Nghiên cứu xây dựng quy trình thi công sàn chuyển ứng suất trước căng sau trong nhà cao tầng theo tiến độ thi công

Tổng kết kinh nghiệm thiết kế, giám sát thi công của bản thân tác giả; Trao đổi, học hỏi trực tiếp các chuyên gia, kỹ sư đầu ngành có kinh nghiệm thiết kế, thi công sàn chuyển bê tông ứn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được

thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Nguyễn Tiến Chương

Các số liệu được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng công bố dưới bất cứ hình thức nào

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Mai Sỹ Sơn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo chấm phản biện, các thầy trong hội đồng bảo

vệ và các đồng nghiệp đã cho những nhận xét quý báu để luận văn có thể phát triển trong tương lai

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Học viên

Mai Sỹ Sơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Lịch sử phát triển của kết cấu bê tông ứng suất trước 4

1.2 Nghiên cứu ứng dụng kết cấu BTƯST ở Việt Nam 6

1.3 Một số khái niệm về kết cấu BTƯST 8

1.3.1 Kết cấu BTƯST căng trước và kết cấu BTƯST căng sau 8

1.3.2 Kết cấu BTƯST căng trong tiết diện và căng ngoài tiết diện 9

1.3.3 Kết cấu BTƯST toàn phần và kết cấu BTƯST không toàn phần 9

1.3.4 Kết cấu BTƯST có bám dính và không bám dính 9

1.3.5 Kết cấu BTƯST và kết cấu tổ hợp 10

1.4 Sơ lược về kết cấu nhà cao tầng 10

1.4.1 Mở đầu 10

1.4.2 Phân loại kết cấu nhà cao tầng 13

1.5 Kết luận chương và nhiệm vụ luận văn 29

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THI CÔNG CÁP DỰ ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG SAU CHO KẾT CẤU SÀN CHUYỂN TRONG NHÀ CAO TẦNG THEO TIẾN ĐỘ THI CÔNG 31

2.1 Tính toán thiết kế sàn chuyển BTƯST 31

2.2 Nghiên cứu quy trình thi công cáp trong sàn chuyển BTƯST căng sau trong nhà cao tầng theo tiêu chuẩn ACI 318M - 2011 33

2.2.1 Các giả thiết tính toán 33

2.2.2 Vật liệu 34

2.2.4 Ứng suất trước hiệu quả và tổn hao ứng suất 37

2.2.5 Quy trình thiết kế sàn chuyển BTƯST căng sau 41

2.2.6 Cấu tạo kết cấu bê tông ứng suất trước 47

2.2.7 Các bước thiết kế sàn chuyển BTƯST 51

2.3 Kết luận 63

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ESTELLA HEIGHTS 64

3.1 Giới thiệu công trình 64

3.2 Xác định tải trọng 65

3.2.1 Tĩnh tải 65

3.2.2 Hoạt tải 66

3.3 Thiết kế sàn chuyển 66

3.3.1 Sơ đồ kết cấu 66

3.3.2 Thiết kế sàn chuyển ứng suất trước theo lý thuyết sàn nhiều nhịp: 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO: 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình 14

Hình 1.2 Một số mặt bằng kết cấu tường chịu lực nhà cao tầng điển hình 16

Hình 1.3 Công trình “The Miglin-Beiler Tower” ở Chicago (Hoa Kỳ) sử dụng hệ lõi chịu lực 18

Hình 1.4 Sơ đồ kết cấu ống trong nhà cao tầng 19

Hình 1.5 Phân bố ứng suất trong các cột của hệ kết cấu ống dưới tác dụng tải ngang 19 Hình 1.6 Sơ đồ kết cấu khung giằng 21

Hình 1.7 Sơ đồ kết cấu khung giằng 21

Hình 1.8 Sơ đồ kết cấu khung - giằng 22

Hình 1.9 Sơ đồ kết cấu ống - lõi 23

Hình 1.10 Sơ đồ kết cấu ống tổ hợp 24

Hình 1.11 Sơ đồ phân bố ứng suất trong cột của kết cấu ống tổ hợp chịu tải trọng ngang 24

Hình 1.12 Sơ đồ kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng 26

Hình 1.13 Biểu đồ mô men trong tầng cứng khi có và không có tầng cứng 26

Hình 1.14 Sơ đồ kết cấu sàn chuyển trong nhà cao tầng 29

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa sàn chuyển 31

Hình 2.2 Quan hệ thời gian - chất tải trên sàn chuyển 32

Hình 2.3 Hình ảnh đầu neo cáp 35

Hình 2.4 Kích căng kéo cáp 35

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán mômen uốn giới hạn của kết cấu BTƯST 43

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán vùng neo 46

Hình 2.7 Miền ứng suất trước tại từng thời điểm 61

Hình 3.1 Công trình Estella Heights cao 34 tầng 64

Hình 3.2 Mô phỏng đường truyền tải trong sàn 2 phương 67

Hình 3.3 Mặt bằng kết cấu sàn chuyển 67

Hình 3.4 Sơ đồ kết cấu và các loại tải trọng tác dụng lên sàn chuyển 68

Hình 3.5 Sơ đồ kết cấu và biểu đồ mô men do tải trọng bản thân gây ra 69

Hình 3.6 Sơ đồ kết cấu và biểu đồ mô men do tải trọng bản thân và tĩnh tải gây ra 69

Hình 3.7 Sơ đồ kết cấu và biểu đồ mô men do tải trọng bản thân, tĩnh tải và hoạt tải

gây ra 70

Hình 3.8 Sơ đồ kết cấu và biểu đồ mô men do 1,2 x (tải trọng bản thân, tĩnh tải) và 1,6 x hoạt tải gây ra 70

Hình 3.9 Miền bố trí cáp ứng suất trước 72

Hình 3.10 Sơ đồ bố trí cáp theo phương dọc sàn 72

Hình 3.11 Mặt cắt ngang dải sàn theo phương bố trí trải đều cáp 73

Hình 3.12 Biều đồ momen thứ cấp do tải trọng ƯST P=1 gây ra 74

Hình 3.13 Biểu đồ xác định lực kéo căng, thời điểm kéo căng theo miền ứng suất trước theo quá trình thi công 79

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hệ số tổ hợp tải trọng (theo Code 9.2 tiêu chuẩn ACI -318M-11) 36

Bảng 2.2 Giá trị các hệ số ma sát 38

Bảng 2.3 Giá trị Ksh cho kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau 39

Bảng 2.4 Các giá trị Kre và J 40

Bảng 2.5 Các giá trị C 40

Bảng 2.6 hệ số an toàn ø 42

Bảng 2.7 Ứng suất cho phép [f] 45

Bảng 2.8 Độ dày lớp bêtông bảo vệ cốt thép theo yêu cầu của chịu lực (Tiêu chuẩn ACI-318M-11) 50

Bảng 2.9 Trình tự thiết kế sàn chuyển 1 nhịp 51

Bảng 2.10 Trình tự thiết kế sàn chuyển nhiều nhịp 53

Bảng 2.11 Bảng nội lực - ƯST theo quá trình thi công 60

Bảng 2.12 Thời điểm căng cáp, số bó cáp kéo căng và ƯST tương ứng theo quá trình thi công 62

Bảng 3.1 Tĩnh tải trên sàn mái 65

Bảng 3.2 Hoạt tải sử dụng các loại sàn 66

Bảng 3.3 Kết quả kiểm tra ứng suất 74

Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra cường độ trên tiết diện ngang 75

Bảng 3.5 Bảng nội lực - ứng suất trước theo quá trình thi công 76

Bảng 3.6 Thời điểm căng cáp, số bó cáp kéo căng và ứng suất trước tương ứng theo quá trình thi công sàn chuyển 78

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Căng trước là công nghệ kéo căng tạo ứng suất trước được thực hiện trước khi đổ bêtông phần kết cấu được tạo ứng suất trước

Cốt thép căng là cốt thép cường độ cao đã được kéo căng tạo ứng suất trước

Cốt thép kéo căng là cốt thép cường độ cao dùng để kéo căng tạo ứng suất trước Cốt thép thường là cốt thép không được kéo căng

