

Hình 1.9 Các hệ lõi chịu lực

Trường hợp nhà có nhiều lõi cứng thì chúng được đặt xa nhau và các sàn được tựa lên hệ thống dầm lớn liên kết với các lõi Các lõi cứng được bố trí trên mặt bằng nhà sao cho tâm cứng của công trình trùng với trọng tâm của nó để tránh bị xoắn khi dao động

Lõi cứng làm việc như một consol lớn ngàm vào mặt móng công trình, lõi có tiết diện kín, hở hoàn toàn hoặc nửa hở, tuy nhiên thực tế lõi cứng thường có tiết diện

Hình 1.10 Các hệ hộp chịu lực

Xuất phát từ sự phát triển của vật liệu bê tông cốt thép, nhiều công trình có chiều cao lớn đã được xây dựng Sau một thời gian thực tế đã chứng minh rằng với những công trình quá cao (trên 30 tầng) thì việc sử dụng hệ kết cấu khung là không kinh tế do kích thước của dầm và cột quá lớn ảnh hưởng nhiều đến không gian sử dụng kết cấu móng Nếu sử dụng các hệ vách, lõi ở bên trong công trình thì thường công trình không đủ độ cứng, độ ổn định tổng thể cần thiết Từ đó, hệ kết cấu hộp xuất hiện nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra cho công trình siêu cao tầng

Hệ kết cấu gồm các cột đặt dày đặc trên toàn bộ chu vi công trình được liên kết với nhau nhờ hệ thống dầm ngang gọi là kết cấu hộp (còn gọi là kết cấu ống)

Hệ hộp chịu tất cả tải trọng đứng và tải trọng ngang Các bản sàn được gối lên các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các kết cấu trung gian khác bên trong Khi các cột đặt thưa nhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ khung, khi các cột đặt kề nhau và hệ dầm có độ cứng lớn thì dưới tác dụng của tải trọng ngang kết cấu làm việc như một consol Trong thực tế, khoảng cách giữa các cột biên đặt

theo một mức độ cho phép cho nên kết cấu ống, thực chất nằm trung gian giữa sơ đồ biến dạng consol và sơ đồ khung

Các giải pháp kết cấu cho vỏ hộp:

Dùng các lưới ô vuông tạo thành từ các cột đặt cách nhau ở khoảng cách bé với các dầm ngang có chiều cao lớn Hệ kết cấu này rất phù hợp với bản chất toàn khối của kết cấu bê tông cốt thép Tuỳ thuộc vào chiều cao và kích thước mặt bằng công trình mà khoảng cách giữa các cột có thể từ 1,5m đến 4,5m, chiều cao của dầm từ 0,6

đến 1,2m dùng cho nhà cao từ 40-60 tầng

Dùng lưới không gian với các thanh chéo: tạo thành lưới ô vuông từ cột và dầm, tạo thành ô lưới quả tràm có hoặc không có thanh ngang Dùng cho nhà có chiều cao cực lớn trên 80 tầng Tác dụng của thanh chéo: làm tăng độ cứng ngang và chống xoắn của công trình, khắc phục tính biến dạng của dầm ngang Các thanh chéo không chỉ tạo ra một hệ giàn phẳng mà còn hoạt động tương hỗ với các giàn trong mặt phẳng vuông góc tạo thành hình chữ X giữa các cột góc trên mặt đứng

Nhìn chung hệ hộp là hệ kết cấu được sử dụng chính với những công trình cao chọc trời dạng tháp (Tower)

Hình dưới mô tả công trình “JinMao Tower” ở Thượng Hải cao 421m (87 tầng)

sử dụng hệ kết cấu hộp giàn không gian, trong đó giữa nhà bố trí một lõi bê tông cốt thép bề dày giảm dần từ 0,84m đến 0,46m, và một hệ giàn thép bao bên ngoài công trình liên kết các hệ cột ở biên

