Kết cấu thép còn ít được ứng dụng trong nhà cao tầng ở Việt Nam do giá thành cao, tuy nhiên trên thế giới đã được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm, trong đó nổi trội là khả năng chịu lực rất lớn, tốc độ xây dựng nhanh hơn kết cấu bê tông thông thường khoảng 3 lần, khả năng chịu tải trọng động đất tốt hơn nhiều so với kết cấu bê tông cốt thép. Vì thế có thể nói, kết cấu thép vẫn là tương lai của nhà cao tầng Việt Nam.
ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (1 tiết)
Lịch sử phát triển nhà cao tầng
Chỗ ở là một trong 5 nhu cầu căn bản của con người Từ thủa hoang sơ, để tồn tại được, con người đã phải chọn hang hốc tự nhiên để bảo vệ bản thân khỏi những điều kiện khắc nghiệt của khí hậu như mưa, nắng cũng như nguy hiểm từ các loài khác Khi thông minh hơn, loài người biết dùng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên như gỗ, lá, đất, đá để xây dựng nơi trú ngụ và dần dần phát triển thành chỗ ở gọi là nhà Những căn nhà bằng gỗ, đất, đá kiên cố đã đưa con người thoát khỏi sự sống hoang dã, thoát khỏi sự phụ thuộc vào tự nhiên và có điều kiện để phát triển lên một mức cao hơn với những nhu cầu phức tạp hơn
Trong lịch sử phát triển của mình, con người luôn phải chống chọi với tự nhiên để tồn tại Khi không thể khắc chế được tự nhiên, con người đã dựa vào các yếu tố huyền bí để tìm sự giải thích và an ủi Các vị thần chính là người bảo trợ cho con người và đi kèm với đó là sự tôn sùng, các nghi lễ và nhiều điện đài thờ cúng Nơi thờ cúng của các vị thần cần phải tôn nghiêm và cao quý hơn nơi ở của người phàm Nền văn minh càng phát triển thì các điện thờ càng lớn và trang trọng Và trong khi các nhà ở phục vụ nhu cầu sống có chiều cao rất hạn chế thì rất nhiều tòa tháp phục vụ các miếu thờ, đền đài được xây dựng với chiều cao đáng kể, xuất phát từ ý tưởng phải cao tới tận trời để thần linh có thể cảm nhận được đức tin và lòng thành kính của con người Ngoài yếu tố tâm linh, các công trình cao vút còn thể hiện khát khao của con người muốn vượt qua giới hạn của chính mình để chinh phục những đỉnh cao mới Khát vọng đó được thể hiện trong Kinh cựu ước, rằng sau trận Đại hồng thủy, con người đến vùng đất Shinar và đã quyết định xây dựng thành phố của riêng mình với một tòa tháp cao đến tận thiên đường để thể hiện sự huy hoàng của con người Tòa tháp đó được đặt tên là Bable
Hình 1-1 Tháp Babel https://en.wikipedia.org/wiki/Tower_of_Babel
Các tòa tháp phục vụ tín ngưỡng của con người đã được xây dựng như vậy ở khắp nơi trên thế giới từ Châu Phi, Châu Âu đến Châu Á Những nền văn minh phát triển đã đưa chúng lên một tầm cao mới, trở thành biểu tượng minh chứng cho sự phồn thịnh và sức mạnh của các nền văn minh này
Tại Châu phi có thể kể đến Tháp Conical ở Zimbabwe được xây dựng vào khoảng thế kỷ 11 đến thế kỷ 16 trước công nguyên; nhà thờ tại Djenne, xây dựng vào thế kỷ 14 sau công nguyên
Hình 1-2 Tháp Conical của Zimbabwe http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Hình 1-3 Nhà thờ tại Djenne http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html Đế chế Babylon và Ba Tư đã phát triển rất thịnh vượng Một loạt các công trình đặc sắc có thể kể đến gồm Cổng Ishtar, Babylon (605-563 trước công nguyên); Bậc thang Terrace tại Persepolis, Iran (518-460 trước công nguyên); Kim tự tháp Ur, Iraq (2125 trước công nguyên)
Hình 1-4 Kim tự tháp Ur http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Ai cập cổ đại nổi tiếng với các kim tự tháp cổ: Kim tự tháp Zoser, Sakkara (2778 trước công nguyên); Kim tự tháp Chephren/Khafre (triều đại thứ 4); Đại đền thờ của Amun, Karnak (1530-323 trước công nguyên); đền thờ của Amun, Luxor (1408-1300 trước công nguyên)
Hình 1-5 Kim tự tháp của Chephren – Ai cập http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Hi Lạp cổ có Đền thờ bách thần, Athens (447-436 trước công nguyên)
Hình 1-6 Đền thờ bách thần - Athen - Hi lạp http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Nền văn hóa Maya cổ trọng thời kỳ thịnh vượng đã xây dựng nên các công trình vĩ đại như Kim tự tháp Uxmal của các pháp sư, Đền thờ Tikal, di tích Palenque và Kim tự tháp Calakmul đều ở Yucatan
Hình 1-7 Kim tự tháp Calakmul - Maya http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Các nền văn hóa của Châu Á cũng đã xây dựng vô số đền đài Đền Horyu-ji Nhật Bản xây dựng tòa tháp 5 tầng, trải qua 1300 năm, nhiều trận động đất lớn nhưng tòa tháp vẫn đứng vững
