Giải pháp hạn chế chuyển vị tương đối giữa các tầng trong nhà cao tầng có kết cấu chuyển

Mục tiêu nghiên cứu - Đưa ra các giải pháp hạn chế chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng trong nhà cao tầng có kết cấu chuyển chịu tải trọng gió.. Dưới tác dụng của các loại tải trọng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUANG KHÁNH

GIẢI PHÁP HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TẦNG TRONG NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU CHUYỂN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu“Giải pháp hạn chế chuyển vị tương đối giữa các tầng trong nhà cao tầng có kết cấu chuyển”là của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Quang Hưng

Các số liệu, 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

Lê Quang Khánh

Tóm tắt – Chuyển vị ngang trong nhà nhiều tầng dưới tác động của tải trọng ngang thường

không thỏa điều kiện khống chế về chuyển vị, vì vậy phải có giải pháp để hạn chế chuyển vị này Từ một công trình thực tế, sau khi kiểm tra không thỏa điều kiện về khống chế chuyển vị, tác giả đề ra giải pháp hạn chế chuyển vị ngang này Giải pháp đưa ra: Lựa chọn lại tiết diện vách cứng để hạn chế chuyển vị ngang của công trình Phương án 1: Tăng đều tiết diện vách từ dày 200mm lên 250mm toàn bộ công trình Phương án 2: Tăng tiết diện vách thay đổi theo chiều cao tầng từ tầng trệt đến tầng 8 lên 300mm, từ tầng 9 đến tầng mái giữ nguyên 200mm

Cả 2 phương án đều cho kết quả thỏa điều kiện về khống chế chuyển vị

Từ khóa: Chuyển vị, nhà nhiều tầng, tải trọng, vách cứng

SOLUTIONS LIMITED OF TRANSPOSITION OF THE RELATIVITY BETWEEN THE FLOORS IN HIGH-RISE BUILDINGS WITH TRANSFER BEAMS

Abstract - Horizontal displacement in multi-storey buildings under the influence of

horizontal load is often not satisfactory for control of displacement, so there must be a solution to limit this displacement From a real building, after checking it is not eligible for control of transfer, the author proposed a solution to limit this horizontal displacement Solution given: Re-select the hard wall section to limit horizontal displacement of the building Option 1: Increasing the wall cross section from 200mm to 250mm in the whole building Option 2: Increasing wall cross section changes according to the floor height from ground floor to 8th floor to 300mm, from the 9th floor to the roof floor to keep 200mm Both options give satisfactory results for displacement control

Keywords: Displacement, multi-storey, load, hard walls

GIẢI PHÁP HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TẦNG

TRONG NHÀ CAO TẦNG CÓ KẾT CẤU CHUYỂN

Học viên: Lê Quang Khánh Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K34-KH Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nguyên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG VÀ KẾT CẤU CHUYỂN CHO NHÀ NHIỀU TẦNG 3

1.1 Khái niệm chung về nhà nhiều tầng 3

1.3 Phân loại nhà nhiều tầng 5

1.4 Các hệ chịu lực cơ bản của nhà nhiều tầng 5

1.4.1 Hệ khung chịu lực 5

1.4.2 Hệ tường chịu lực 7

1.4.3 Hệ lõi chịu lực 8

1.4.4 Hệ hộp chịu lực 9

1.5 Các hệ chịu lực hỗn hợp 10

1.5.1 Hệ khung – tường chịu lực 10

1.5.2 Hệ khung – lõi chịu lực 11

1.5.3 Hệ khung – hộp chịu lực 11

1.5.4 Hệ hộp - tường chịu lực 11

1.5.5 Hệ hộp – lõi chịu lực 11

1.6 Các hệ chịu lực đặc biệt 12

1.6.1 Hệ kết cấu có tầng cứng 12

1.6.2 Hệ kết cấu có hệ giằng liên tầng 13

1.6.3 Hệ kết cấu có hệ khung ghép 14

1.6.4 Hệ kết cấu có hệ thống dầm chuyển 14

1.7 Tổng quan về dầm chuyển 15

1.7.1 Khái niệm về dầm chuyển 15

1.7.2 Phân loại dầm chuyển 15

1.7.3 Phân tích trạng thái làm việc của dầm chuyển 16

1.8 Kết luận Chương 1 17

CHƯƠNG 2 TẢI TRỌNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ NHÀ NHIỀU TẦNG 18

2.1 Khái quát về tải trọng tác dụng lên nhà nhiều tầng 18

2.1.1 Khái niệm chung về tải trọng 18

2.1.2 Phân loại tải trọng 18

2.1.3 Cách xác định tải trọng 20

2.2 Các vấn đề thiết kế trong nhà nhiều tầng 26

2.2.1 Đảm bảo các yêu cầu 26

2.2.2 Sự làm việc của hệ kết cấu nhà nhiều tầng 26

2.2.3 Phương pháp lựa chọn hệ kết cấu nhà nhiều tầng 27

2.2.4 Nguyên lý tính toán kết cấu nhà cao tầng 30

2.2.5 Nguyên tắc kiểm tra bền 31

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TẦNG CỦA NHÀ NHIỀU TẦNG CÓ KẾT CẤU CHUYỂN 33