Hình 1.11 Công trình “JinMao Tower” ở Thượng Hải

1.3.3.5 Hệ hỗn hợp: khung – tường (Vách) chịu lực

Về mặt cấu tạo, kết cấu hệ hỗ hợp được cấu tạo từ sự kết hợp giữa 2 hay nhiều

hệ kể trên: Khung - vách; Khung - lõi; khung – hộp; khung – vách - lõi

Ở hệ khung-vách có 2 sơ đồ sau: Sơ đồ giằng và sơ đồ khung – giằng

Sơ đồ giằng: Các liên kết cột-dầm là khớp Ở sơ đồ này, khung chỉ chịu 1 phần

tải trọng thẳng đứng tương ứng với diện tích truyền tải đến nó còn toàn bộ tải trọng ngang do hệ tường chịu lực chịu Sự làm việc tương tự như hệ tường chịu lực chịu tải trọng ngang

Sơ đồ khung-giằng: Khi các cột liên kết cứng với dầm Ở sơ đồ này, khung

cùng tham gia chịu tải trọng (đứng và ngang) với tường Tính chất làm việc của sơ đồ này tương tự như hệ khung cứng có các giằng đứng

Hình 1.12 Hệ hỗn hợp Khung – Tường (Vách) chịu lực

Hình 1.13 Sơ đồ giằng

Hình 1.14 Sơ đồ khung – giằng

1.3.3.6 Hệ khung – lõi chịu lực

Phụ thuộc vào liên kết cột-dầm hệ này cũng được chia thành 2 sơ đồ Trong hệ kết hợp này, tải trọng ngang hầu như chỉ truyền vào hệ lõi cứng còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó Do vậy, khi bố trí hệ kết cấu cần chú ý:

Bố trí tâm cứng của hệ lõi càng gần với tâm đặt tải trọng càng tốt để hạn chế gây mômen xoắn;

Bố trí chu vi của hệ lõi càng lớn càng tốt để tăng khả năng ổn định tổng thể; Đưa các hệ khung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của khung và hình thành nên hệ khối không gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu xoắn của công trình

Hình 1.15 Hệ khung – lõi chịu lực

Hình 1.16 Nhà có vách cứng dạng dàn

1.3.3.7 Hệ khung – hộp chịu lực

Hệ này có thể được thiết kế theo 2 sơ đồ như các hệ hỗn hợp trên Ở sơ đồ giằng với khung khớp, tải trọng ngang sẽ gây ra các chuyển vị dọc khác nhau giữa các cột bên trong và thành hộp bên ngoài Độ chênh lệch chuyển vị dọc sẽ làm cho các vách ngăn bị nứt và gây rối loạn các liên kết Để tránh hiện tượng này, cần thiết kế thêm các dàn ngang ở 1 số cao trình nhà Các dàn cứng ngang này cũng làm tăng hiệu quả của hệ hỗn hợp trong sơ đồ khung giằng khi khung cứng cùng tham gia chịu tải trọng ngang cùng với vỏ hộp

1.3.3.8 Hệ hộp – tường chịu lực

Ở hệ này các tấm tường chịu tải được bố trí bên trong hộp và cũng tham gia chịu tải (đứng và ngang) cùng với vỏ hộp Hệ có các sơ đồ sau:

Hộp-tường ngang chịu tải;

Hộp-tường dọc chịu tải;

Hộp-tường dọc và tường ngang chịu tải (hệ hộp nhiều ngăn)

1.3.3.9 Hệ hộp - lõi chịu lực (ống trong ống)

Hộp là những lõi có kích thước lớn thường được bố trí cả bên trong và gần biên ngôi nhà Khác với hệ khung-lõi, hệ hộp chịu lực toàn bộ tải trọng đứng và ngang do sàn truyền vào, không có hoặc rất ít cột trung gian đỡ sàn

Hình 1.17 Các giải pháp lõi - ống, ống trong ống

Hộp trong nhà cũng giống như lõi được hợp thành từ các tường đặc hoặc có lỗ; Hộp ngoài biên có diện tích mặt phẳng lớn được tạo thành từ các cột có khoảng cách nhỏ liên kết với nhau, bởi các thanh ngang có chiều cao lớn theo hai phương ngang hoặc chéo tạo nên những mặt nhà dạng khung – lưới, có hình dáng phù hợp với các giải pháp kiến trúc mặt đứng Tiết diện cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng tạo nên những dãy ống nhỏ nên còn gọi là kết cấu hộp trong hộp hay ống trong ống, thường được sử dụng trong các ngôi nhà rất cao