Hình 1-8 Tòa tháp 5 tầng của đền Horyu-ji Nhật Bản http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html
Phật tháp cổ nhất của Trung quốc còn lưu giữ lại được là tháp gạch đền Tung Sơn, xây dựng năm 523, trên đỉnh Tung Sơn thành phố Đăng Phong tỉnh Hà Nam cao 15 tầng
Hình 1-9 Tháp gạch đền Tung Sơn http://mapio.net/o/5074704/
Tháp Khai Nguyên nằm ở tỉnh Hà Bắc, thành phố Định Châu, xây dựng năm 1001
Hình 1-10 Tháp Khai Nguyên Định Châu http://blog.sina.com.cn/s/blog_a5d736ba01018fwu.html Ấn Độ có Kirti Stambh là tòa tháp cao 12 tầng tại Chittorgarh fort, Rajasthan Tòa tháp cao 22m được thương nhân Jeeja Bhagerwala xây dựng khoảng năm 1179 đến 1191 để tôn vinh sự hưng thịnh của đạo Giai-na Ấn Độ
Hình 1-11 Kirti Stambh http://heathersimondsphotography.com/chittaurgarh-fort-death-before-submission-in-ancient-india/
Hơn 170 năm trước, thành phố có dáng vẻ khác so với ngày nay Chúng có diện mạo về cơ bản là phẳng do được hình thành từ các tòa nhà thấp, đơn điệu, nơi dùng để cư ngụ và buôn bán Chỉ có các đài tưởng niệm, đền đài, nhà thờ mọc lên cao vút đến mức có thể nhìn thấy từ xa hàng dặm Thành phố có nhà ở với chiều cao đáng kể trên quy mô lớn có lẽ phải kể đến là Rome của đế chế La Mã Sự phát triển mạnh mẽ của đế chế dưới thời của Julius và Augustus Caesar đã biến Rome thành thành phố đông đúc, chật chội, làm xuất hiện nhu cầu xây dựng những chung cư nhiều tầng để có thể chứa được nhiều chỗ ở hơn Số tầng liên tục tăng, từ 3 tầng vào khoảng thế kỷ 3 trước công nguyên đến 5 tầng hoặc hơn nữa (thậm chí là 10 tầng với 200 bậc thang) tại thế kỷ 1 trước công nguyên Tuy nhiên, với trình độ xây dựng còn non kém, nhiều sự cố sập nhà đã xảy ra, vì thế các đạo luật được ban hành để hạn chế chiều cao của công trình, ban đầu giới hạn là
21 m, sau giảm xuống còn 18m Mặc dù vậy, nhiều công trình vẫn xây dựng tới 5 đến 6 tầng
Hình 1-12 Hình mẫu chung cư của đế chế La mã https://livinginabarrel.com/2015/06/20/urban-heat-islands-and-the-origin-of-the-apartment-building/
Hình 1-13 Di tích còn lại của chung cư http://historum.com/ancient-history/34886-rome-digital-reconstruction-2.html
Cũng như các nền văn minh phát triển khác, đế chế La Mã cũng đã xây dựng nhiều công trình biểu tượng như Đấu trường El Djem (đầu thế kỷ 3 sau công nguyên),
118-134 sau công nguyên), Pont Du Gard, Nimes, Pháp (cuối thế kỷ 1 trước công nguyên)
Hình 1-14 Đấu trường El Djem – La mã http://www.arthistoryarchive.com/arthistory/architecture/Ancient-Architecture.html Đất nước Yemen lại có một thành phố rất khác biệt tên là Shibam, với khoảng 500 tòa nhà cao 5 đến 11 tầng, một số cao trên 30m hoàn toàn được xây dựng từ gạch đất không nung Mặc dù thành phố này đã có lịch sử trên 1700 năm nhưng đa số các tòa nhà cao tầng được xây dựng từ thế kỷ 16 Vì được hình thành từ gạch đất không nung nên các tòa nhà được bảo trì định kỳ bằng cách quết bùn mới lên trên tường Đây được mệnh danh là “Thành phố nhà chọc trời cổ nhất trên thế giới” và được công nhận là di sản văn hóa UNESCO
Hình 1-15 Thành phố Shibam - Yemen https://en.wikipedia.org/wiki/Shibam
Kết cấu tường chịu lực bằng gạch còn được thấy ở các nền văn minh lớn khác như
Ai Cập và Trung Quốc Thủ đô cổ của Ai Cập là Fustat xây dựng rất nhiều nhà cao tầng, với một số được mô tả là có thể cao đến 14 tầng
Yếu tố phòng thủ cũng là một lý do để phát triển các công trình có chiều cao lớn Phía nam Trung Quốc người Khách Gia tạo nên những dãy nhà hình tròn khép kín mang tính chất phòng vệ, chiều cao từ 3 đến 5 tầng, có thể chứa đến 80 hộ gia đình Dãy nhà cổ nhất được xây dựng từ thế kỷ 14 Các tòa lâu đài ở Châu Âu với những bức tường và chòi canh, những tháp canh ở viền các thành phố cổ là minh chứng cho điều này
Định nghĩa và phân loại
Theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày càng có nhiều công trình cao được xây dựng, hơn nữa các công trình ra đời sau có xu hướng cao hơn công trình ra đời trước Thiết kế, thi công và sử dụng các công trình cao hơn sẽ có nhiều vấn đề mới phát sinh