3.1 Tổng quan về công trình 33

3.1.1 Thông tin chung 33

3.1.2 Giải pháp kiến trúc 33

3.2 Giải pháp kết cấu 36

3.2.1 Khối tháp 36

3.2.2 Khu vực bố trí khu thương mại, buôn bán 36

3.2.3 Hệ móng 36

3.3 Lựa chọn sơ bộ tiết diện các cấu kiện 36

3.3.1 Chọn sơ bộ tiết diện cột 36

3.3.2 Chọn sơ bộ tiết diện vách 38

3.3.3 Chọn sơ bộ tiết diện dầm 38

3.3.4 Tính toán tải trọng thẳng đứng 39

3.3.5 Tính toán tải trọng ngang 42

3.4 Đề xuất phương án giảm chuyển vị tương đối giữa các tầng 63

3.4.1 Phương án 1 63

3.4.2 Kiểm tra chuyển vị tương đối giữa các tầng 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC

PHẢN BIỆN

Bảng 1.1 Phân loại nhà cao tầng theo hội thảo quốc tế tại Moscow năm 1971 3

Bảng 1.2 Bảng nhà cao tầng theo định nghĩa của một số nước 4

Bảng 2.1 Bảng áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam 21

Bảng 2.2 Bảng giá trị giới hạn của tần số dao động riêng fL 22

Bảng 2.3 Bảng hệ số áp lực động của tải trọng gió  22

Bảng 2.4 Bảng Thang động đất MSK-64 24

Bảng 2.5 Bảng Thang động đất Richter 25

Bảng 2.6 Bảng chiều cao tối đa (m) và tỷ số giới hạn giữa chiều cao và chiều

rộng H/B 27

Bảng 2.7 Bảng giới hạn của L, B, l 28

Bảng 2.8 Bảng bề rộng tối thiểu của khe kháng chấn (mm) 28

Bảng 3.1 Chọn tiết diện dầm 39

Bảng 3.2 Tải trọng hoàn thiện sàn tầng lửng – tầng 28 39

Bảng 3.3 Tải trọng hoàn thiện sàn tầng kỹ thuật 40

Bảng 3.4 Tải trọng hoàn thiện sàn tầng mái 40

Bảng 3.5 Hoạt tải tác dụng 41

Bảng 3.6 Tính toán gió tĩnh theo phương X 43

Bảng 3.7 Chuyển vị tĩnh theo phương X (mm) 45

Bảng 3.8 Chu kỳ của các dạng dao động 46

Bảng 3.9 Kết quả tính toán với dạng dao động 1, tần số fx= 0.345 Hz 47

Bảng 3.10 Chuyển vị động với fx = 0.345 Hz (mm) 49

Bảng 3.11 Chuyển vị do gió phương X (mm) 50

Bảng 3.12 Kiểm tra chuyển vị tương đối giữa các tầng 52

Bảng 3.13 Tính toán gió tĩnh theo phương Y 54

Bảng 3.14 Chuyển vị tĩnh theo phương Y (đơn vị: mm) 56

Bảng 3.15 Chu kỳ của các dạng dao động theo phương Y 57

Bảng 3.16 Kết quả tính toán với tần số fy= 0.45 Hz 58

Bảng 3.17 Chuyển vị động theo phương Y (đơn vị: mm) 60

Bảng 3.18 Chuyển vị theo phương Y 61

Bảng 3.19 Kiểm tra chuyển vị tương đối giữa các tầng 62

Bảng 3.20 Chu kỳ của các dạng dao động theo phương X 65

Bảng 3.21 Kết quả tính toán với tần số fx= 0.351Hz 66

Bảng 3.22 Chuyển vị động theo phương X (f=0.351Hz) 68

Bảng 3.23 Chuyển vị theo phương X (f=0.351Hz) 69

Bảng 3.25 Chu kỳ của các dạng dao động theo phương Y 71

Bảng 3.26 Kết quả tính toán với tần số fy= 0.46Hz 72

Bảng 3.27 Chuyển vị động theo phương Y (f=0.46Hz) 74

Bảng 3.28 Chuyển vị theo phương Y 75

Bảng 3.29 Kiểm tra chuyển vị tương đối giữa các tầng 76

Bảng 3.30 Chu kỳ của các dạng dao động theo phương X 78

Bảng 3.31 Kết quả tính toán với tần số fx= 0.36Hz 79

Bảng 3.32 Chuyển vị động theo phương X( fx=0.36Hz) 81

Bảng 3.33 Chuyển vị theo phương X(mm) 82

Bảng 3.34 Kiểm tra chuyển vị tương đối giữa các tầng 83

Bảng 3.35 Chu kỳ của các dạng dao động theo phương Y 85

Bảng 3.36 Kết quả tính toán với tần số fy= 0.47Hz 86

Bảng 3.37 Chuyển vị động theo phương Y (fy= 0.47Hz) 88

Bảng 3.38 Chuyển vị theo phương Y 89

Bảng 3.39 Kiểm tra chuyển vị tương đối giữa các tầng 90

Hình 1.1 Một số loại mặt bằng nhà cao tầng hệ khung chịu lực 5

Hình 1.2 Hệ khung chịu lực có thanh xiên và thanh dàn ngang 6

Hình 1.3 Các sơ đồ hệ tường chịu lực 7

Hình 1.4 Hình dạng của vách cứng 7

Hình 1.5 Cách bố trí lõi cứng trong công trình 8

Hình 1.6 Hệ khung - tường chịu lực 10

Hình 1.7 Sơ đồ làm việc của hệ khung – tường chịu lực 10

Hình 1.8 Hệ khung – lõi chịu lực 11

Hình 1.9 Sơ đồ kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng 12

Hình 1.10 Biểu đồ mômen uốn khi có và không có tầng cứng 13

Hình 1.11 Sơ đồ làm việc của kết cấu khung biên với hệ giằng liên tầng 14

Hình 1.12 Sơ đồ làm việc của nhà cao tầng có hệ thống dầm chuyển 15

Hình 3.1 Mặt bằng tầng điển hình 34

Hình 3.2 Cấu tạo lỏi vách cứng 34

Hình 3.3 Mặt cắt đứng theo chiều dài công trình 35

Hình 3.4 Mô hình mô phỏng trong Etabs 42