Ở hệ hỗn hợp này cả hộp và lõi đều tham gia chịu tải trọng đứng và ngang Các bản sàn liên kết 2 bộ phận chịu lực này lại và chúng sẽ làm việc như 1 hệ duy nhất khi tải trọng ngang xuất hiện

Phần hộp ngoài chịu phần lớn tải trọng ngang ở phía trên, trong khi đó phần lõi cứng lại chịu phần lớn tải trọng ngang ở phía dưới nhà

1.3.3.10 Hệ tường - lõi chịu lực

Ở hệ này phần lõi chịu lực được bố trí ở bên trong nhà còn các tấm tường được bố trí phía ngoài, vừa làm nhiệm vụ phân chia không gian, vừa làm nhiệm vụ chịu tải

Các dầm cứng nằm ngang do có độ cứng rất lớn (thường có chiều cao khoảng

12 tầng nhà) nên có khả năng đảm bảo cho cột và lõi làm việc đồng thời Lúc này hệ kết cấu làm việc như dầm công xôn tổ hợp khi chịu lực ngang, các cột phía đón gió chịu kéo và các cột phía khuất gió chịu nén cho nên hệ cứng hơn nhiều so với kết cấu lõi Kiểu nhà này có thể đạt đến 70 tầng hoặc cao hơn

Hình 1.19 Sự làm việc của hệ kết cấu nhà cao tầng dạng tầng cứng [13]

Lõi/khung giằng

Dầm cứng/giàn

Cột chịu nén

1.4 Tải trọng tác động trong nhà cao tầng

1.4.1 Tải trọng thẳng đứng

- Tĩnh tải: Là tải trọng tác động thường xuyên, có vị trí, phương, chiều và giá trị không đổi trong quá trình sử dụng Đó là trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực, các kết cấu bao che, các lớp cách âm, cách nhiệt…

- Hoạt tải: Là tải trọng tác động không thường xuyên như người và vật dụng trong nhà, có phương chiều, điểm đặt và giá trị có thể thay đổi

1.4.3 Các loại tải trọng khác

- Tác động do co ngót, từ biến của bêtông

- Tác động do ảnh hưởng của sự lún không đều

- Tác động do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm môi trường

- Tác động do các sai lệch khi thi công, do thi công các công trình lân cận

- Tác động do khai thác khoáng sản, nước ngầm dưới nhà,

Ngoài ra còn các tải trọng đặc biệt khác phát sinh do hoạt động của con người như hoả hoạn, cháy nổ, máy móc, xe cộ, thiết bị va đập vào công trình

1.5 Một số vấn đề trong thiết kế nhà cao tầng

Khi thiết kế nhà cao tầng cần đảm bảo các vấn đề sau:

1.5.1 Thỏa mãn yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng

- Không gian lớn ở các tầng dưới: kích thước cấu kiện nhà cao tầng thường lớn ảnh hưởng đến chiều cao thông thủy

- Bố trí kết cấu không tốt: ảnh hưởng mặt đứng

- Kết cấu phải thỏa mãn kiến trúc đề ra: đối với nhà cao tầng, đôi khi kết cấu lại quyết định phương án kiến trúc.…

chú ý tới những cấu kiện quan trọng mà sự phá hủy nó có thể gây phá hủy toàn bộ công trình

Ngoài ra, chúng ta cũng đảm bảo độ ổn định tổng thể của tòa nhà trước tác động của tải trọng Đặt biệt, là ảnh hưởng của tải trọng ngang

Đảm bảo độ cứng, chuyển vị ngang (drift limitation)

Hệ kết cấu tòa nhà phải đảm bảo độ cứng và chủ yếu là độ cứng ngang để đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang của tòa nhà Chuyển vị ngang của tòa nhà phải hạn chế

để giảm hiệu ứng P-delta Ngoài ra, phải hạn chế chuyển vị ngang để đảm bảo sự làm việc bình thường của các thiết bị trong tòa nhà