Về mặt thiết kế có những vấn đề như đánh giá lại tầm quan trọng của các loại tải trọng, giải pháp móng chịu tải trọng lớn Trong giai đoạn thi công cần xem xét đến biện pháp thi công thẳng đứng, giải pháp cẩu lắp, an toàn lao động trên cao Trên khía cạnh sử dụng phải giải quyết được vấn đề thoát hiểm khi cháy, lựa chọn phương tiện phục vụ giao thông thẳng đứng, xử lý tình trạng chênh áp suất theo độ cao Do đó, đi kèm với nhà cao tầng phải có những thiết bị hiện đại hơn, từ đó làm tăng tổng mức đầu tư của công trình Với các công trình thấp tầng, chi phí xây dựng chiếm phần lớn trong tổng mức đầu tư Thống kê cho thấy, chi phí thiết bị trong công trình cao tầng chiếm đến 30% tổng mức đầu tư công trình Vì thế, định nghĩa thế nào là công trình cao tầng sẽ có ảnh hưởng rất lớn quyết định đầu tư xây dựng công trình cũng như tính năng sử dụng của nó
Việc đưa ra một định nghĩa nhà cao tầng dựa theo chiều cao nhà hoặc số tầng có những khó khăn nhất định, đặc biệt khi kỷ lục chiều cao các công trình liên tục bị phá vỡ
Vì thế, trong một hội nghị về nhà cao tầng được tổ chức tại Matxcơva, Ủy ban quốc tế về nhà cao tầng đưa ra định nghĩa chung nhất cho nhà cao tầng như sau: Một công trình xây dựng được xem là cao tầng tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường khác
Tại thời điểm hiện tại, để phân biệt nhà cao tầng, nhiều tầng và thấp tầng được rõ ràng và từ đó đưa ra những quy định cụ thể cho các nhà có chiều cao lớn, đã có một số quy định cụ thể như sau:
Về mặt kiến trúc có TCXDVN 323 : 2004 Nhà ở cao tầng Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng để thiết kế cho nhà ở căn hộ có chiều cao từ 9 đến 40 tầng Tiểu chuẩn này đã tạm thời bị hủy bỏ do có thay đổi về cách đặt tên hệ thống tiêu chuẩn nhưng chưa có tiêu chuẩn thay thế
Về mặt kết cấu có TCVN 198 : 1997 Nhà cao tầng Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối cũng đã bị hủy bỏ Tiêu chuẩn này không quy định chiều cao bắt đầu được xem xét là nhà cao tầng mà chỉ nêu ra chiều cao tối đa của công trình khi áp dụng tiêu chuẩn là 75m
Về phòng cháy chữa cháy cho nhà cao tầng, TCVN 6160 – 1996 Phòng cháy chữa cháy – Nhà cao tầng – Tiêu chuẩn thiết kế quy định: Nhà cao tầng là nhà và các công trình công cộng có chiều cao từ 25m đến 100m (tương đương từ 10 tầng đến 30 tầng)
Trên thế giới còn nhiều định nghĩa khác về nhà cao tầng, chủ yếu tập trung ở lĩnh vực phòng cháy chữa cháy:
Tiêu chuẩn NFPA, Tiêu chuẩn an toàn sinh mạng của Hiệp hội phòng cháy quốc gia Mỹ định nghĩa nhà cao tầng cao trên 23m, tương ứng với khoảng 7 tầng
Hội thảo quốc tế về an toàn cháy cho nhà cao tầng định nghĩa: Công trình cao tầng là công trình mà chiều cao của nó có ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc thoát nạn
Nhìn chung, nhà cao tầng được hiểu là nhà có chiều cao vượt quá tầm với của thiết bị chữa cháy, tức khoảng 23m, tương đương với 7 tầng
Hội đồng tiêu chuẩn Emporis (một công ty về dữ liệu bất động sản có trụ sở tại Humburg, Đức, được coi là nguồn dữ liệu chính thức về các công trình nhà cửa) định nghĩa nhà cao tầng là nhà có chiều cao từ 35 đến 100m, hoặc số tầng từ 12 đến 39 tầng, nhà siêu cao tầng là nhà có chiều cao trên 100m
Một số kỹ sư kết cấu định nghĩa nhà cao tầng là nhà mà tải trọng ngang quan trọng hơn tải trọng thẳng đứng
Sự phân loại nhà cao tầng chỉ mang tính chất tương đối, theo từng mục đích cụ thể Dưới đây giới thiệu một số cách phân loại
Nhà cao tầng thường được dùng làm nhà ở, văn phòng, khách sạn, bệnh viện, trung tâm thương mại hoặc hỗn hợp nhiều chức năng b) Phân loại theo chiều cao hoặc số tầng
Theo cách phân loại trước đây, nhà cao tầng được chia làm 4 nhóm:
Nhóm I: 9 16 tầng (chiều cao dưới 50 m)
Nhóm II: 17 25 tầng (chiều cao dưới 75 m)
Nhóm III: 26 40 tầng (chiều cao dưới 100 m)
Nhóm IV: trên 40 tầng (chiều cao trên 100 m) c) Theo hình thức kết cấu chịu lực
Cấu kiện chịu lực ngang là thành phần chính của kết cấu nhà cao tầng Tùy theo hình thức cấu tạo có thể phân thành:
Nhà có kết cấu chịu lực ngang là hệ thanh như kết cấu khung hoặc kết cấu giằng (giàn thẳng đứng)
Nhà có kết cấu chịu lực ngang là các tấm vách bê tông cốt thép hoặc vách thép, có thể kết hợp với nhau để tạo nên các hình dạng mặt bằng phức tạp như chữ C, hình hộp
Nhà có kết cấu chịu lực ngang là hệ kết hợp (kết hợp hệ thanh và hệ vách) d) Theo vật liệu
Nhà cao tầng bê tông cốt thép: cột, vách, dầm, sàn dùng bê tông cốt thép
Nhà cao tầng liên hợp: Các cấu kiện nhìn chung dùng kết cấu liên hợp Cột có thể là bê tông cốt cứng hoặc thép nhồi bê tông Vách cứng tiết diện thường lớn nên dùng bê tông cốt thép thông thường là đủ, đôi khi bổ sung thép hình tại các đầu mút nhằm mục đích gia cường Dầm dùng bê tông cốt cứng để dễ liên kết với cột