Kết cấu bêtông ứng suất trước là kết cấu bêtông mà trong đó trước khi đưa vào sử dụng người ta tạo ra các ứng suất nén cho bêtông nhằm mục đích triệt tiêu toàn bộ hoặc một phần ứng suất kéo do tải trọng và tác động sau này gây ra

Nội lực tính toán là tổ hợp bất lợi có thể xảy ra của các nội lực tác động lên kết cấu được xác định theo chỉ dẫn của ACI

Nội lực giới hạn là khả năng chịu lực của tiết diện đang xem xét khi sự làm việc của tiết diện đạt đến trạng thái giới hạn

Neo là thiết bị dùng để neo giữ cốt thép kéo căng sau khi tạo ứng suất trước trong kết cấu bêtông tạo ứng suất trước

Sợi thép là cốt thép có đường kính < 6mm

Thanh thép là cốt thép có đường kính ≥ 6mm

Thép xoắn là cốt thép dạng xoắn được tạo nên bởi một số sợi thép

Vùng neo là phần kết cấu được bố trí các neo hoặc bộ nối

b Kí hiệu:

A Diện tích tiết diện, m2

Ap Diện tích tiết diện cốt thép căng trong vùng kéo của tiết diện kết cấu, m2

As Diện tích tiết diện cốt thép thường trong vùng kéo của tiết diện kết cấu,

b Bề rộng phần chịu nén của kết cấu, m

bw Bề rộng phần chịu cắt của kết cấu, m

c1 Khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến mép trên, m

c2 Khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến mép dưới, m

d Khoảng cách từ mép chịu nén đến trọng tâm của cốt thép thường trong

e Cơ số Log tự nhiên

Ec Môđun đàn hồi của bêtông, MPa

Ep Môđun đàn hồi của thép kéo căng, MPa

Eci Môđun đàn hồi của bêtông khi bắt đầu truyền ứng suất trước, MPa

f’c Cường độ nén tiêu chuẩn của bêtông, Mpa

f’ci Cường độ nén của bêtông tại thời điểm ứng lực ban đầu, Mpa

fpc Ứng suất trung bình trong bê tông do ứng suất trước hiệu quả gây ra (sau

khi kể đến tổn hao ứng suất), Mpa

fps Ứng suất trong cốt thép căng tại vùng chịu kéo dùng để tính toán khả

năng chịu lực của kết cấu, Mpa

fpu Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép căng, Mpa

fpy Giới hạn chảy của cốt thép kéo căng, Mpa

fr Môđun phá hoại kết cấu, Mpa

fse Ứng suất trước hiệu quả trong cốt thép căng, Mpa

fy Giới hạn chảy của Giới hạn chảy của cốt thép thường, Mpa

f1 Ứng suất trong bêtông tại mép trên tiết diện, Mpa

f2 Ứng suất trong bêtông tại mép dưới tiết diện, Mpa

ft Cường độ kéo tiêu chuẩn của bêtông, Mpa

fti Cường độ kéo của bêtông tại thời điểm xem xét, Mpa

h Chiều cao của tiết diện kết cấu, m

I Mômen quán tính của tiết diện kết cấu, m4

k Hệ số ma sát theo chiều dài cốt thép căng

1x Chiều dài của cốt thép kéo căng tính từ ngay sau thiết bị kéo căng đến vị

trí x, m

1 Nhịp tính toán của các loại kết cấu nằm ngang như bản sàn, dầm, m

L Hoạt tải

M Mômen nội lực tính toán tại tiết diện xem xét, T.m

Mu Khả năng chịu uốn của kết cấu tại tiết diện xem xét, T.m

Mcr Mô men nứt của tiết diện kết cấu, N.mm

Pe Ứng suất trước hiệu dụng (đã trừ các tổn hao ứng suất), T

Pi Ứng suất trước ban đầu, T

S Nội lực tính toán

Ru Khả năng chịu lực (nội lực giới hạn) của tiết diện

So Diện tích bề mặt của kết cấu, mm2

V Lực cắt tính toán tại tiết diện xem xét, T

Vc Thành phần lực cắt do bêtông chịu trong tính toán kết cấu bêtông ứng

suất trước theo tiết diện nghiêng, T

Vci Thành phần lực cắt do bêtông chịu trong tính toán kết cấu bêtông ứng

suất trước theo tiết diện nghiêng tại vị trí vết nứt do mômen và lực cắt, T

Vi Thành phần lực cắt tại tiết diện có Mmax do tải trọng ngoài gây ra, T

Vcm Thành phần lực cắt do bêtông chịu trong trường hợp vết nứt xiên xuất

xét (tải trọng tiêu chuẩn), T

Vp Thành phần theo phương song song với lực cắt của ứng suất trước hiệu

quả, T

Vs Thành phần lực cắt do thép đai và thép xiên chịu trong tính toán kết cấu

bêtông ứng suất trước theo tiết diện nghiêng, T

Vn Khả năng chịu cắt tính toán của kết cấu tại tiết diện xem xét, T

s Khoảng cách giữa các cốt thép đai, mm

x Chiều dài từ vị trí ngay sau thiết bị kéo căng đến sau vị trí xem xét theo

Β1 Hệ số phụ thuộc loại bêtông được sử dụng

0,85 cho bêtông có f’c ≤ 30 Mpa, với bêtông có f’c > 30 Mpa, hệ số được tăng them 0,05 cho mối 7 Mpa nhưng không nhỏ hơn 0,65

ɛcu Biến dạng cực hạn của bêtông lấy giá trị ɛcu = 0,003

Δfcr Tổn hao ứng suất trước do từ biến của bêtông, Mpa

Δfcs Tổn hao ứng suất trước do biến dạng đàn hồi của kết cấu, Mpa

Δffr Tổn hao ứng suất trước do ma sát, Mpa

Δfsl Tổn hao ứng suất trước do độ tụt neo, Mpa

Δfsh Tổn hao ứng suất trước do co ngót của bêtông, Mpa

Δfre Tổn hao ứng suất trước do hiện tượng tự chùng ứng suất của cốt thép

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế nước ta, ngành xây dựng đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trên nhiều lĩnh vực… Hàng loạt các tòa nhà cao tầng ra đời đòi hỏi các nhà thầu xây dựng cần quan tâm hơn về kiến trúc, kết cấu và kỹ thuật xây dựng Đáp ứng được yêu cầu không gian sử dụng rộng rãi, công năng linh hoạt, tiết kiệm nguyên vật liệu và tang tiến độ thi công Vì vậy, với những tính năng ưu việt, việc sử dụng công nghệ BTƯST trong nhà cao tầng là điều tất yếu và đang được nghiên cứu, sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam

Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ này chủ yếu chỉ dừng lại ở những kết cấu phổ biến như dầm, sàn… thông thường Các kết cấu chịu lực mang tính chất đặc biệt như dầm chuyển, sàn chuyển cần được nghiên cứu và áp dụng công nghệ BTƯST một cách toàn diện nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế là hết sức cần thiết

Tổng kết kinh nghiệm thiết kế, giám sát thi công của bản thân tác giả;

Trao đổi, học hỏi trực tiếp các chuyên gia, kỹ sư đầu ngành có kinh nghiệm thiết kế, thi công sàn chuyển bê tông ứng suất trước căng sau trong nhà cao tầng

3.2 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng các phương pháp chủ yếu sau:

Phương pháp nghiên cứu tổng quan về những nội dung liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu;

Phương pháp khảo sát, thu thập, tổng hợp;

Phương pháp chuyên gia

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu quy trình thiết kế và thi công sàn

chuyển bê tông ứng suất trước trong nhà cao tầng theo tiến độ thi công

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu là các công trình nhà cao tầng có sử dụng kết cấu sàn chuyển bê

tông ứng suất trước căng sau ở Việt Nam và trên thế giới

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Trong luận văn này, tác giả đưa ra việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ BTƯST vào việc thiết kế và thi công một trong những cấu kiện đặc biệt của nhà cao tầng – sàn chuyển BTƯST căng sau – đây là một đề tài mới và chưa từng được nghiên cứu ở Việt Nam