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Nhà nhiều tầng là một giải pháp kiến trúc tối ưu để giải quyết vấn đề sử dụng hiệu quả quỹ đất và không gian sống cho các đô thị lớn trên thế giới Thực tế, nhà nhiều tầng ở nước ta và các nước trên thế giới đang ngày càng được xây dựng nhiều về

số lượng cũng như quy mô

Các công trình nhà nhiều tầng có thể áp dụng các dạng kết cấu chịu lực khác nhau Do yêu cầu của sử dụng và kiến trúc, một số công trình đôi khi có kết cấu theo chiều đứng thay đổi Giải pháp thường được áp dụng là sử dụng hệ kết cấu chuyển như dầm chuyển (transfer beam hay deep beam)

Trong những năm qua, xu hướng xây dựng những khối phức hợp cao tầng quy

mô lớn có nhiều khối công năng khác nhau như khối thương mại, khối phòng ngủ, khối dịch vụ,… và mỗi khối công năng khác nhau thường yêu cầu đặc điểm hệ kết cấu khác nhau, ví dụ như:

• Ở khối không gian công cộng, thương mại, dịch vụ, để xe,… thường yêu cầu

hệ kết cấu cột nhịp lớn, thoáng đãng

• Ngược lại, ở khối căn hộ hay phòng ngủ khách sạn thường lại yêu cầu dùng kết cấu vách hoặc cột có kích thước nhịp nhỏ nhưng các cột và vách này phải lẫn được vào các tường ngăn để không làm ảnh hưởng đến công năng sử dụng và thẩm mỹ công trình

Vì vậy, đòi hỏi các tòa nhà phải có các nhịp khung lớn ở bên dưới và các nhịp khung nhỏ hơn ở các tầng trên Giải pháp đòi hỏi một kết cấu chuyển giữa các tầng Đây là giải pháp thiết kế kết cấu tối ưu cho kiến trúc công trình, mang lại không gian kiến trúc nhiều tiện nghi và xu hướng hiện đại

Kết cấu chuyển (dầm chuyển hoặc sàn chuyển) là hệ thống kết cấu dùng khi nhà

có sự thay đổi bố trí kết cấu cột và vách trên mặt bằng, chẳng hạn bên dưới dùng cột nhưng lên trên lại chuyển qua vách Kết cấu chuyển thường có kích thước chiều cao lớn (lên đến vài mét)

Khi nhà có sự chuyển đổi kết cấu như vậy thì chuyển vị ngang tương đối giữa tầng trên và tầng dưới tại vị trí bố trí hệ thống chuyển sẽ khá lớn, rất dễ không thỏa điều kiện khống chế về chuyển vị, vì vậy phải có giải pháp để hạn chế chuyển vị này

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đưa ra các giải pháp hạn chế chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng trong nhà cao tầng có kết cấu chuyển chịu tải trọng gió

3 Đối tượng và phạm vi nguyên cứu

- Đối tượng: Chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng trong nhà nhiều tầng

- Phạm vi nghiên cứu: nhà cao tầng có hệ thống kết cấu chuyển chịu tải trọng gió

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích lý thuyết: dựa trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác về kết cấu nhà nhiều tầng để lí luận và đưa ra giải pháp

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Các vấn đề đã nghiên cứu trong luận văn còn tương đối mới, có giá trị thực tiễn cao Do đó, các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể được sử dụng:

- Tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành xây dựng tại các trường Đại học, Cao đẳng

- Luận văn có đưa ra lời khuyên khi thiết kế công trình nhà nhiều tầng có sử dụng

hệ kết cấu dầm chuyển Đồng thời, có thể dùng làm tài liệu cho các công ty Tư vấn thiết kế xây dựng

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương chính tổ chức như sau:

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU

TẦNG VÀ SỬ DỤNG KẾT CẤU CHUYỂN CHO NHÀ NHIỀU TẦNG

CHƯƠNG 2 - TẢI TRỌNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ NHÀ NHIỀU

TẦNG

CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG VÀ GIẢI PHÁP

HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TẦNG, HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TẦNG

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG

VÀ KẾT CẤU CHUYỂN CHO NHÀ NHIỀU TẦNG

1.1 Khái niệm chung về nhà nhiều tầng

Ngay từ thời cổ đại, con người đã thể hiện ý nguyện của mình là xây dựng các công trình ngày càng cao Ngày nay khi công nghiệp và kỹ thuật xây dựng phát triển kết hợp với các vấn đề về xã hội như mật độ dân số, diện tích đất sử dụng, nhu cầu xây dựng những công trình cao tầng ngày càng trở nên cấp thiết

Sử dụng nhà cao tầng nhằm giải quyết vấn đề quỹ đất đô thị và tập trung chức năng Ngoài ra nhà cao tầng tạo ra các điểm nhấn kiến trúc, là biểu tượng cho sức mạnh kinh tế, khát vọng chinh phục độ cao