Sử dụng sàn liên hợp để tăng tốc độ thi công
Nhà cao tầng kết cấu thép: Cột, vách dùng kết cấu thép Dầm bằng thép kết hợp với bản sàn liên hợp cùng chịu lực
Nhà cao tầng kết cấu hỗn hợp: là nhà sử dụng từ 2 loại kết cấu đã nêu ở trên, như cột dùng bê tông cốt cứng, dầm sàn sử dụng bê tông cốt thép thông thường e) Theo hình thức xây dựng
Nhà cao tầng xây dựng toàn khối: là kết cấu nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép đổ trực tiếp tại hiện trường
Nhà cao tầng lắp ghép: là kết cấu được hình thành từ các cấu kiện đúc sẵn tại nhà máy như cột, dầm, panen, đến công trường chỉ ráp nối bằng các mối nối chuyên nhưng vì tiến độ của sàn liên hợp độc lập với phần kết cấu chính bằng thép nên vẫn có thể coi là kết cấu lắp ghép
Những đặc điểm cơ bản của kết cấu nhà cao tầng
Tải trọng ngang là chủ đạo: Do chiều cao nhà lớn, trong khi bề rộng nhà bị giới hạn bởi điều kiện sử dụng, nên tỷ lệ chiều cao trên bề rộng lớn, ảnh hưởng của tải trọng ngang lên hệ kết cấu sẽ vượt trội so với tải trọng đứng Khi nghiên cứu kết cấu, cần phải đặt tải trọng ngang và các bộ phận kết cấu chịu tải trọng ngang lên vị trí ưu tiên hàng đầu
Tải trọng thẳng đứng lớn: Mặc dù tải trọng ngang là chủ đạo, nhưng do số lượng tầng nhiều nên tải trọng đứng cũng rất lớn, lại phân bố trên diện tích hẹp, nên thường phải dùng giải pháp móng sâu Việc giảm tải trọng đứng cần được coi trọng, vì không những giảm trọng lượng tác dụng lên móng mà còn giảm khối lượng tham gia động đất, thông qua đó giảm ảnh hưởng của động đất lên kết cấu Trong nhà cao tầng, tải trọng thẳng đứng chủ yếu do trọng lượng bản thân kết cấu và tường xây, vì thế nên sử dụng vật liệu cường độ cao cho kết cấu, còn tường sử dụng vật liệu nhẹ hoặc thay thế bằng các vách ngăn nhẹ
Kết cấu móng phức tạp và thường có tầng hầm: Ngoài yêu cầu sử dụng, tầng hầm còn có tác dụng làm giảm trọng tâm, tăng độ ổn định cho công trình Tuy nhiên, việc xây dựng tầng hầm có nhiều vấn đề phức tạp, đặc biệt là trong các đô thị với nhiều công trình lân cận Kết hợp với móng sâu, kích thước cấu kiện móng như cọc, đài cọc… đều lớn nên đòi hỏi máy móc thi công phải hiện đại, kinh nghiệm thi công cần phong phú,thuần thục
Hình 1-34 So sánh nhà cao tầng và nhà nhiều tầng
Nhạy cảm với lún lệch: Lún lệch cục bộ thường làm nứt tường ngăn, ảnh hưởng đến tính năng sử dụng Khi lún lệch lớn có thể sinh ra vết nứt trên kết cấu dầm, đài móng Do tỷ lệ chiều cao và bề rộng nhà lớn, lún nghiêng rất nguy hiểm với nhà cao tầng, vì thế cần đảm bảo móng công trình được đặt vào lớp đất tốt ít lún
Dao động riêng có ảnh hưởng lớn đến tính năng chịu lực của kết cấu nên cần được kiểm soát chặt chẽ: Dao động riêng được thể hiện qua chu kỳ T Chu kỳ T càng lớn, kết cấu càng mềm và ngược lại Thông thường, kết cấu càng mềm càng linh hoạt trong động đất, nhờ đó giảm ảnh hưởng của động đất lên kết cấu Tuy nhiên, dưới tác dụng của các loại lực ngang cưỡng bức như tải trọng gió, kết cấu mềm có các hiệu ứng chuyển vị lớn, làm hỏng các kết cấu bao che và gây cảm giác bất an cho người sử dụng Tiêu chuẩn đưa ra điều kiện hạn chế chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng tương đối và gia tốc đỉnh công trình Như vậy, cần khống chế dao động riêng của công trình để chu kỳ riêng T ở trong phạm vi thích hợp
Kết cấu phần thân cũng đòi hỏi trình độ thi công cao: Dẫn tim cốt lên các tầng cao, vận chuyển vật liệu lên cao … đều phức tạp hơn các công trình thấp và nhiều tầng nên đã có nhiều thiết bị, máy móc được chế tạo và sản sinh ra nhiều công nghệ mới phục vụ thi công nhà cao tầng
Chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết cấu liên quan mật thiết với kích thước kết cấu Nhà cao tầng có chiều cao lớn nên biến dạng nhiệt theo phương thẳng đứng ở hàng cột ngoài khá rõ rệt, khi tính toán phải được xem xét một cách thỏa đáng
Hệ thống cơ điện hiện đại, đan xen phức tạp, làm ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu: Việc các mặt bằng sử dụng ở trên cao làm phát sinh nhiều vấn đề mới như giao thông chủ đạo là thẳng đứng, giải pháp thoát hiểm khi có thiên tai, hỏa hoạn, sự giảm áp suất theo chiều cao làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người… từ đó đòi hỏi hệ thống phụ trợ (cơ điện) phải có sự thích ứng Nhìn chung, hệ thống cơ điện trong nhà cao tầng rất phức tạp, liên quan đến nhiều lĩnh vực, dễ xung đột, buộc hệ thống kết cấu phải linh hoạt, phù hợp với hệ thống cơ điện.