Luận văn được viết theo tiêu chuẩn ACI - 318 Tiêu chuẩn tính toán bê tông cốt thép của Mỹ Các tài liệu, công trình nghiên cứu của các nhà khoa học có liên quan đến đề tài Các phương pháp được sử dụng trong quá trính hoàn thành luận văn là: Nghiên cứu tài liệu Technical Report 43 –PT Concrete Floors; Tài liệu Reinforced Concrete Mechanics And Design 6th Edition By Wight MacGregor; Tiêu chuẩn ACI-318 để xây dựng quy trình thiết kế và thi công sàn chuyển BTƯST căng sau, áp dụng công trình thực tế cho lý thuyết được xây dựng

Đề tài nghiên cứu và đưa ra được quy trình thiết kế và thi công sàn chuyển bê tông ứng suất trước căng sau trong nhà cao tầng theo tiến độ thi công

5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Luận văn có thể dùng để tham khảo và mang tính chất định hướng cho việc nghiên cứu

và áp dụng đề tài Nhằm tạo ra được những công trình có chất lượng cao, tăng tính thẩm mỹ, tăng tiến độ thi công, tiết kiệm được chi phí và vật liệu góp phần thúc đấy phát triển kinh tế xã hội

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử phát triển của kết cấu bê tông ứng suất trước

Kết cấu bê tông ứng suất trước (BTƯST) đã có lịch sư phát triển hơn một thế kỷ Trong thời gian đó loại kết cấu này đã không ngừng được nghiên cứu, ứng dụng và không ngừng được phát triển cả về mặt lý luận lẫn thực tiễn Đóng góp vào sự phát triển của kết cấu bê tông ứng suất trước có công sức của nhiều kỹ sư và các nhà khoa học

Nhìn lại lịch sử, khái niệm kết cấu bê tông ứng suất trước dường như ra đời cùng lúc với khái niệm bê tông cốt thép Bất luận sử dụng cốt thép hay tạo ra ứng suất trước, mục đích của nó đều để khắc phục nhược điểm khả năng chịu kéo quá thấp của bê tông trong kết cấu

Việc áp dụng nguyên lý ứng suất trước vào kết cấu bê tông bắt đầu từ thập niên 80 của thế kỷ 19 Năm 1886, P.H Jackson (Mỹ) đã nhận được chứng nhận bản quyền về việc đặt thêm sợi thép kéo căng để đúc vòm bê tông Năm 1888, Dorhing (Đức) nhận them chứng nhận bản quyền về việc đặt them sợi thép kéo căng vào bê tông để đúc thành tấm và dầm Đó là bước đi đầu tiên của việc sử dụng nguyên lý ứng suất trước chế tạo các cấu kiện đúc sẵn

Khái niệm dùng ứng suất trước để triệt tiêu ứng suất do ngoại lực tác dụng là do J Mandl (Áo) đề xuất lần đầu tiên vào năm 1896 Năm 1906, M Koenen (Đức) tiến hành thí nghiệm đổ bê tông với cốt thép có giới hạn bền 60MPa, quan sát thí nghiệm ông thấy ứng suất trước ban đầu bị mất mát do sự co ngót của bê tông

Năm 1908, C.R.Cteiner (Mỹ) đề xuất việc kéo căng 2 lần để giảm bớt tổn hao ứng suất trước và đã nhận được chứng nhận bản quyền Lần căng kéo ban đầu ông tiến hành vào giai đoạn ban đầu khi cường độ bê tông còn rất thấp để phá vỡ sự kết dính giữa bê tông

và cốt thép căng kéo Sau khi bê tông đạt cường độ cao hơn thì tiến hành kéo lần 2 Năm 1923, F.Emperger (Áo) đã sáng tạo phương pháp quấn dây thép kéo căng để làm ống bê tông chịu áp lực Dây thép kéo căng sử dụng loại có cường độ từ 160MPa đến 800MPa

Công nghệ ứng suất trước căng sau không bám dính là do R.H.Dill (Mỹ) đề xuất vào năm 1925 Ông sử dụng cốt thép cường độ cao có phủ ngoài chất chống dính, sau khi

bê tông khô rắn thì tiến hành kéo căng và dùng neo chốt lại cố định ở hai đầu Sau đó, vào năm 1927, R.Farber (Mỹ) nhận được chứng nhận bản quyền về phương pháp ứng suất trước có cốt thép căng và có thể trượt trong bê tông Lúc đó, phương pháp chống bám dính giữa bê tông và cốt thép căng là phủ lên bề mặt cốt thé một lớp bột đá hoặc đặt cốt thép kéo căng vào trong ống cứng

Trong thời kỳ đầu của kết cấu BTƯST, do thiếu sự hiểu biết về tính năng của bê tông

và vật liệu thép trong quá trình chịu tải, nên ứng suất trước mà các phương pháp nói trên tạo ra còn rất nhỏ, hiệu quả không rõ ràng và phạm vi ứng dụng còn hạn chế Giai đoạn đưa kết cấu BTƯST vào sử dụng thực tế không thể tách rời với sự đóng góp của kỹ sư người Pháp F.Freyssinet Trên cơ sở nghiên cứu tính năng của bê tông và vật liệu thép cũng như tổng kết kinh nghiệm của người đi trước Ông đã suy nghĩ tới tổn hao ứng suất trước do sự co ngót và từ biến của bê tông Năm 1928, F.Freyssinet chỉ ra rằng kết cấu BTƯST phải sử dụng thép cường độ cao và bê tông cường độ cao Đây là một sự đột phá về lý thuyết kết cấu BTƯST Từ đó, việc nghiên cứu kết cấu BTƯST bắt đầu đi vào giai đoạn kết hợp nghiên cứu cùng với tính chất của vật liệu Trong giai đoạn này chưa giải quyết được vấn đề công nghệ sàn xuất kết cấu BTƯST

Năm 1938, E.Hoyer (Đức) đã nghiên cứu thành công phương pháp căng trước dựa vào

sự bám dính giữa dây thép nhỏ cường độ cao (0,5~2mm) và bê tông chứ không phải sự truyền lực đầu neo Trên cơ sở nghiên cứu này, người ta có thể sản xuất đồng thời nhiều thanh cấu kiện trên bệ dài hàng chục mét

Năm 1939, F.Freyssinet (Pháp) đã nghiên cứu thành công neo hình côn cho bó dây thép và thiết bị kích kéo căng đồng bộ cho loại neo và cốt thép kéo căng loại này Năm 1940, G.Magnel người Bỉ nghiên cứu thành công loại neo dạng khối có thể ứng dụng cho trường hợp kéo căng đồng thời 2 dây thép

Những thành tựu trên đây đã tạo nên cơ sở của công nghệ sản xuất kết cấu BTƯST theo cả hai phương pháp căng trước và căng sau

Từ sau đại chiến thế giới thứ 2 (1945), kết cấu BTƯST được sử dụng rộng rãi Lúc bấy giờ ở Tây Âu do chiến tranh tàn phá, nền công nghiệp, giao thông, thành phố có nhu cầu cấp thiết được tu bổ, do đó vật liệu thép trở nên vô cùng khan hiếm Một số công trình trước đây sử dụng kết cấu thép đều chuyển sang thay thế bằng kết cấu BTƯST Trong vòng mấy năm cả Tây và Đông Âu đều đạt được sự phát triển mạnh

mẽ Phạm vi sử dụng cũng được mở rộng từ cầu cống và nhà xưởng công nghiệp cho tới các lĩnh vực xây dựng dân dụng

Bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ XX các nước như Mỹ, Canada, Australia, Nhật Bản cũng bắt đầu mở rộng việc ứng dụng kết cấu BTƯST

Để thúc đẩy sự phát triển công nghệ BTƯST, Hiệp hội bê tông ứng suất trước quốc tế (viết tắt là FIP) đã được thành lập năm 1950 Có hơn 40 nước thành viên, 4 năm tổ chức đại hội trao đổi kinh nghiệm trong nghiên cứu và thực tiễn của các nước 1 lần Hiện nay việc ứng dụng công nghệ BTƯST đã là vấn đề quen thuộc trên phạm vi toàn thế giới

1.2 Nghiên cứu ứng dụng kết cấu BTƯST ở Việt Nam

Kết cấu BTƯST thâm nhập vào nước ta khá sớm, công trình cầu Phủ Lỗ và nhà máy đóng tàu Bạch Đằng là những công trình có ứng dụng kết cấu BTƯST do các nhà thầu xây dựng việt nam thực hiện trong những năm 1960 Sau hai công trình thí điểm này kết cấu BTƯST ở nước ta tiếp tục phát triển trong ngành xây dựng cầu và trong xây dựng dân dụng và công nghiệp với những đặc thù riêng