Hiện nay vẫn chưa có câu trả lời chính xác và rõ ràng rằng “Những công trình thế nào thì được xếp vào loại nhà cao tầng” Trong cuộc hội thảo quốc tế và nhà cao tầng tổ chức tại Moscow năm 1971, các nhà khoa học đã tạm thời phân loại:

Bảng 1.1 Phân loại nhà cao tầng theo hội thảo quốc tế tại Moscow năm 1971.[1]

Loại I Từ 9 – 16 tầng (dưới 50m)

Loại II Từ 17 – 25 tầng (dưới 75m)

Loại III Từ 26 – 40 tầng (dưới 100m)

Loại nhà cực cao Trên 40 tầng (trên 100m)

kỳ và từng địa phương

Như vậy, chiều cao là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng nhà cao tầng khác với các ngôi nhà thông thường

Bảng 1.2 Bảng nhà cao tầng theo định nghĩa của một số nước.[1]

Trung Quốc Nhà ở có từ 10 tầng trở lên; các công trình kiến trúc khác là 24 tầng Liên Xô(cũ) Nhà ở có từ 10 tầng trở lên; các công trình kiến trúc khác là 7 tầng

Mỹ Nhà có chiều cao từ 22m đến 25m hoặc trên 7 tầng

Pháp Nhà ở cao trên 50m hoặc các kiến trúc khác là trên 28m

Anh Nhà có chiều cao trên 24.3m

Nhật Bản Nhà có trên 11 tầng và trên 31m

Tây Đức Nhà có chiều cao trên 22m

Bỉ Nhà cao trên 25m (tính từ mặt đất ngoài nhà)

(Nguồn: Internet)

1.2 Lịch sử phát triển nhà nhiều tầng

Trên thế giới khoảng những năm 1880: bắt đầu có nhà cao tầng để phục vụ cho mục đích thương mại, nhà chung cư (chủ yếu ở châu Âu, Mỹ với nhà khoảng 7-15 tầng) Bắt đầu những năm 1930: ứng dụng kết cấu thép vào nhà cao tầng từ đó bùng phát nhà cao tầng ở Mỹ Một số đô thị trên thế giới là thiên đường cho nhà cao tầng như: HongKong, Singapore, Thượng Hải, NewYork,…Khoảng năm 1970 trở lại: nhà siêu cao tầng xuất hiện ở các quốc gia mới nổi như UAE, Quatar, Trung Quốc,…

- Năm 1913 cao ốc Woolworth Building được xây dựng (57 tầng, 241m);

- Năm 1930 xây dựng cao ốc Chrysler chiều cao 319m; sau vài tháng tòa nhà Empire State Building được xây dựng cao 381m (102 tầng), tính cả ăngten – cao 448 m

- Tháp đôi World Trade Center ra đời cao 415 và 417 m

Ở Châu Á, xu hướng phát triển này cũng bắt đầu từ những năm 70

- Bank of China Tower – Hong Kong cao 269m (70 tầng);

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

- Petronas Tower Malaysia cao 450m (95 tầng)

Tại Việt Nam: nhà cao tầng bắt đầu được xây dựng từ khoảng những năm đầu

1990 trở lại đây như: khách sạn Hanoi Daewoo, khách sạn Hỏa Lò, trung tâm thương mại Thành phố Hồ Chí Minh,…Hiện có nhiều tòa nhà siêu cao tầng được xây dựng tại các thành phố lớn như Keangnam (72 tầng, 336m), Bitexco (68 tầng, 262m), Vietinbank (68 tầng, đang xây dựng), Landmark81 (81 tầng, đang xây dựng)…

Về mặt kết cấu, một công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó chủ yếu quyết định bởi tải trọng ngang Tải trọng ngang có thể dưới dạng tải trọng gió, động đất

1.3 Phân loại nhà nhiều tầng

a) Phân loại theo mục đích sử dụng:

- Nhà ở

- Nhà làm việc và các dịch vụ khác

- Khách sạn

b) Phân loại theo hình dạng:

- Nhà tháp: Thường được dùng làm khách sạn và văn phòng làm việc Giao thông theo phương thẳng đứng được tập trung vào một khu vực duy nhất

- Nhà dạng thanh: Thường được dùng làm nhà ở Trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo phương đứng

c) Phân loại theo vật liệu cơ bản:

- Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép

- Nhà cao tầng bằng thép

- Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép

1.4 Các hệ chịu lực cơ bản của nhà nhiều tầng

1.4.1 Hệ khung chịu lực

Hệ kết cấu khung chịu lực được tạo thành từ các thanh đứng (cột) và thanh ngang (dầm) liên kết cứng tại chỗ giao nhau giữa chúng (nút) Các khung phẳng liên kết lại với nhau qua các thanh ngang tạo thành khối khung không gian có mặt bằng vuông, chữ nhật, tròn, đa giác,

Hình 1.1 Một số loại mặt bằng nhà cao tầng hệ khung chịu lực.[2]

(Nguồn: Internet)

Dưới tác dụng của các loại tải trọng gồm tải trọng đứng và tải trọng ngang thì

hệ khung chịu lực được nhờ vào khả năng chịu cắt và chịu uốn của các thanh trong hệ đồng thời phụ thuộc vào độ cứng liên kết của các nút khung

Chuyển vị ngang tổng thể của hệ khung gồm 2 thành phần:

- Chuyển vị ngang do uốn khung: Khi ta coi khung như một thanh côngxon, chuyển vị này có được là do sự thay đổi chiều dài cột khi chịu mômen lật