Ưu nhược điểm của kết cấu nhà cao tầng bằng thép
Như đã nêu ở trên, vật liệu sử dụng trong nhà cao tầng ưu tiên chủng loại có cường độ cao, trong đó có vật liệu thép So với kết cấu bê tông, kết cấu thép có những ưu điểm sau:
Vật liệu thép có cường độ lớn hơn nhiều lần so với các vật liệu xây dựng thông dụng khác hiện nay Cấp độ bền của bê tông dùng trong nhà cao tầng đã có những bước tiến đáng kể, tuy nhiên vẫn kém vật liệu thép đến hơn 10 lần Nhờ cường độ cao nên kết cấu thép cho phép triển khai các loại công trình cao hơn, nhiều tầng hơn so với dùng các vật liệu khác
Trọng lượng kết cấu nhẹ
Mặc dù trọng lượng riêng của vật liệu thép gấp 3 lần bê tông cốt thép, nhưng do có cường độ cao nên tiết diện cấu kiện thép nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép trong cùng một điều kiện làm việc đến cả chục lần Tích giữa trọng lượng riêng và diện tích tiết diện chính là trọng lượng của kết cấu, cho thấy kết cấu thép nhẹ hơn kết cấu bê tông cốt thép khoảng 3 lần, nhờ thế giảm bớt tác động của động đất, giảm bớt gánh nặng cho kết cấu nền móng, giúp giải pháp nền móng trở nên đơn giản hơn, tính khả thi được nâng lên
Tốc độ thi công nhanh
Kết cấu thép là kết cấu lắp ghép Cấu kiện được sản xuất tại nhà máy trên các dây chuyền chuyên dụng, năng suất cao, chất lượng tốt, mang đến công trường chỉ cần lắp ráp bằng bu lông, đinh tán hoặc liên kết hàn nên không có thời gian chờ đợi như trong kết cấu bê tông cốt thép toàn khối Tốc độ thi công kết cấu thép hiện nay khoảng 2,5 tầng/ngày, của kết cấu bê tông cốt thép khoảng 5 đến 10 ngày Tuy nhiên, kết cấu lắp ghép có thể thi công nhanh hơn nhiều nếu có đủ điều kiện thuận lợi Mới đây, công ty
City cao 57 tầng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép chỉ trong 19 ngày Tốc độ thi công là một trong những yếu tố quyết định sự thành công của dự án Rút ngắn thời gian thi công tránh được những yếu tố bất lợi phát sinh ngoài dự kiến (như sự thay đổi chính sách của nhà nước, sự lên xuống của thị trường ), đưa dự án vào sử dụng sớm, giảm bớt chi phí liên quan đến thời gian thực hiện dự án (như lãi vay ngân hàng, chi phí thuê thiết bị, chuyên gia)
Dễ đục lỗ, thuận tiện lắp đặt hệ thống kỹ thuật
Hệ thống đường ống kỹ thuật phục vụ sinh hoạt trong nhà cao tầng rất đa dạng và phức tạp, thường chiếm một khoảng không gian đáng kể dưới kết cấu dầm sàn Chiều cao sử dụng của một tầng sẽ còn rất hạn chế sau khi đã trừ đi chiều cao kết cấu và chiều cao hệ thống kỹ thuật Để tăng chiều cao sử dụng trong khi không tăng chiều cao tầng, có thể cho các ống kỹ thuật đi xuyên qua bụng dầm, tức chiều cao kết cấu và kỹ thuật nhập làm một Kết cấu thép dễ chế tạo các lỗ xuyên dầm hơn kết cấu bê tông cốt thép toàn khối Với kết cấu thép, thậm chí có thể chế tạo dầm đục lỗ liên tục trên bản bụng, rất thuận tiện cho hệ thống kỹ thuật vì có thể linh hoạt thay đổi vị trí ống kỹ thuật đi ngang qua bụng dầm tại thời điểm lắp đặt
Khả năng vượt nhịp lớn hơn
Nhà cao tầng có thể có những không gian khá lớn Trọng lượng nhẹ, cường độ cao giúp kết cấu thép phù hợp với nhịp lớn, nên có thể thỏa mãn yêu cầu đó
Thép có tính dẻo cao hơn nhiều so với bê tông cốt thép, nên khả năng kháng chấn tốt hơn Số liệu thống kê tình hình phá hoại của hai loại kết cấu thép và bê tông cốt thép trong trận động đất năm 1985 tại Matxcơva tại Bảng 1-1 cho thấy rõ đánh giá này
Bảng 1-1 Thống kê ảnh hưởng của động đất năm 1985
Năm xây dựng Trước 1957 1957~1976 Sau 1976 Tổng cộng
Chất lượng dễ đảm bảo
Nhờ sản xuất tại nhà máy trên các thiết bị chuyên dụng với đội ngũ công nhân được đào tạo chuyên nghiệp có tay nghề cao, sản phẩm sau khi chế tạo có thể được kiểm tra bằng thiết bị chuyên dụng hiện đại nên chất lượng kết cấu thép rất đảm bảo
Sản xuất kết cấu thép tại nhà máy, lắp dựng tại công trường đều không gây ra bụi hoặc tiếng ồn, dễ dàng thỏa mãn các yêu cầu về bảo vệ môi trường xung quanh Đây là một yếu tố quan trọng cần phải xem xét khi thi công tại vùng có đông dân cư
Kết cấu bê tông cốt thép khi không còn sử dụng nữa chỉ có cách phá hủy toàn bộ và sử dụng làm phế liệu Phần không sử dụng được chuyển đến các bãi thải làm ảnh hưởng đến môi trường
Kết cấu thép có thể tháo dỡ khi không còn sử dụng Các cấu kiện sau khi tháo dỡ gần như còn nguyên vẹn, có thể tái sử dụng ngay hoặc dễ dàng thông qua một số điều chỉnh để sử dụng lại Trường hợp không muốn sử dụng lại có thể dùng làm nguyên liệu
Giới thiệu một số nhà cao tầng sử dụng kết cấu thép trong và ngoài nước 40