Trong xây dựng cầu trước năm 1990 đã thực hiện chế tạo các dầm có khẩu độ lớn phục vụ cho các công trình cầu lớn mà điển hình nhất là cầu Thăng Long Trong giai đoạn sau 1990, trong xây dựng cầu ngoài việc chế tạo các hệ dầm tiêu chuẩn nhịp lớn, công nghệ BTƯST căng sau đang được áp dụng cho các kết cấu nhịp lớn theo phương pháp đúc đẩy và đúc hẫng Hiện nay, phần lớn các cầu bê tông cốt thép đang được xây dựng ở nước ta đều ứng dụng công nghệ BTƯST

Trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, việc nghiên cứu ứng dụng kết cấu BTƯST

có thể chia thành hai giai đoạn: giai đoạn trước 1996 và giai đoạn từ 1996 trở lại đây

 Trong giai đoạn trước 1996: Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ BTƯST trong xây dựng dân dụng và công nghiệp ở nước ta chủ yếu tập trung vào tìm kiếm công nghệ thích hợp để chế tạo các cấu kiện như panel, dầm nhỏ, giàn mái nhà công nghiệp…

 Từ năm 1996 trở lại đây đã có sự thay đổi trong hướng nghiên cứu ứng dụng kết cấu BTƯST trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp ở nước ta Trong giai đoạn này việc nghiên cứu ứng dụng kết cấu BTƯST gắn liền với việc đưa công nghệ hiện đại của thế giới vào ứng dụng cho các công trình với quy mô lớn Đánh dấu cho hướng nghiên cứu ứng dụng này là dự án khoa học công nghệ “ứng dụng công nghệ BTƯST cho kết cấu sàn nhà và silo” mang mã số P01-1996 Dự án P01-1996 đã được thực hiện trong giai đoạn 1996-1998 Thông qua việc thực hiện dự án của các kỹ sư của Việt Nam đã thực sự làm chủ của công nghệ BTƯST tiên tiến của thế giới và chủ động đưa kết cấu BTƯST vào ứng dụng thực tế Có thể xem dự án P01-1996 là điểm khởi đầu cho việc ứng dụng rộng rãi kết cấu BTƯST trong xây dựng dân dụng và công nghiệp trên phạm vị cả nước

 Công nghệ BTƯST căng trước cũng đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta Nhiều cơ sở sàn xuất trong nước như nhà máy bê tông Xuân Mai… Đã nhập các dây chuyền hiện đại sản xuất cấu kiện BTƯST và các sản phẩm của cơ sở này rất phong phú và đa dạng

Công nghệ BTƯST căng sau không bám dính được dự án P01-1996 đưa vào ứng dụng cho hệ thống sàn của công trình nhà điều hành – Đại Học Quốc Gia Hà Nội vào năm

1997 Sau thành công của công trình này công nghệ BTƯST được nhóm dự án

P01-1996 đưa vào ứng dụng nhiều công trình khác như: Trung Tâm Thông Tin Hang Hải Quốc Tế, Trung Tâm Thương Mại Kim Liên… Hiện này rất nhiều công trình lớn nhỏ trên khắp cả nước đang ứng dụng công nghệ này

Với ưu điểm vượt trội của BTƯST so với kết câu bê tông cốt thép thông thường như là vượt khẩu độ nhịp, tiết kiệm vật liệu, giảm trọng lượng bản than, tăng tiến độ thi công, giảm giá thành công trình… công nghệ BTƯST sẽ tiếp tục phát triển mạnh và mang lại triển vọng to lớn trong ngành xây dựng

1.3 Một số khái niệm về kết cấu BTƯST

Cho đến nay trên thế giới vẫn chưa có một định nghĩa thống nhất về kết cấu bê tông ứng suất trước Ở Việt Nam, thuật ngữ bê tông ứng suất trước còn được gọi là bê tông ứng suất trước hay bê tông dự ứng lực thường được định nghĩa một cách khái quát như sau:

“Kết cấu bê tông ứng suất trước là kết cấu mà trước khi đưa vào sử dụng người ta tạo

ra các ứng suất nén trước trong bê tông để triệt tiêu toàn bộ hay một phần ứng suất kéo do ngoại lực tác dụng trong quá trình sử dụng gây ra”

Mục đích của ứng suất trước là để khắc phục tính dòn của vật liệu bê tông bằng cách tạo ra trong vật liệu này ứng suất nén ở những vùng mà theo thiết kế thì sau này dưới tác dụng của tải trọng sẽ xuất hiện ứng suất kéo Với cách làm này có thể làm thay đổi tính năng chịu lực của kết cấu bê tông, làm cho kết cấu được tạo từ vật liệu dòn như bê tông làm việc như kết cấu đàn hồi và do đó tăng khả năng chịu lực, khả năng kháng nứt và độ cứng của cấu kiện

Kết cấu BTƯST nếu căn cứ vào đặc điểm thiết kế, chế tạo và công nghệ thi công, chủ yếu có 5 cách phân loại như sau:

1.3.1 Kết cấu BTƯST căng trước và kết cấu BTƯST căng sau

Kết cấu BTƯST căng trước là kết cấu BTƯST được sản xuất theo phương pháp kéo căng cốt thép trước khi đổ bê tông Phương pháp sản xuất này đòi hỏi phải có bệ sản xuất để tiện cho việc neo tạm thời cốt thép kéo căng Sau khi bê tông đạt đến cường độ cần thiết thì nới cốt thép căng làm cho ứng suất trước lúc đầu do bệ gánh chịu được truyền sang cho bê tông của cấu kiện Phương pháp căng trước thích hợp cho các nhà máy sản xuất cấu kiện đúc sẵn mang tính cố định

Kết cấu BTƯST căng sau là kết cấu BTƯST được sản xuất theo phương pháp kéo căng cốt thép sau khi đổ bê tông Khi kéo căng cốt thép đến một trị số ứng lực yêu cầu thì tiến hành neo giữ, ứng suất trước sẽ được truyền cho bê tông của kết cấu thông qua đầu neo

1.3.2 Kết cấu BTƯST căng trong tiết diện và căng ngoài tiết diện

Cốt thép kéo căng của kết cấu BTƯST căng sau có thể được đặt ở trong lòng kết cấu hoặc cũng có thể được đặt ngoài tiết diện bê tông của kết cấu Khi cốt thép kéo căng đặt trong lòng kết cấu thì kết cấu đó được gọi là kết cấu BTƯST căng trong tiết diện hay đơn giản là BTƯST Còn khi cốt thép kéo căng được đặt ngoài tiết diện bê tông của kết cấu thì kết cấu đó được gọi là kết cấu BTƯST căng ngoài tiết diện Công nghệ căng ngoài tiết diện thường được sử dụng trong gia cường kết cấu

1.3.3 Kết cấu BTƯST toàn phần và kết cấu BTƯST không toàn phần

Căn cứ theo độ lớn của ứng suất trước, kết cấu BTƯST có thể chia làm 2 loại là ứng suất trước toàn phần và ứng suất trước không toàn phần Khi kết cấu được yêu cầu thiết kế theo yêu cầu không xuất hiện vết nứt dưới tác dụng của tải trọng sử dụng, kết cấu này được gọi là kết cấu BTƯST toàn phần Ngược lại, khi thiết kế cho phép vết nứt, loại kết cấu này được gọi là kết cấu BTƯST không toàn phần

Kết cấu BTƯST không toàn phần thường được hỗ trợ bởi cốt thép thường không kéo căng đi kèm, để kiểm soát tốt hơn vết nứt và độ võng cũng như tăng cường khả năng chịu uốn Trong một số trường hợp, khái niệm kết cấu BTƯST toàn phần và kết cấu BTƯST không toàn phần được hiểu như sau:

 Kết cấu BTƯST toàn phần là chỉ loại kết cấu bê tông cốt thép, sử dụng đơn thuần cốt

thép kéo căng làm cốt thép chịu lực chính

 Kết cấu BTƯST không toàn phần sử dụng hỗn hợp cốt thép kéo căng và cốt thép

thường không kéo căng làm cốt thép chịu lực

1.3.4 Kết cấu BTƯST có bám dính và không bám dính

Kết cấu bê tông ứng suất trước có bám dính là chỉ loại kết cấu BTƯST mà cốt thép kéo căng có sự kết dính với bê tông bao quanh Cốt thép kéo căng của phương pháp căng trước đúc trực tiếp trong bê tông là loại có bám dính

Trong phương pháp căng sau, sau khi tiến hành kéo căng, việc bơm vữa hoặc nhồi bê tông vào ống để khôi phục sự bám dính giữa cốt thép ứng suất trước và bê tông cũng được coi là kết cấu bê tông ứng suất trước có bám dính BTƯST với bê tông xung

quanh có thể trượt tự do, để hạn chế ảnh hưởng của ma sát thì cốt thép kéo căng có thể được mạ, quét một lớp mỡ hoặc sử dụng các biện pháp chống ăn mòn khác Khi cần thiết, một phần độ dài của cốt thép kéo căng có bám dính có thể được làm thành cốt thép kéo căng không bám dính và ngược lại

1.3.5 Kết cấu BTƯST và kết cấu tổ hợp

Kết cấu BTƯST đổ tại chỗ cần tương đối nhiều khuôn và giáo chống, nhưng không cần vận chuyển cẩu lắp, phù hợp với những cấu kiện có kích thước lớn và nặng Kết cấu lắp ghép là chỉ loại kết cấu được làm sẵn ở nhà máy hoặc công trường, sau đó được vận chuyển và cẩu lắp đặt ở vị trí công trình cuối cùng Kết cấu lắp ghép thích hợp với việc sản xuất hang loạt, chất lượng dễ quản lý, giá thành sản xuất thường tương đối thấp Kết cấu bê tông tổ hợp là chỉ kết cấu có sự kết hợp giữa hai loại bê tông trên Phần đúc sẵn thường được tạo ứng suất trước vừa làm bộ phận chịu ứng suất kéo, vừa làm khuôn thi công, sau khi lắp đặt định vị thì đổ phần bê tông còn lại tại chỗ Phần đổ sau có thể làm bê tông ứng suất trước hoặc bê tông cốt thép thường Thông qua phần bê tông đổ sau có thể liên kết với phần đúc sẵn một cách dễ dàng Kết cấu tổ hợp thường có được ưu điểm của cả hai loại đúc sẵn và đổ tại chỗ vừa tiết kiệm chi phí ván khuôn, giáo chống lại vừa đảm bảo được các mối liên kết

1.4 Sơ lược về kết cấu nhà cao tầng

1.4.1 Mở đầu

Ngôi nhà như thế nào được gọi là nhà cao tầng? Về vấn đề này nói chung trên thế giới vẫn chưa có sự thống nhất, Uỷ Ban Nhà Cao Tầng Quốc Tế đưa ra định nghĩa nhà cao tầng như sau:

Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định đến các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường thì được gọi là nhà cao tầng

Theo khái niệm như trên thì nhà cao tầng là một khái niệm có tính tương đối với các quốc gia, các địa phương và các thời điểm, phụ thuộc vào điều kiện kinh tế, kỹ thuật

và xã hội

Căn cứ vào chiều cao và số tầng nhà, Uỷ Ban Nhà Cao Tầng Quốc Tế phân nhà cao tầng ra thành 4 loại như sau:

 Nhà cao tầng loại 1: 9-16 tầng (cao tối đa 50m)

 Nhà cao tầng loại 2: 17-25 tầng (cao tối đa 75m)

 Nhà cao tầng loại 3: 26-40 tầng (cao tối đa 100m)

 Nhà cao tầng loại 4: trên 40 tầng (gọi là nhà siêu cao tầng)

Các nước tùy theo sự phát triển nhà cao tầng của mình thường có các cách phân loại khác nhau Hiện nay ở nước ta đang áp dụng theo sự phân loại của Uỷ Ban Nhà Cao Tầng Quốc Tế

Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển nhà cao tầng chủ yếu là sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số thành thị, khan hiếm đất xây dựng, tăng giá đất, tiến bộ của khoa học công nghệ, sử dụng vật liệu cường độ cao, sử dụng thang máy, công nghiệp hóa ngành xây dựng…

Tình hình phát triển nhà cao tầng ở các quốc gia không giống nhau, riêng ở Mỹ do khoa học công nghệ và công nghiệp xây dựng phát triển nhanh nên nhà cao tầng ở đây

đã được xây dựng tương đối nhiều và sớm hơn các quốc gia khác Theo tư liệu của hội nghị nhà cao tầng quốc tế lần thứ 4 vào tháng 11 năm 1990 tại Hồng Kông, thế giới đã chọn ra 100 ngôi nhà cao nhất với chiều cao từ 218m đến 443m, có số tầng từ 32 đến

110 tầng trong số 100 ngôi nhà này thì có 76 ngôi nhà được xây dựng ở hoa kỳ, còn lại 24 ngôi nhà khác được phân bổ tại các quốc gia phát triển như: Canada, Nhật Bản,

Úc, Anh, Đức… Trong những năm gần đây việc xây dựng nhà cao tầng phát triển rất mạnh ở các quốc gia Châu Á, đặc biệt là Trung Quốc, Singapo… ở Việt Nam cũng có nhiều tòa nhà cao tầng lọt top những tòa nhà cao nhất thế giới như Keangnam Landmark 72 với 72 tầng cao 336m, Vincom landmark 81 với 81 tầng cao 461m, Lotte Center Hà Nội với 65 tầng cao 272m…

Khác với nhà thông thường, đối nhà nhà cao tầng thiết kế kết cấu đóng vai trò quan trọng hơn toàn bộ công tác thiết kế Để có được giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng phải có sự kết hợp giữa kiến trúc sư, kỹ sư kết câu và các kỹ sư chuyên ngành ngay từ khi bắt đầu thiết kế công trình Những đặc điểm chính trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng phải kể đến là:

 Tải trọng ngang là yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng Trong thiết

kế kết cấu nhà thấp tầng yếu tố tải trọng ngang nhìn chung được quan tâm ít hơn so với tải trọng thẳng đứng, nguyên nhân do ảnh hưởng của tải trọng ngang lên hệ kết cấu thấp tầng nhỏ Khi chiều cao nhà tăng lên thì các nội lực và chuyển vị của công trình

do tải trọng ngang (tải trọng gió và động đất) gây ra, tăng lên nhanh chóng Việc tạo ra

hệ kết cấu để chịu tải trọng này là vấn đề hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế kết cấu nhà cao tầng

 Hạn chế chuyển vị ngang của công trình trở thành một vấn đề quan trọng Cùng với

sự gia tăng chiều cao, chuyển vị ngang của ngôi nhà tăng lên nhanh chóng Nếu chuyển vị ngang của ngôi nhà quá lớn sẽ làm tăng giá trị các nội lực do độ lệch tâm của trọng lượng, làm cho các cấu kiện dễ vỡ như tường ngăn, các bộ phận trang trí sẽ

bị hư hại, gây ra cảm giác khó chịu và hoảng sợ cho con người khi ở trên công trình Chính vì thế, kết cấu nhà cao tầng không chỉ đảm bảo đủ cường độ chịu lực mà còn phải đảm bảo đủ độ cứng để chống lại các tải trọng ngang, để sao cho dưới tác động của các tải trọng ngang thì chuyển vị ngang của ngôi nhà không vượt quá giới hạn cho phép

 Yêu cầu thiết kế chống động đất cao, đây là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng Thiết kế kháng chấn cho kết cấu nhà cao tầng hiện nay đang được áp dụng theo quan điểm hiện đại tức là thiết kế kết cấu đảm bảo yêu cầu không

bị hư hại khi gặp các trận động đất nhẹ, chỉ bị hư hại những cấu kiện không quan trọng khi gặp các trận động đất vừa và có thể bị hư hại nhưng không sụp đổ khi gặp các trận động đất mạnh Để đảm bảo các yêu cầu này, kết cấu nhà cao tầng phải được thiết kế sao cho không chỉ đảm bảo cường độ chịu tác động của tải trọng động đất mà còn phải đảm bảo độ dẻo cần thiết để sao cho khi gặp các trận động đất mạnh thì trong các bộ phận kết cấu xuất hiện các biến dạng dẻo có khả năng hấp thụ năng lương do động đất gây ra, làm cho kết cấu có thể duy trì được sức chịu tải nhất định mà không bị sụp đổ