Kiểm soát tỉ lệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất so với chiều cao tầng đảm bảo độ cứng ngang của hệ kết cấu Trong khi xác định độ võng, ngoài việc xác định độ võng tĩnh còn phải xác định ứng xử của tòa nhà khi dao động để đảm bảo sự làm việc bình thường của hệ kết cấu

Với những tòa nhà cao tầng, để đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang có thể tăng cường độ cứng ngang của tòa nhà bằng các hệ kết cấu có độ cứng ngang lớn Ngoài ra, trong những trường hợp chuyển vị ngang do dao động lớn có thể là dùng thêm bộ giảm chấn để hạn chế chuyển vị ngang Chùng ứng suất, co ngót hay giãn nở vật liệu do nhiệt độ

Trong các tòa nhà cao tầng bằng bê tông, các biến dạng theo tích lũy thẳng đứng do chùng ứng suất và co ngót có thể đủ lớn để gây ra tác động trong hệ kết cấu

Do đó, trong quá trình thiết kế phải cố gắng đảm bảo sự đồng nhất ứng suất trong các cấu kiện thẳng đứng Nó có thể làm giảm càng nhiều càng tốt bất kỳ chuyển động thẳng đứng tương đối chùng ứng suất

Trong các tòa nhà với các cột bên ngoài tiếp xúc với nhiệt độ môi trường, sự khác biệt nhiệt độ đáng kể có thể xảy ra giữa các cột bên ngoài và bên trong làm cho biến dạng tương đối giữa các cấu kiện sẽ gây ra ứng suất trong các cấu kiện liên quan

1.5.3 Chống cháy

Trong thiết kế nhà cao tầng cần đảm bảo thiết kế về phòng cháy và chữa cháy, đảm bảo biện pháp thoát người Tuy nhiên, nhiệt độ cháy cũng ảnh hưởng đến kết cấu chịu lực Do đó, cháy phải là một yếu tố chính cần xem xét trong quá trình thiết kế

1.6 Hiện tƣợng co ngắn cột bê tông cốt thép

Co ngắn cột là hiện tượng bê tông cốt thép chịu lực theo phương thẳng đứng (cột, lõi, vách) bị biến dạng co ngắn dưới tác dụng của tải trọng, co ngót và từ biến của

bê tông Ở đây sử dụng thuật ngữ “co ngắn cột” đồng nhất với thuật ngữ quốc tế

“column shortening” với ý nghĩa bao hàm tất cả các cấu kiện chịu lực theo phương thẳng đứng Giá trị co ngắn cột phụ thuộc vào tải trọng và thời gian chất tải

Biến dạng co ngắn không đồng đều giữa các cấu kiện cột, lõi, vách BTCT trong kết cấu nhà nhiều tầng do tác dụng của tải trọng, từ biến và co ngót của bê tông sẽ tạo

ra sự phân bố lại nội lực giữa cột, vách, dầm và gây ra nứt vỡ cho các cấu kiện không chịu lực (vách ngăn, tường kính …) Do vậy, hiện tượng co ngắn cột cần được xem xét trong quá trình thiết kế, thi công của các công trình nhà cao tầng và siêu cao tầng Các cấu kiện thẳng đứng như cột và vách bê tông cốt thép, từ khi bắt đầu thi công đến khi sử dụng sẽ có các biến dạng dọc trục gồm:

co ngắn ít Tương tự, những vấn đề sẽ nảy sinh ra nếu cột lớn có vị trí gần tường chống cắt

Ảnh hưởng của co ngắn không đều thường xảy ra lớn nhất đối với cột đặt cạnh vách Cột với biến dạng cao hơn do nhận tải đứng nhiều, tỷ số khối lượng trên diện tích bề mặt nhỏ hơn Sự chuyển vị khác nhau được cộng dồn trên chiều cao của khối nhà, bắt đầu mặt đất đến giá trị cao nhất tại cos mái Do đó, sự ảnh hưởng tăng khi chiều cao nhà tăng lên và tích lũy sự vặn có thể gây ra hư hại những kết cấu không chịu lực như tường ngăn và vách kính, làm chúng bị kéo căng quá mức trên những cốt cao hơn