Tòa nhà cao tầng bằng thép cao nhất hiện nay là Willis Tower (còn gọi là Sears Tower), được xây dựng ở thành phố Chicago, Mỹ
Hình 1-35 Tòa nhà Willis building
(- http://skyscrapercenter.com/building/willis-tower/169 -)
Willis Tower được bắt đầu xây dựng vào năm 1970, hoàn thành vào năm 1974 và giữ kỷ lục tòa nhà cao nhất thế giới trong 25 năm Sears, Roebuck and Company, chủ đầu nhân viên, đã quyết định xây tòa nhà ở Chicago để tập trung toàn bộ nhân viên đang làm việc rải rác tại nhiều nơi, sau đó kết hợp làm văn phòng cho thuê Tòa nhà có 108 tầng nổi, 3 tầng hầm Chiều cao tầng điển hình 3,96m Tổng chiều cao kiến trúc 442,1m Chiều cao đến đỉnh là 527m Tòa nhà có 104 thang máy, với tốc độ lớn nhất có thể đạt đến 8,1m/s Diện tích sử dụng 416.000m 2 Công ty thiết kế Skidmore, Owings & Merrill LLP đã sử dụng vật liệu bọc tòa nhà là hợp kim nhôm đen và kính giảm chói màu vàng
Do yêu cầu của chủ đầu tư, kiến trúc sư phải thiết kế những không gian rất linh hoạt, vừa cần đủ lớn để làm phòng họp cho công ty Sear, vừa phải có khả năng phân chia thành những không gian nhỏ theo yêu cầu của nhiều khách thuê khác nhau Để thỏa mãn yêu cầu đó, các kỹ sư đã sử dụng một dạng kết cấu kiểu mới, đó là kết cấu hộp, với ưu điểm là có thể tạo ra các không gian rất lớn không có vách kết cấu (vách cố định) bên trong Tòa nhà Sear tower được tạo nên bằng một cụm 9 hộp như thế Kích thước một cạnh của mỗi hình hộp là 23m, với 6 cột trên một cạnh, khoảng cách cột 5,6m Các khối cạnh nhau sử dụng chung một hàng cột Ngoài việc sử dùng dầm các tầng để liên kết các cột trong một hộp với nhau, kỹ sư đã bố trí 3 giàn ngang ở các tầng kỹ thuật để tăng cường liên kết giữa các hộp Giàn ngang không những giúp kết cấu 9 hộp làm việc như một khối thống nhất trước các tải trọng gió bão và động đất, mà còn giúp truyền bớt lực đứng tác dụng lên các cột khu vực giữa ra biên (do chiều cao chênh lệch giữa các khối nên khối giữa cao nhất sẽ chịu lực nhiều hơn các khối khác), từ đó giảm lún lệch cho toàn hệ kết cấu Kết cấu này về sau đã được áp dụng vào nhiều tòa nhà khác như World Trade Center và Burj Khalifa
Hình 1-36 Các khối của tòa nhà nhìn từ trên cao http://www.searstower.org/articles.html
Hình 1-37 Sơ đồ các khối của tòa nhà https://en.wikipedia.org/wiki/Willis_Tower
Hình 1-38 Hệ cột biên dày đặc tạo nên kết cấu hộp của Willis building http://www.willistower.com/building-information/history-and-facts/
Tổng khối lượng công trình là 220.500 tấn Tỷ lệ chiều cao và bề rộng tòa nhà là 6,4 Để tăng tốc độ thi công công trình, hạn chế tối đa công tác hàn tại hiện trường, Sear tower đã sử dụng các mô đun lắp ghép cỡ lớn Một mô đun lắp ghép bao gồm 1 cấu kiện cột cao 2 tầng và 4 nửa dầm gắn vào hai bên cột Liên kết hàn trong mô đun được thực hiện tại nhà máy Tại công trường, sử dụng liên kết bu lông có bản ghép để liên kết cột và dầm
Hình 1-39 Tòa nhà Empire State Building
(- http://skyscrapercenter.com/building/empire-state-building/261-)
Tọa lạc tại đại lộ 5 khu Midtown Manhattan của thành phố NewYork, Mỹ, Empire State Building từng là tòa nhà cao nhất thế giới vào những năm 1931 đến 1971
Tòa nhà được công ty kiến trúc Shreve, Lamb & Harmon Associates thiết kế theo phong cách Art Deco, là tiền thân của các nhà siêu cao tầng và từng được vinh danh là một trong bảy kỳ quan của thế giới hiện đại bởi Hiệp hội xây dựng dân dụng Mỹ Empire State Building có 102 tầng nổi, 1 tầng hầm, tổng chiều cao kiến trúc là 381m, chiều cao đến đỉnh là 443,2m Diện tích xây dựng 7.340m 2 , tổng diện tích sàn 208.879 m 2 Số lượng thang máy sử dụng trong tòa nhà là 73 chiếc Được xây dựng bắt đầu từ năm 1930, chỉ mất 14 tháng tòa nhà đã được hoàn thành, đạt tốc độ thi công mà nhiều công trình cao tầng hiện nay còn phải ngưỡng mộ Đây là tòa nhà văn phòng nổi tiếng nhất thế giới và được yêu thích nhất của Mỹ theo Viện kiến trúc Mỹ Hiện nay Empire State Building vẫn nằm trong số 25 tòa nhà cao nhất thế giới
Năm 2009, Empire State Building đã có một sự lột xác ngoạn mục, với đầu tư 106 triệu đô la vào trang thiết bị tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường để biến tòa nhà thành tòa nhà phát triển bền vững nhất mọi thời đại Sau khi tân trang lại, mỗi năm có thể tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành 4,4 triệu đô la Empire State Building đã được xếp hạng vàng trong bảng xếp hạng của những công trình dẫn đầu về năng lượng và môi trường (LEED)
Hình 1-40 Hình ảnh xây dựng của Empire State Building