 Giảm nhẹ trọng lượng bản thân nhà cao tầng có ý nghĩa quan trọng hơn nhà thông thường Do nhà có nhiều tầng nên nếu giảm nhẹ trọng lượng của mỗi tầng thì sẽ giảm được đáng kể trọng lượng của toàn tòa nhà và từ đó sẽ giảm được tải trọng truyền xuống móng Xét về tác động của động đất, giảm nhẹ trọng lượng bản than công trình

chính là làm được tải trọng động đất tác dụng lên công trình Điều này không chỉ làm giảm giá thành xây dựng và còn tăng độ an toàn và thời hạn sử dụng công trình

 Kết cấu nhà cao tầng phải có khả năng chịu lửa cao Công năng nhà cao tầng thường phức tạp, thiết bị nhiều, số lượng người làm việc và sinh sống trong ngôi nhà lớn, khả năng thoát nạn khi hỏa hoạn từ các nhà cao tầng gặp khó khăn Vì vậy, hệ kết cấu cần phải đảm bảo khả năng chịu lửa cao để có đủ thời gian thoát nạn cho người, tài sản cũng như để dập tắt ngọn lửa

 Độ bền lâu của kết cấu nhà cao tầng có yêu cầu cao Các ngôi nhà cao tầng thường là các công trình quan trọng có tuổi thọ thiết kế cao nên độ bền lâu của hệ kết cấu nhà cao tầng cũng đòi hỏi cao hơn những công trình thấp tầng thông thường

Các phần dưới đây của chương này sẽ đề cập đến 2 nội dung: Phân loại kết cấu nhà cao tầng và lựa chọn hệ kết cấu thích hợp cho tầng loại nhà cao tầng Nội dung của chương này là chủ định của tác giả nhằm làm cho kỹ sư thiết kế nền móng nắm được đặc trưng cơ bản của hệ kết cấu bên trên phục vụ cho công tác thiết kế nền móng nhà cao tầng

1.4.2 Phân loại kết cấu nhà cao tầng

Nếu căn cứ vào vật liệu của kết cấu thì các kết cấu nhà cao tầng trong thực tế xây dựng hiện nay có các loại sau: kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu tổ hợp thép –

bê tông cốt thép Nếu căn cứ vào sơ đồ làm việc và cấu tạo của kết cấu thì có thể phân chia kết cấu nhà cao tầng thành các loại: kết cấu cơ bản, kết cấu hỗn hợp và kết cấu đặc biệt Các dạng kết cấu nhà cao tầng cơ bản thường dùng trong thực tế gồm có: kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực, kết cấu lõi và kết cấu ống Sự kết hợp các dạng kết cấu

cơ bản tạo ra một dạng kết cấu mới gọi là kết cấu hỗn hợp Các dạng kết cấu hỗn hợp thường gặp trong thực tế bao gồm: kết cấu khung – giằng, kết cấu khung – vách, kết cấu ống – lõi và kết cấu ống tổ hợp Ngoài các dạng kết cấu trên đây trong thực tế còn có các dạng kết cấu đặc biệt, đó là: kết cấu có hệ thống dầm chuyển, kết cấu có hệ thống sàn chuyển, kết cấu có hệ giằng liên tầng và kết cấu có hệ khung ghép Cũng cần phải nói rằng, kết cấu nhà cao tầng là một thế giới phong phú về chủng loại và thế giới này ngày càng được làm phong phú thêm bởi các nhà khoa học và kỹ sư ngành xây dựng

1.4.2.1 Các dạng kết cấu cơ bản

a Kết cấu khung

Kết cấu khung bao gồm hệ thống cột và dầm vừa chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang Hệ kết cấu khung được sử dụng hiệu quả cho các công trình có yêu cầu không gian lớn, bố trí nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại công trình Yếu điểm của kết cấu khung là khả năng chịu cắt theo phương ngang kém Ngoài ra, hệ thống dầm của kết cấu khung trong nhà cao tầng thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến công năng sử dụng của công trình và tăng độ cao của ngôi nhà

Chiều cao ngôi nhà thích hợp cho kết cấu khung thép là không quá 30 tầng, cho kết cấu khung bê tông cốt thép là không quá 20 tầng Trong các vùng có động đất mạnh cấp 8 hoặc cao hơn thì chiều cao ngôi nhà thích hợp cho các loại kết cấu khung phải được giảm xuống Chiều cao tối đa của ngôi nhà có thể sử dụng kết cấu khung còn phụ thuộc vào số nhịp, độ lớn các nhịp và tỷ lệ chiều cao và chiều rộng nhà

Hình 1.1 Một số mặt bằng kết cấu khung nhà cao tầng điển hình

Kết cấu khung nhà cao tầng thông thường làm việc theo sơ đồ không gian Tuy nhiên, trong một số trường hợp số bậc tự do của một số phần tử dầm có thể được giảm xuống nhờ sử dụng các giả thiết tính toán Ví dụ như xem sàn có độ cứng lớn trong mặt phẳng của nó, có thể bỏ qua sự kéo, nén, uốn và cắt theo phương ngang Các cột khung

là các phần tử làm việc theo sơ đồ không gian Các nội lực trong cột bao gồm: lực dọc trục, mô men xoắn, lực cắt và mô men uốn theo cả hai phương

Trường hợp thường gặp nhất trong thực tế là mặt bằng bố trí khung của nhà cao tầng

có hình chữ nhật gồm hai hệ thống cột và dầm theo hai phương trực giao Tuy nhiên cũng có thể bố trí các mặt bằng kết cấu khung phức tạp hơn Một số mặt bằng khung thường gặp trong thực tế được thể hiện như hình 1.1

b Kết cấu tường chịu lực

Kết cấu tường chịu lực hay còn gọi là vách cứng trong nhà cao tầng là một hệ thống tường vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng vừa là hệ thống chịu tải trọng ngang và đồng thời làm cả nhiệm vụ vách ngăn giữa các phòng Đây là loại kết cấu quen thuộc trong các nhà thấp tầng Tuy nhiên, trong các nhà thấp tầng thì tường chủ yếu là kết cấu tường xây có khả năng chịu cắt và chịu uốn kém, còn trong nhà cao tầng thì tường này được làm bằng bê tông cốt thép có khả năng chịu uốn và chịu cắt tốt hơn Chính vì

lẽ đó nên chúng được gọi là vách cứng

Các hệ kết cấu tường chịu lực trong nhà cao tầng thường là tổ hợp của các tường phẳng Các tường phẳng có thể được bố trí theo các phương khác nhau Trong các ngôi nhà hình chữ nhật, tường phẳng thường được bố trí theo phương ngang nhà – gọi là tường ngang, theo phương dọc nhà gọi là tường dọc Nhiều trường hợp các tường theo các phương khác nhau liên kết thành hệ tường giao nhau

Tường cứng liên tục không bị khoét lỗ được gọi là tường đặc Trong nhà cao tầng chỉ

có một số lượng ít các tường là đặc, còn lại đều bị khoét lỗ dành cho các ô cửa đi và cửa sổ, ảnh hưởng của các lỗ khoét này đến độ cứng của tường phụ thuộc vào kích thước, vị trí và số lượng lỗ khoét Nếu như trong tường chỉ có các lỗ khoét nhỏ thì khi chịu tải trọng ngang nó làm việc gần giống tường đặc Ngược lại, nếu kích thước các

lỗ khoét lớn thì sự làm việc của vách cứng phải được xem xét theo bài toán hai chiều của cơ học vật rắn biến dạng

Trên hình 1.2 thể hiện một số ví dụ về mặt bằng kết cấu tường chịu lực của nhà cao tầng

Trước đây người ta cho rằng kết cấu vách cứng (tường chịu lực) có độ dẻo kém nên không thích hợp cho nhà cao tầng trong vùng có động đất, đặc biệt là các ngôi nhà có chiều cao lớn Bởi lý do này nên trong thời gian ở một số nước như Mỹ, Canada, Nhật Bản đã có những quy định gắt gao về chiều cao cho phép của các công trình nhà cao tầng có kết cấu vách cứng