Ảnh hưởng của giai đoạn thi công và thời gian xây dựng công trình đến co ngắn cột là rất quan trọng Nếu dầm kết nối vào lõi chịu cắt đến các cột biên, khi có chuyển

vị thẳng đứng giữa lõi và cột sẽ bị ngàm bởi sự truyền của dầm và đặc trưng của ứng suất đã bao gồm trong đó

Hình 1.20 Độ vênh co ngắn ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của dầm sàn và gây

nứt vỡ tường kính, vách ngăn, nứt dầm, sàn

1.7 Các nhân tố ảnh hưởng của co ngắn cột

Những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng co ngắn cột bao gồm:

1.7.1 Biến dạng đàn hồi do cột và vách chịu tải trọng nén, phụ thuộc vào

- Mô đun đàn hồi của bê tông

- Thời gian chất tải (do mô đun đàn hồi biến đổi theo thời gian)

- Độ lớn của tải trọng

1.7.2 Co ngót bê tông, phụ thuộc vào

- Độ ẩm môi trường xung quanh

- Kích thước cấu kiện

- Thành phần bê tông và % cốt thép

- Biến dạng do bê tông co ngót không phụ thuộc vào tải trọng

1.7.3 Từ biến, phụ thuộc vào

- Độ ẩm môi trường xung quanh

- Kích thước cấu kiện

- Thành phần bê tông và % cốt thép

- Mô đun đàn hồi bê tông

- Độ lớn của tải trọng

- Thời gian chất tải

Hình 1.21 Biến dạng của bê tông theo thời gian do từ biến, co ngót

Nứt Vách ngăn Kính

Nứt

Hình 1.22 Hàm số co ngót theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn ACI

Hình 1.23 Hàm số cường độ nén theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn ACI

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG CỦA CỘT VÀ VÁCH BÊ

TÔNG CỐT THÉP TRONG NHÀ CAO TẦNG

2.1 Một số mô hình tính toán biến dạng trong cột bê tông cốt thép

+ γc : trọng lượng riêng của bê tông (kg/m3)

+ fcmt0: cường độ nén trung bình của bê tông tại thời điểm đặt tải (MPa)

- Cường độ nén trung bình tại thời điểm t:

Hình 2.1 Hàm số từ biến theo thời gian dựa trên tiêu chuẩn ACI

 V/S: thể tích cấu kiện bê tông/ diện tích bề mặt cấu kiện

Luận văn này sẽ sử dụng mô hình ACI 209R-92 để tính toán co ngắn của cột và vách

 

Hàm số từ biến J(t, t0) được biểu diễn:

 q1 : biểu diễn biến dạng đàn hồi tức thời

 C0(t, t0): biểu diễn từ biến cơ bản ( từ biến gốc)

 Cd(t, t0, tc): biểu diễn từ biến phụ thuộc vào sự mất nước của bê tông

 t, t0, tc: là tuổi của bê tông, tuổi bê tông bắt đầu khô hoặc cuối của xử lý

ẩm, và tuổi của bê tông tác dụng tải trong ngày

Trong đó: q1 = 1/E0

E0 là tiệm cận mô đun đàn hồi Dùng E0 thay vì dùng mô đun đàn hồi tĩnh quy ước Ecm được thuận lợi bởi vì bê tông biểu diễn từ biến rõ rệt, chỉ cho tải trọng trong thời gian ngắn

 Ø0: giá trị danh nghĩa của hệ số từ biến

 βc(t - t0): hệ số mô tả sự phát triển của từ biến với thời gian sau khi đặt tải trọng

 t: tuổi của bê tông (ngày) tại thời điểm xem xét

 t0: tuổi của bê tông tại thời gian tác dụng tải (ngày)

Ta có: Ø0= ØRH(h).β(fcm28).β(t0) (2.2)

3,5. cm

cm

f f

0,2 0 2

28

3, 5. cm

cm

f f

Biến dạng bao gồm đàn hồi và biến dạng từ biến

Biến dạng đàn hồi là nghịch đảo của mô đun đàn hồi tại thời gian đặt tải Ecmt0, biến dạng từ biến tại ngày thứ 28 có hệ số Ø28(t, t0)

Hệ số từ biến Ø28(t, t0) là tỷ số của biến dạng từ biến và biến dạng đàn hồi do tải trọng tác dụng vào tuổi 28 ngày