(- http://www.theblogmocracy.com/2011/09/04/construction-of-the-empire-state-building/ -)
Kết cấu chính của Empire State Building là kết cấu thép Tất cả các cấu kiện thép được gia công ở nhà máy, với độ chính xác dưới 2mm, vận chuyển và lắp ráp tại công trường Thời gian để chế tạo, vận chuyển và lắp ráp 1 cấu kiện khoảng 3 ngày Sau khi lắp đặt tại vị trí thiết kế, các cấu kiện thép được bảo vệ bằng gạch đất nung và bê tông dày 2,5 đến 5 cm, cuối cùng được bọc bởi lớp hoàn thiện bằng đá Chính nhờ thế khả năng chống cháy của Empire State Building hơn hẳn World Trade Center Liên kết giữa các cấu kiện sử dụng bu lông và đinh tán Tổng lượng thép sử dụng trong công trình là 57.000 tấn
Hình 1-41 Kết cấu bên trong của Empire State Building
(- http://blog.yinnyang.co.uk/2013/07/empire-state-building-under-construction/ -)
Các kết cấu sử dụng bê tông cốt thép bao gồm kết cấu móng và kết cấu sàn Sàn bê tông và hoàn thiện dày 20cm Thể tích bê tông đã dùng là 47.400 m 3
Tổng trọng lượng công trình 365.000 tấn Số lượng công nhân đỉnh điểm đạt 3.500 người Tốc độ thi công đạt 4,5 sàn / tuần
Hình 1-42 Thi công nối cột của Empire State Building
(- http://blog.yinnyang.co.uk/2013/07/empire-state-building-under-construction/ -)
Hình 1-43 Sàn bê tông cốt thép của Empire State Building
(-http://glamgrid.com/amazing-pictures-of-the-empire-state-building-under-construction/amazing-pictures-of-the- empire-state-building-under-construction-25/ -)
Nhà cao tầng bằng thép hiện chưa phát triển ở Việt Nam do giá thành còn tương đối cao Tại đây giới thiệu 2 công trình bằng thép, đó là Nhà hoạt động đa năng 169
Nguyễn Ngọc Vũ và Tòa nhà H-098 và T-106 thuộc Khu tái định cư phường 11 - quận 6
Hình 1-44 Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ
Nằm trên trục đường nối liền giữa đường Trần Duy Hưng và Lê Văn Lương, thành phố Hà Nội, Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ được xây dựng trên diện tích 1050m 2 , gồm có 2 tầng hầm và 21 tầng nổi Diện tích một sàn xây dựng là 618m 2 Tổng diện tích xây dựng là 12.330m 2 Đây là một trong những công trình nhà cao tầng đầu tiên sử dụng kết cấu thép tại Việt Nam Tiết diện cấu kiện như sau: cột dùng thép hình HEB650 - HEB200; dầm, thanh giằng sử dụng thép hình HEA120 - HEA 280 Kết cấu sàn sử dụng sàn 3D bằng bê tông cốt thép toàn khối Kết cấu chống lực ngang chính sử dụng lõi bê tông cốt thép
Hình 1-45 Lõi cứng bằng bê tông cốt thép kết hợp hệ khung thép
(-http://www.cowaelmic.com.vn/vi-VN/Home/tintucsukien/tinnoibat/2011/05/2319.aspx -)
(- http://www.cowaelmic.com.vn/vi-VN/Home/tintucsukien/tinnoibat/2011/10/2432.aspx -)
Hình 1-47 Dự án đầu tư xây dựng Khu tái định cư phường 11 - quận 6 - TP.Hồ Chí
Khu tái định cư phường 11 quận 6 gồm hai toà nhà H-098 và T-106, mỗi toà cao
15 tầng Tổng diện tích xây dựng 51.619m 2 (trong đó diện tích của toà nhà H-098 là 30.971m 2 và toà nhà T-106 là 20.648m 2 ) Tổng mức đầu tư 477,35 tỷ VNĐ
Kết cấu chống lực ngang chính sử dụng lõi bê tông cốt thép Hệ dầm cột sử dụng kết cấu thép Kết cấu sàn sử dụng sàn 3D bằng bê tông cốt thép toàn khối
Hình 1-48 Lõi cứng bằng bê tông cốt thép kết hợp hệ khung thép
(- http://www.cowaelmic.com.vn/vi-VN/Home/investment/duandangdautu/2009/11/1788.aspx -)
(- http://www.cowaelmic.com.vn/vi-VN/Home/investment/duandangdautu/2009/11/1788.aspx -)
Trình tự thiết kế kết cấu của một công trình cao tầng bằng thép
Thiết kế công trình là một quá trình làm việc tập thể với sự tham gia của nhiều người thuộc nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau, vì vậy mỗi người không những phải hiểu rõ nhiệm vụ của bản thân mà còn phải nắm chắc trình tự thiết kế chung để có thể phối hợp nhuần nhuyễn với các thành viên khác Từ trình tự thiết kế chung người lãnh đạo sẽ có cái nhìn tổng thể về công việc và đưa ra được chương trình làm việc, xây dựng bảng phân công công việc, tiến độ thực hiện và phương thức phối hợp hợp tác giữa các thành viên trong nhóm thực hiện dự án Trong tổng thể chung đó, trình tự thiết kế kết cấu một công trình cao tầng bằng thép bao gồm: a) Nghiên cứu hồ sơ liên quan Để có được giải pháp kết cấu tốt, cần phải có sự phối hợp chặt chẽ với nhiều bộ môn chuyên ngành khác Các hồ sơ liên quan bao gồm hồ sơ kiến trúc, cơ điện, báo cáo khảo sát địa hình địa mạo, địa chất thủy văn, điều kiện khí hậu… và nhiều hồ sơ khác