- Chuyển vị ngang do các thanh thành phần bị uốn: Chuyển vị này do các lực trượt đứng và trượt ngang gây ra mômen trong các thanh

Để tăng độ cứng theo phương ngang, có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một

số nhịp trên suốt chiều cao của hệ khung và thêm các dàn ngang (nếu cần) Hiệu quả chịu tải của hệ sẽ tăng lên 30%

Hình 1.2 Hệ khung chịu lực có thanh xiên và thanh dàn ngang.[2]

(Nguồn: Internet)

Ưu điểm của hệ khung chịu lực:

- Sơ đồ làm việc rõ ràng, dễ dàng trong việc tính toán thiết kế

- Khả năng bố trí mặt bằng linh hoạt

- Dễ dàng tạo các không gian lớn

Nhược điểm của hệ khung chịu lực:

- Độ cứng chống uốn theo phương ngang thấp nên bị hạn chế về chiều cao của công trình

- Khi hệ khung đổ toàn khối, việc thi công các kết cấu dạng thanh như dầm, cột

ở trên độ cao lớn rất phức tạp

- Khi hệ khung thi công lắp ghép, khó thực hiện các liên kết cứng, đòi hỏi độ chính xác cao

- Tường dọc chịu lực: Hệ tường phẳng chỉ đặt dọc theo công trình

- Tường ngang chịu lực: Hệ tường phẳng chỉ dặt theo phương cạnh ngắn của công trình

- Tường ngang và dọc cùng chịu lực: Hệ tường phẳng được đặt theo cả 2 phương của công trình

Hình 1.3 Các sơ đồ hệ tường chịu lực.[2]

a) Tường ngang chịu lực b) Tường dọc chịu lực b) Tường ngang và dọc cùng chịu lực

(Nguồn: Internet)

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 làm việc như những dầm côngxon có chiều cao tiết diện lớn Khả năng chịu tải của vách cứng phụ thuộc phần lớn vào hình dạng tiết diện ngang của chúng Trong thực tế có nhiều dạng vách cứng khác nhau

Hình 1.4 Hình dạng của vách cứng.[2]

(Nguồn: Internet)

Trong nhà cao tầng thường chỉ có một số lượng ít các tường không bị khoét lỗ (tường đặc) còn lại đều bị khoét lỗ để cho các ô cửa đi, cửa sổ Ảnh hưởng của các lỗ khoét này phụ thuộc vào kích thước, số lượng và vị trí của chúng Nếu chỉ có lỗ khoét

nhỏ thì khi chịu tải trọng ngang tường sẽ làm việc như tường đặc Ngược lại thì sự làm việc của tường phải xem xét bài toán hai chiều của cơ học vật rắn biến dạng

1.4.3 Hệ lõi chịu lực

Đối với các công trình yêu cầu không gian rộng với việc bố trí mặt bằng đa dạng, hệ kết cấu tường chịu lực tỏ ra không thích hợp Một trong số các giải pháp để giải quyết vấn đề này là liên kết các tường theo các phương khác nhau để tạo thành lõi cứng

Lõi có dạng vỏ hộp rỗng, tiết diện kín hoặc hở, nhận các loại tải trọng tác động lên công trình và truyền chúng xuống nền đất Phần không gian bên trong lõi thường dùng để bố trí các thiết bị vận chuyển theo phương đứng (thang máy, cầu thang, ), các đường ống kỹ thuật, Ưu điểm của lõi cứng là độ cứng không gian lớn và khả năng chống cháy cao

Hình dạng, số lượng và cách bố trí các lõi cứng chịu lực trong mặt bằng nhà rất

đa dạng

Các lõi cứng nên được bố trí trên mặt bằng ngôi nhà sao cho tâm độ cứng của chúng trùng với trọng tâm của ngôi nhà nhằm tránh hiện tượng công trình bị xoắn khi dao động

Hình 1.5 Cách bố trí lõi cứng trong công trình.[2]

(Nguồn: Internet)

Lõi cứng có thể xem như một côngxon lớn thẳng đứng ngàm vào móng Trong lõi sẽ phát sinh các ứng suất do uốn, cắt và xoắn tương tự như thành hộp kín Ứng xử của lõi khi chịu tải trọng ngang phụ thuộc vào hình dáng, độ cứng và mức độ đồng nhất của lõi cũng như hướng tác động của tải trọng

Hệ lõi chịu lực được sử dụng trong các công trình xây dựng ở vùng có điều kiện địa chất phức tạp Khi công trình chịu tải trọng động đất, do độ cứng theo phương ngang nhỏ nên tải trọng động đất tác dụng lên công trình có giá trị nhỏ hơn so với các

hệ kết cấu khác có cùng kích thước

1.4.4 Hệ hộp chịu lực

Trong hệ hộp chịu lực, các bản sàn được gối vào các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các gối trung gian khác bên trong Hộp trong nhà cũng giống như lõi, được hợp thành từ các tường đặc hoặc có lỗ cửa 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 hoặc thanh chéo có chiều cao lớn theo phương ngang hoặc chéo tạo nên những mặt nhà dạng khung – lưới, có hình dạng phù hợp với giải pháp kiến trúc

Khi chịu tải trọng ngang những kết cấu bên ngoài được xem như một thanh côngxon kín hoàn chỉnh có mặt cắt hình hộp Phần hộp ngoài chịu toàn bộ hay phần lớn tải trọng gió tác động vào công trình

Hệ hộp chịu lực được chia ra làm 4 loại:

a Hộp có dạng lưới không gian không thanh chéo:

- Hệ được phát triển từ hệ kết cấu cổ điển khung cứng Hộp phía ngoài được tạo ra bởi hệ thống lưới cột và dầm rất dày

- Sơ đồ này nâng cao được độ cứng theo phương ngang và độ cứng khi chịu xoắn cũng như hạn chế được độ võng theo mặt bằng phía trong nhà

- Sơ đồ kết cấu loại này chỉ phù hợp với những ngôi nhà cao đến 60 tầng (đối với khung bê tông cốt thép)

b Hộp có dạng mạng lưới không gian có thanh chéo:

- Hệ này khắc phục được nhược điểm của hệ hộp thứ nhất là độ mềm của dầm

đỡ Khi có thanh chéo thì độ cứng được nâng cao qua đó giảm được biến dạng trượt Công trình làm việc như một công xon chịu uốn

c Hệ có mạng lưới bằng cột và thanh chéo:

- Hệ này có các thanh chéo ở trong lưới chữ nhật của dầm và cột Cùng với các dầm đỡ, thanh chéo đảm bảo độ cứng khi chịu tải trọng ngang

- Hệ này có khả năng phân bố tải trọng cho toàn bộ công trình và rất phù hợp với công trình đến 100 tầng

d Hệ mạng lưới bằng các cấu kiện đặt theo các đường chéo:

- Trong hệ kết cấu này các thanh chéo được đặt sát nhau, không hề có cấu kiện thẳng đứng Như vậy các thanh chéo đóng vai trò chịu toàn bộ tải trọng thẳng đứng giống như các cột nghiêng Nó làm tăng độ cứng khi công trình chịu tải trọng ngang

- Hệ kết cấu này có đặc điểm truyền tải xuống móng không được tốt và hiệu

1.5 Các hệ chịu lực hỗn hợp

1.5.1 Hệ khung – tường chịu lực

Hình 1.6 Hệ khung - tường chịu lực.[1]

(Nguồn: Internet)

Hệ này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng Hệ kết cấu này tạo điều kiện ứng dụng linh hoạt các công nghệ xây dựng khác nhau như vừa lắp ghép các hệ thống dầm, cột, sàn; đồng thời thi công đổ tại chỗ tường chịu lực bằng công nghệ ván khuôn trượt Hệ kết cấu này mang lại những hiệu quả kinh tế kỹ thuật nhất định

Dựa theo cách làm việc của khung, hệ này chia ra làm 2 sơ đồ:

1) Sơ đồ giằng:

Trong sơ đồ này, khung chỉ chịu tải trọng thẳng đứng tương ứng với diện tích truyền tải của nó, còn toàn bộ tải trọng ngang và một phần tải trọng thẳng đứng do các kết cấu chịu tải cơ bản khác chịu

2) Sơ đồ khung - giằng:

Trong trường hợp này, khung tham gia chịu tải trọng thẳng đứng và ngang với kết cấu chịu lực cơ bản khác Khung liên kết cứng tại các nút

Hình 1.7 Sơ đồ làm việc của hệ khung – tường chịu lực.[1]

a) Sơ đồ giằng b) Sơ đồ khung – giằng

(Nguồn: Internet)

1.5.2 Hệ khung – lõi chịu lực

Hệ hỗn hợp này cũng chia làm 2 sơ đồ ứng với cách làm việc của khung

Hình 1.8 Hệ khung – lõi chịu lực.[1]

1.6 Các hệ chịu lực đặc biệt

1.6.1 Hệ kết cấu có tầng cứng

Trong hệ kết cấu hộp – lõi chịu lực, cả hộp và lõi đều được coi như một thanh công xon ngàm vào móng để cùng chịu tải trọng ngang Tuy nhiên các dầm sàn có độ cứng không lớn trong khi khoảng cách giữa lõi và hộp là khá lớn nên thực tế là phần lớn tải trọng ngang sẽ do lõi chịu

Để tránh hiện tượng này, tại một số tầng tạo ra các dầm ngang hoặc dàn có độ cứng lớn để nối lõi với hộp chịu lực Khi chịu tải, lõi bị uốn làm các dầm chuyển vị theo phương thẳng đứng tác động lên cột của hộp bên ngoài Cột có độ cứng dọc trục lớn nên sẽ cản chuyển vị của các dầm và qua đó chống lại chuyển vị ngang cho công trình

Trong thực tế các dầm cứng này được bố trí tại các tầng kỹ thuật và có chiều cao bằng cả tầng nhà nên được gọi là tầng cứng

Số lượng tầng cứng trong nhà thường là 1, 2, 3 tầng

- Đối với trường hợp dùng 1 tầng cứng: Vị trí tầng cứng được đặt sát cao độ sát mái

- Đối với trường hợp dùng 2 tầng cứng: Ngoài vị trí cao độ sát mái, thêm 1 tầng cứng tại cao độ giữa công trình

- Đối với trường hợp dùng 3 tầng cứng: Ngoài vị trí cao độ sát mái, thêm 2 tầng cứng tại cao độ 1/3 và 2/3 chiều cao công trình

Hình 1.9 Sơ đồ kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng.[3]

Mômen uốn trong các cột tại vị trí liên kết với tầng cứng có giá trị lớn nên dễ gây ra phá hủy tại các vị trí này khi công trình chịu tải trọng động đất Dao động của

hệ kết cấu này cũng phức tạp nên việc tính toán cần được thực hiện theo sơ đồ không gian

a)