Hình 1.2 Một số mặt bằng kết cấu tường chịu lực nhà cao tầng điển hình

Trong thời gian gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu về kết cấu vách cứng và đã

đề ra nhiều biện pháp kỹ thuật nhằm tăng độ dẻo cho loại kết cấu này

Kết cấu vách cứng có những đặc điểm cơ bản sau:

 Kết cấu vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phương ngang lớn Khi kết cấu vách cứng đổ tại chỗ cùng với các sàn và mái tạo thành kết cấu hộp nhiều ngăn có khả năng chịu tải lớn, đặc biệt là khả năng chịu tải trọng ngang

 Kết cấu vách cứng có khả năng chịu động đất tốt Kết quả nghiên cứu thiệt hại do các trận động đất lớn gây ra, ví dụ như trận động đất vào thàng 2 năm 1971 ở California (Hoa Kỳ), trận động đất vàng tháng 12 năm 1972 ở Nicaragua… cho thấy rằng những công trình có kết cấu vách cứng bị hư hỏng tương đối nhẹ, trong khi các ngôi nhà có kết cấu khung bị hư hỏng tương đối nặng hoặc bị sụp đổ

 Nhà cao tầng có kết cấu vách cứng phù hợp với công năng làm nhà ở, khách sạn, bệnh viện… các loại công trình này thường có không gian nhỏ hoặc vừa Dạng kết cấu này không thích hợp cho các công trình đòi hỏi có các không gian lớn và linh hoạt

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

 Về phương diện chịu lực, kết cấu vách cứng được xem như một tấm phẳng chỉ chịu lực trong mặt phẳng bản than, không chịu lực ngoài mặt phẳng đó Do vậy, để đảm bảo độ cứng không gian cho công trình cần bố trí các vách cứng theo cả hai phương dọc và ngang nhà Số lượng các vách cứng bố trí theo mỗi phương cần căn cứ vào sự làm việc chịu tải trọng của công trình theo phương đó

 Khi thiết kế móng, vách cứng được xem như một congxon ngàm vào móng làm việc chịu uốn trong mặt phẳng của nó Trên cơ sở sơ đồ tính toán này, nội lực vách cứng truyền lên móng được tổ hợp thành vecto gồm 3 thành phần: lực dọc, mô men uốn và lực cắt trong mặt phẳng vách

c Kết cấu lõi

Hệ kết cấu gồm các tường phẳng chịu lực thích hợp cho các công trình nhà ở có chức năng được quy định một cách chặt chẽ Các công trình có yêu cầu không gian rộng với việc bố trí mặt bằng đa dạng thì kết cấu gôm các tường phẳng chịu lực tỏ ra không thích hợp Một giải pháp để giải quyết vấn đề này là người ta tạo các lõi cứng gồm các tường theo các phương pháp khác nhau được liên kết với nhau Trong các công trình này các hệ thống kỹ thuật như thang máy, thang bộ… được đặt trong các lõi cứng Lõi cứng vừa đóng vai trò chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang Trong một ngôi nhà có thể bố trí một hoặc nhiều lõi cứng phụ thuộc vào mặt bằng của nó Trường hợp trong nhà có một lõi cứng thì thường được bố trí ở trung tâm Các sàn của ngôi nhà được đỡ bởi hệ thống dầm công xôn vươn ra từ lõi cứng Trường hợp trong nhà có nhiều lõi cứng thì chúng thường được đặt ở xa nhau và các sàn được tựa lên hệ thống dầm lớn nhằm liên kết các lõi cứng Các lõi cứng nên được bố trí trên mặt bằng ngôi nhà theo cách sao cho tâm độ cứng của chúng trùng với trọng tâm của ngôi nhà nhằm

để tránh hiện tượng công trình bị xoắn khi dao động Trường hợp khi tâm độ cứng của các lõi không trùng với trọng tâm của ngôi nhà thì khi thiết kế cần phải xem xét đến hiện tượng ngôi nhà bị xoắn dưới tác động của động đất

Lõi cứng có thể được làm bằng bê tông cốt thép hoặc làm bằng thép Ưu điểm của lõi cứng bằng thép là có khả năng lắp ghép nhanh Còn lõi cứng bằng bê tông cốt thép có

ưu điểm là có độ cứng không gian lớn và khả năng chống cháy tốt, bởi vậy rất hay được dùng trong thực tế

Lõi cứng có thể có tiết diện kín hoặc hở, nhưng nhìn chung thì trường hợp hở hoặc nửa

hở thường gặp hơn trong thực tế Lõi cúng tiết diện kín làm việc như một thanh thành mỏng tiết diện kín, lõi cứng tiết diện hở làm việc như một thanh thành mỏng tiết diện

hở Lõi cứng tiết diện nửa hở có sơ đồ làm việc trung gian giữa hai loại trên Khi các

lỗ khoét trên lõi cứng có kích thước bé thì có thể xem lõi cứng làm việc như thanh thành mỏi tiết diện kín, còn khi các lỗ khoét có kích thước lớn thì bắt buộc lõi cứng phải được phân tích theo sơ đồ không gian

Lõi cứng được xem là một công xôn ngàm vào móng làm việc theo sơ đồ không gian Nội lực mà lõi cứng truyền lên móng được tổ hợp thành vec tơ gồm 6 thành phần: lực dọc, mô men xoắn, mô men uốn gồm 2 thành phần Mx và My và lực cắt theo phương ngang gồm 2 thành phần Qx và Qy

Hình 1.3 Công trình “The Miglin-Beiler Tower” ở Chicago (Hoa Kỳ) sử dụng hệ lõi

chịu lực

d Kết cấu ống

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 ống (hình 1.4) Kết cấu ống do F.Khan đề

xuất vào những năm 60 của thế kỹ XX và ngay sau đó đã được ứng dụng cho một số

công trình ở Hoa Kỳ Cho đến nay kết cấu này đã trở nên rất phổ biến trên thế giới

Kết cấu ống làm bằng thép thích hợp cho các công trình cao đến 80 tầng, còn kết cấu

ống làm bằng bê tông cốt thép chỉ thích hợp cho những ngôi nhà cao đến 60 tầng

Khi các cột đặt cách thưa nhau thì kết cấu làm việc giống như sơ đồ khung, còn khi

các cột đặt kề nhau và hệ dầm có độ cứng lớn hơn thì dưới tác động của tải trọng

ngang kết cấu làm việc nhưu một công xôn Trong thực tế các cột biên của nhà cao

tầng có thể được đặt gần nhau ở mức độ cho phép, cho nên kết cấu ống về thực chất

nằm trung gian giữa sơ đồ biến dạng của công xôn và sơ đồ khung Các mặt ống song

song với hướng tác dụng của tải trọng ngang làm việc như một hệ khung phẳng nhiều

nhịp Với sự biến dạng của các dầm ngang làm cho hệ khung bị biến dạng trượt và do

vậy các lực dọc trục trong các cột được phân bố theo quy luật phi tuyến như được thể

hiện trên hình 1.5 Cột góc trong trường hợp này chịu tải trọng lớn hơn nhiều so với

các cột ở giữa hang kể cả lực dọc trục và mô men uốn Đây là điểm bất lợi trong thiết

kế kết cấu cho công trình

Hình 1.4 Sơ đồ kết cấu ống trong Hình 1.5 Phân bố ứng suất trong các cột của hệ

nhà cao tầng kết cấu ống dưới tác dụng tải ngang

Một điểm hạn chế khá nổi bật của kết cấu ống là ở chỗ do các cột biên được bố trí dày đặc đã gây cản trở đến mỹ quan cũng như điều kiện thông thoáng của công trình