Hồ sơ có tính quyết định đối với giải pháp kết cấu thép phần thân là các mặt bằng, mặt đứng, mặt cắt kiến trúc Từ công năng được thể hiện trên hồ sơ kiến trúc, người kỹ sư sẽ quyết định hình thức kết cấu, cách bố trí hệ cột vách lõi trên mặt bằng, giải pháp dầm sàn, kích thước sơ bộ của các cấu kiện Hồ sơ tổng mặt bằng cho các số liệu về các công trình lân cận, đặc biệt quan trọng khi nhà có tầng hầm Các yêu cầu của cơ điện đôi khi dẫn đến việc phải thay đổi vị trí hoặc đục các lỗ mở trên thân dầm cột Báo cáo địa hình địa mạo hoặc bản vẽ hiện trạng có tác dụng khi địa hình không bằng phẳng, phải làm móng lệch hoặc các tường kè chắn đất Hồ sơ địa chất thủy văn có ảnh hưởng đến giải pháp móng và tầng hầm, vì thế cũng liên quan đến kết cấu phần thân (như việc chọn kết cấu thép để giảm tải cho móng) Kết cấu thép chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện khí hậu, nhất là các công trình được xây dựng sát biển b) Lựa chọn giải pháp kết cấu
Giải pháp kết cấu do kỹ sư kết cấu xác định, nhưng cần có sự thảo luận liên tục với các bộ môn kiến trúc và cơ điện để không những thỏa mãn yêu cầu chịu lực, kinh tế mà còn đảm bảo công năng, hình thức của kiến trúc cũng như yêu cầu của cơ điện Lựa chọn giải pháp kết cấu bao gồm lựa chọn hình thức kết cấu, lựa chọn vật liệu, bố trí các cấu kiện trên mặt bằng và phương đứng, xác định sơ bộ tiết diện các cấu kiện Giải pháp kết cấu sẽ được thể hiện trên mặt bằng kết cấu Công tác này đòi hỏi các kỹ sư phải có kinh nghiệm dày dặn trong thiết kế kết cấu c) Phân tích kết cấu
Trên cơ sở giải pháp kết cấu đã lựa chọn và bản vẽ mặt bằng kết cấu, người kỹ sư lập ra sơ đồ tính rồi dùng các phần mềm chuyên dụng như SAP, ETAB… để tính toán ra nội lực, chuyển vị của kết cấu Lập sơ đồ tính bao gồm xác định cách thức mô hình hóa các cấu kiện trong thực tế của kết cấu thành các phần tử của chương trình, xác định các kích thước trong sơ đồ và dựng sơ đồ trong chương trình, lựa chọn gối tựa, lựa chọn liên kết giữa các phần tử, gán sơ bộ độ cứng tương đối giữa các phần tử (hoặc cho vật liệu và tiết diện sơ bộ), tính toán và gán các loại tải trọng, định nghĩa cách thức tổ hợp tải trọng Kết quả phân tích kết cấu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nền tảng lý thuyết của chương trình tính, khả năng kiểm soát lỗi của người lập trình, số lượng bài toán kiểm tra được thực hiện trước khi đưa chương trình vào sử dụng, các lỗi xung đột của hệ thống máy tính, khả năng sử dụng chương trình của người dùng Thông thường các chương trình chạy ngầm và chỉ đưa ra kết quả nên rất khó kiểm soát Công trình xây dựng có liên quan đến tính mạng của nhiều người, khi tính toán kết cấu cần rất thận trọng, do đó phải có những kỹ sư có kinh nghiệm kiểm tra lại kết quả xuất ra từ chương trình trước khi đưa vào tính toán ở những phần tiếp theo
Các tiêu chuẩn dùng trong phần này là các tiêu chuẩn về tải trọng như TCVN
2737 : 1995 hoặc TCVN 9386 : 2012 d) Thiết kế, kiểm tra kết cấu
Công tác thiết kế hoặc kiểm tra kết cấu tuân theo các tiêu chuẩn về nhà cao tầng như TCXD 198 : 1997 và tiêu chuẩn chuyên dụng như thiết kế kết cấu thép TCVN 5575 :
2012, bê tông cốt thép TCVN 5574 : 2012 Đầu tiên cần kiểm tra tổng thể kết cấu như chống lật, chống trượt, chuyển vị đỉnh, chuyển vị tầng, gia tốc đỉnh công trình Sau đó tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực cũng như biến dạng của các cấu kiện Cuối cùng tính toán kiểm tra chi tiết liên kết
Quá trình tính toán kiểm tra được dựa trên tiết diện sơ bộ giả thiết ở mục (c) Khi tiết diện sơ bộ không thỏa mãn khả năng chịu lực hoặc dư quá nhiều thì cần phải tiến hành điều chỉnh, từ đó dẫn đến phải chạy lại chương trình tính toán nội lực Đây là quá trình tính toán lặp e) Lập hồ sơ kết cấu
Hồ sơ thi công được lập trên cơ sở mặt bằng kết cấu và các tính toán ở mục (d) bao gồm: Thuyết minh chung, hồ sơ bản vẽ thi công, thuyết minh tính toán và chỉ dẫn kỹ thuật Thuyết minh chung tổng hợp nội dung về giải pháp kết cấu, các thông số dùng để thiết kế… Hồ sơ bản vẽ thi công phục vụ công tác chế tạo và lắp đặt Đối với kết cấu thép chú ý phải triển khai chi tiết đến từng bộ phận nhỏ nhất để phục vụ công tác chế tạo tại nhà máy Thuyết minh tính toán dùng để chủ đầu tư và tư vấn thẩm tra đối chiếu khi kiểm tính lại kết cấu Chỉ dẫn kỹ thuật là hồ sơ nêu lên các vấn đề không được thể hiện trong hồ sơ bản vẽ thi công như các yêu cầu cụ thể hơn đối với vật liệu, yêu cầu về thi công và nghiệm thu, yêu cầu quan trắc lún, yêu cầu thí nghiệm, quy trình bảo trì và nhiều vấn đề khác
Dưới đây là sơ đồ thiết kế kết cấu nhà cao tầng bằng thép
Hình 1-50 Sơ đồ thiết kế nhà cao tầng bằng thép