Hình 1.10 Biểu đồ mômen uốn khi có và không có tầng cứng.[3]

a) Khi không có tầng cứng b) Khi có 1 tầng cứng c) Khi có 2 tầng cứng

(Nguồn: Internet)

Đối với công trình có 1 tầng cứng, mômen ở chân lõi cứng được giảm đi nhưng phần bên trên công trình lại bị đổi dấu Trong trường hợp công trình có 2 tầng cứng, mômen chân lõi giảm đi ở bên dưới, đổi dấu ở bên trên và xuất hiện bước nhảy tại vị

trí tầng cứng thứ 2

1.6.2 Hệ kết cấu có hệ giằng liên tầng

Kết cấu có hệ thống giằng liên tầng thường là hệ kết cấu có hệ thống khung biên bao quanh nhà nhưng không thuần túy tạo thành hệ kết cấu ống mà được bổ sung thêm một hệ giằng chéo thông nhiều tầng

Hệ giằng có đặc điểm là làm cho hệ khung biên làm việc gần như một hệ dàn Các cột và dầm của khung biên làm việc gần như chịu lực dọc trục

Ưu điểm của dạng kết cấu này là:

- Độ cứng lớn theo phương ngang, thích hợp với các nhà siêu cao tầng

- Đồng thời hệ giằng liên tầng không ảnh hưởng đến công năng của công trình

- Hệ thống cột trong kết cấu không phải đặt dày đặc

Hình 1.11 Sơ đồ làm việc của kết cấu khung biên với hệ giằng liên tầng.[3]

(Nguồn: Internet)

1.6.3 Hệ kết cấu có hệ khung ghép

Khung ghép được cấu tạo theo cách liên kết một số tầng và một số nhịp, thường

có kích thước và tiết diện lớn Khung ghép thường có độ cứng lớn và là kết cấu chịu lực chính của công trình Khung tầng được xem như hệ kết cấu thứ cấp chủ yếu là để truyền tải trọng đứng lên hệ khung ghép Một số trường hợp có thể bỏ khung tầng tại một số tầng để tạo ra không gian lớn

Do các dầm của khung ghép có tiết diện lớn nên thường chúng chỉ được bố trí tại các tầng kỹ thuật của nhà Dạng kết cấu này thích hợp với các nhà siêu cao tầng có yêu cầu bố trí tầng kỹ thuật

1.6.4 Hệ kết cấu có hệ thống dầm chuyển

Trong trường hợp các tầng bên dưới của nhà cao tầng, các cột cần phải bố trí thưa để tạo được các không gian rộng, còn ở các tầng trên thì cột được bố trí dày để giảm kích thước dầm hoặc sử dụng kết cấu tường chịu lực

Các dầm giữa các tầng có sự thay đổi như vậy cần có độ cứng lớn để truyền các tải trọng thẳng đứng từ các cột hoặc các tường chịu lực bên trên xuống các cột tầng dưới Các dầm này được gọi là các dầm chuyển

Do bước cột bị thay đổi đột ngột cùng với sự xuất hiện của dầm chuyển với độ cứng lớn làm cho hệ kết cấu trở nên phức tạp Hệ kết cấu dầm chuyển cần được tính toán theo sơ đồ không gian Khi chịu tác động của tải trọng ngang, các cột ở ngay phía dưới các dầm chuyển chịu các mômen rất lớn và thường bị phá hủy ở vị trí này Để khắc phục, cần tăng độ cứng của cột phía dưới dầm chuyển hoặc cấu tạo các liên kết giữa cột phía dưới với dầm chuyển theo liên kết khớp nhằm chịu được các biến dạng xoay lớn

a) b)

Hình 1.12 Sơ đồ làm việc của nhà cao tầng có hệ thống dầm chuyển.[3]

a) Dầm chuyển đỡ khung b) Dầm chuyển đỡ tường chịu lực

(Nguồn: Internet)

Dầm chuyển có đặc điểm làm việc khác với các dầm thông thường khác Thứ nhất, đây là các dầm có kích thước lớn, chiều cao lớn và chịu tác dụng của tải trọng tập trung lớn Trường hợp dầm chuyển đỡ các tường chịu lực có sự làm việc đồng thời với tường nên sơ đồ chịu lực khác với sơ đồ dầm

1.7 Tổng quan về dầm chuyển

1.7.1 Khái niệm về dầm chuyển

Dầm chuyển là loại kết cấu thường cao và rộng được sử dụng để truyền tải trọng từ các vách hoặc các cột của các kết cấu bên trên xuống các kết cấu thanh bên dưới

Trong nhà cao tầng, các không gian rộng lớn ở các tầng phía dưới gần như là nhu cầu tất yếu Các không gian này có thể là các bãi đỗ xe, các siêu thị, các sảnh lớn, hoặc các văn phòng làm việc Tuy nhiên ở các tầng phía trên lại xuất hiện các vách cứng hoặc cần không gian hẹp hơn với lưới cột dày Điều này đòi hỏi phải sử dụng các dầm chuyển lớn để tiếp nhận các tải trọng từ các vách cứng hoặc các cột bên trên và sau đó phân phối chúng xuống các cột bên dưới với bước cột lớn hơn

Đối với trường hợp dầm chuyển đỡ vách, cách sắp xếp này chia khung thành 2 phần: phần vách cứng ở phía trên, phần kết cấu khung thông thường ở bên dưới Còn khi dầm chuyển đỡ cột, xuất hiện 2 phần: phần khung có bước cột dày ở phía trên, phần khung có bước cột thưa ở phía dưới