1.4.2.2 Các dạng kết cấu kết hợp

a Kết cấu khung - giằng

Kết cấu khung được bố trí thêm hệ giằng chéo trên tầng từng có sơ đồ làm việc như được thể hiện trên hình 1.6 Trong hệ kết cấu này các cột và dầm làm việc như các phần tử chịu uốn, còn các thanh giằng chịu lực theo phương dọc trục Thành phần tải trọng ngang được truyền chủ yếu vào các thanh giằng xiên Nếu như hệ khung cứng có nhược điểm là khả năng chịu tải trọng ngang kém thì hệ khung – giằng phần nào khắc phục được điều này Với sự tham gia chịu lực của hệ thống giằng chéo không chỉ làm giảm lực cắt và mô men cho các cột mà còn làm tăng độ cứng theo phương ngang của công trình một cách đáng kể Tuy nhiên, hiệu quả trên của hệ thống giằng chéo chỉ thể hiện một cách rõ nét khi chúng được bố trí liên tục trên suốt chiều cao của công trình Nhược điểm của hệ kết cấu khung – giằng là sự cản trở của hệ thống giằng chéo đến công năng sử dụng của ngôi nhà Xét về mặt chịu lực thì hệ giằng X như được thể hiện trên hình 1.6 là hệ giằng hiệu quả, tuy nhiên loại giằng này chỉ có thể được bố trí ở các

ô mà ở đó không có sự liên thông hoặc không có cửa sổ hoặc cửa đi Trong thực tế, ngoài hệ giằng X người ta còn sử dụng một số hệ giằng khác Các hệ giằng này tuy không đạt hiệu quả về mặt chịu lực như hệ giằng X nhưng lại có mặt mạnh là trên các

ô đặt giằng có thể mở các cửa sổ hoặc cửa đi Một số loại giằng chéo thường hay dùng trong thực tế được thể hiện như trên hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ kết cấu khung giằng

Sơ đồ khung – giằng được sử dụng nhiều cho kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê

tông cốt thép Kết cấu khung – giằng bê tông cốt thép cũng được sử dụng trong một số trường hợp

Hình 1.7 Sơ đồ kết cấu khung giằng

Trong trường hợp này khung có độ cứng chống uốn tốt, nhưng độ cứng chống cắt kém, còn vách thì ngược lại có độc cứng chống cắt tốt nhưng chống uốn kém Sự tương tác giữa khung và vách cứng khi chịu tải trọng ngang tạo ra hiệu ứng gọi là hiệu ứng tương tác khung vách Sự bù trừ các điểm mạnh và yếu giữa hai thể loại kết cấu khung

và vách tạo nên cho hệ kết cấu khung – vách những ưu điểm nổi bật và do đó trong thực tế kết cấu khung vách là loại kết cấu được sử dụng hết sức phổ biến

Hình 1.8 Sơ đồ kết cấu khung - giằng

Sự tương tác giữa khung và vách khi chịu tải trọng ngang đã tạo ra một hiệu ứng có lợi cho sự làm việc của kết cấu hỗn hợp khung – vách Tuy nhiên trong hệ kết cấu này các vách cứng chỉ chịu lực trong mặt phẳng Bởi vậy để đảm bảo độ cứng không gian cho công trình thì phải bố trí các vách cứng theo cả 2 phương Nếu các vách cứng theo hai phương được liên kết với nhau tạo thành hệ cứng thì hệ kết cấu lúc này có dạng là hệ hỗn hợp khung – lõi Trừ trường hợp bị xoắn còn lại sự tương tác giữa khung và lõi cũng tương như giữa khung và vách

Chính vì có sự kết hợp phát huy được ưu điểm hai loại kết cấu cơ bản là khung và vách nên kết cấy hỗn hợp khung vách là loại kết cấu được sử dụng phổ biến trong thực

tế Kết cấu hỗn hợp khung – vách được sử dụng thích hợp cho các công trình có chiều cao lên tới 130m Hiện nay ở nước ta loại kết cấu này đang được sử dụng rất phổ biến cho các ngôi nhà cao tầng

c Kết cấu ống - lõi

Kết cấu ống sẽ làm việc hiệu quả hơn khi bố trí them các lõi cứng ở khu vực trung tâm (hình 1.8) Các lõi cứng đặt ở trung tâm vừa chịu trách nhiệm chịu một lượng lớn tải trọng thẳng đứng vừa chịu một phần đáng kể tải trọng ngang, đặt biệt các tải trọng ngang ở phía dưới Tương tác qua lại giữa kết cấu ống và kết cấu lõi cứng gần giống

như tương tác giữa kết cấu khung và kết cấu vách cứng Tuy nhiên xét về độ cứng theo phương ngang thì kết cấu ống có độ cứng lớn hơn nhiều so với kết cấu khung

Lõi cứng trong kết cấu ống – lõi có thể là do các tường cứng liên kết với nhau tạo thành lõi hoặc là các ống có kích thước nhỏ hơn ống ngoài Trường hợp thứ hai còn gọi là kết cấu ống trong ống – là một biến thể của kết cấu liên hợp ống – lõi Tương tác giữa ống trong và ống ngoài có đặc thù giống như tương tác giữa ống và lõi cứng trung tâm

Hình 1.9 Sơ đồ kết cấu ống - lõi

Trong một số trường hợp thay cho lõi cứng ở trung tâm người ta bố trí các vách cứng ở phía trong nhà để cũng tham gia chịu lực với ống ngoài Khác với kết cấu lõi cứng, kết cấu vách chỉ chịu tải trọng ngang theo một phương, nên trong trường hợp này để tăng

độ cứng phương ngang cho nhà theo cả hai phương thì cần bố trí các vách theo cả hai phương Tương tác giữa ống ngoài và vách cũng tương tự như giữa nó với lõi cứng

siêu cao tầng và có mặt bằng tương đối lớn Kết cấu ống tổ hợp có những nhược điểm giống như kết cấu ống Ngoài ra, do sự có mặt của các vách bên trong nên phần nào ảnh hưởng đến công năng sử dụng của công trình

Hình 1.10 Sơ đồ kết cấu ống tổ hợp

Hình 1.11 Sơ đồ phân bố ứng suất trong cột của kết cấu ống tổ hợp chịu tải trọng

ngang

1.4.2.3 Các dạng kết cấu đặc biệt

a Kết cấu tầng cứng

Trong kết cấu ống – lõi, mặc dù cả ống và lõi đều được xem như các công xôn ngàm vào móng để cùng chịu tải trọng ngang, song do các dầm sàn có độ cứng bé trong khi khoảng cách từ lõi cứng đến ống ngoài thường lớn nên thực chất các tải trọng ngang

do lõi cứng gánh chịu Hiện tượng này làm cho kết cấu ống ngoài làm việc không hiệu quả Vấn đề này được khắc phục nếu như một số tầng ta tạo ra các dầm ngang hoặc giàn có độ cứng lớn nối lõi cứng với ống ngoài (hình 1.12) Dưới tác dụng của tải trọng ngang lõi cứng bị uốn làm cho các dầm sàn này bị chuyển vị theo phương thẳng đứng và tác dụng lên các cột của ống ngoài các lực theo phương thẳng đứng Mặc dù các cột có độ cứng chống uốn nhỏ, song độ cứng dọc trục lớn nên đã cản trở sự chuyển

vị của các dầm cứng và kết quả là chống lại chuyển vị ngang của cả công trình

Trong thực tế các dầm cứng này được bố trí tại các tầng kỹ thuật và có chiều cao bằng

cả tầng cứng, số tầng cứng trong nhà cao tầng thường là 1, 2 hoặc 3 tầng Trường hợp

bố trí một tầng cứng thì nó được đặt tại độ cao sát mái, trường hợp bố trí 2 tầng cứng thì ngoài tầng cứng sát mái còn bố trí thêm một tầng cứng ở cao độ giữa công trình, còn trường hợp bố trí 3 tầng cứng thì 1 tầng được bố trí sát mái, 2 tầng còn lại được bố trí 1/3 và 2/3 cao độ công trình

Hình 1.12 Sơ đồ kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng

Hình 1.13 Biểu đồ mô men trong tầng cứng khi có và không có tầng cứng

Tại vị trí cao độ tầng cứng độ cứng của kết cấu bị thay đổi một cách đột ngột Dưới tác động của tải trọng ngang nội lực trong lõi cứng cũng như trong các cột và dầm tại cao

độ tầng cứng và gần đó có quy luật phức tạp và trong nhiều trường hợp thay đổi dạng bước nhảy làm cho việc thiết kế cấu tạo gặp khó khan Đặc biệt mô men uốn trong các cột tại vị trí liên kết với tầng cứng có giá trị rất lớn nên dễ gây ra phá hủy tại các vị trí