1.7.2 Phân loại dầm chuyển

1.7.2.1 Phân loại theo chức năng sử dụng

- Dầm chuyển đỡ hệ khung (cột)

- Dầm chuyển đỡ hệ vách

- Dầm chuyển đỡ khung kết hợp với vách

1.7.2.2 Phân loại theo vật liệu chế tạo

- Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép thường

Ưu điểm: Dễ chế tạo, sử dụng được các vật liệu sẵn có của địa phương

Nhược điểm: Kích thước của dầm lớn, trọng lượng của dầm lớn

- Dầm chuyển bằng bê tông cốt thép ứng lực trước

Ưu điểm: Khả năng chống uốn cao hơn, giảm được kích thước tiết diện của dầm, khả năng vượt được nhịp lớn hơn so với bê tông cốt thép thường

Nhược điểm: Thi công phức tạp, khó khan

1.7.2.3 Phân loại theo phương pháp chế tạo

- Chế tạo theo phương pháp đổ tại chỗ

Ưu điểm: Do các cấu kiện được đổ toàn khối nên độ cứng tổng thể lớn, khả năng chịu tải trọng động tăng, hình dáng tiết diện phong phú

Nhược điểm: Thi công phụ thuộc nhiều vào thời tiết, tốn kém ván khuôn và cây chống

- Chế tạo theo phương pháp lắp ghép

Ưu điểm: Tiết kiệm được ván khuôn, cây chống; nâng cao chất lượng do thi công trong nhà máy; thời gian thi công được rút ngắn

Nhược điểm: Độ cứng tổng thể không cao; chịu tải trọng động kém; tốn kém khi xử lý các mối nối

1.7.2.4 Phân loại theo số nhịp của dầm

- Dầm chuyển đơn nhịp (một nhịp)

- Dầm chuyển nhiều nhịp (hai nhịp trở lên)

1.7.3 Phân tích trạng thái làm việc của dầm chuyển

Dầm chuyển là dầm có chiều cao tương đối lớn do đó trạng thái làm việc cũng như tính toán tương tự như dầm cao

Khi phân tích đàn hồi với loại dầm này, trạng thái cần xét được tính đến trước khi dầm hình thành vết nứt Sự hình thành vết nứt này xuất hiện khi tải trọng đạt từ một phần ba đến một nửa tải trọng tới hạn Các kết quả phân tích đàn hồi là chính yếu

vì chúng thể hiện sự phân bố các ứng suất mà gây ra vết nứt do đó cần đưa ra các chỉ dẫn về hướng cho vết nứt và dòng lực sau khi đã xuất hiện vết nứt

Trong trường hợp dầm đơn nhịp đỡ tải trọng tập trung, các ứng suất nén chính tác dụng gần như song song với các đường nối tải trọng và các trụ đỡ; ứng suất kéo chính lớn nhất tác dụng song song với đáy dầm; ứng suất uốn ở đáy là không đổi trên phần lớn nhịp

Khi dầm đơn nhịp chịu tải trọng phân bố đều từ trên xuống, các đường ứng suất kéo chính có hình lượn sóng theo phương song song với đáy dầm, trong khi đó ứng suất nén chính luôn vuông góc với đường ứng suất kéo chính Nếu tải trọng có hướng tác dụng từ mặt dưới của dầm, quỹ đạo chịu nén của dầm sẽ có dạng vòm

Sự truyền lực cắt của tải trọng truyền xuống gối tựa diễn ra ở phần dưới của dầm Nhưng lực cắt theo phương đứng gần với gối tựa nên được xem như các ứng suất trực tiếp tại khu vực đó để chịu các ứng suất kéo chính Các ứng suất kéo chính hầu như nằm ngang khi tải đặt ở mặt trên của dầm, nhưng tải trọng đặt ở mặt dưới dầm thì giá trị của ứng suất kéo chính tăng lên đáng kể và theo góc 450 so với phương ngang

1.8 Kết luận Chương 1

Để đáp ứng công năng và các thay đổi về kiến trúc theo chiều đứng trong nhà cao tầng thì giải pháp thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển thường được sử dụng Do đó, nhà cao tầng có thiết kế hệ kết cấu dầm chuyển bê tông cốt thép được sử dụng ngày càng nhiều ở Việt Nam và các nước trên thế giới Vì thế, các công trình nhà cao tầng chọn phương án kết cấu này là phương án thiết kế tối ưu nhất để thiết kế các nhà cao tầng có kết cấu theo chiều đứng thay đổi

CHƯƠNG 2 – TẢI TRỌNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ

NHÀ NHIỀU TẦNG

2.1 Khái quát về tải trọng tác dụng lên nhà nhiều tầng

2.1.1 Khái niệm chung về tải trọng

- Tải trọng tác dụng trực tiếp lên công trình được gây ra bởi những lực tự nhiên hoặc do con người tác động vào Như vậy tải trọng do 2 nguồn gốc chính tạo ra:

- Tải trọng vật lý địa cầu: Là kết quả của sự vận động không ngừng trong thiên nhiên bao gồm trọng lực, lực gây ra do khí tượng và động đất Trọng lực chính là trọng lượng riêng của công trình; là loại tải trọng thường xuyên, không đổi trong suốt quá trình sử dụng Tải trọng do khí tượng là loại tải trọng biến đổi theo thời gian và cả điểm đặt lực Đó có thể là tải trọng gió, sự thay đổi của nhiệt độ, tuyết, mưa,

- Tải trọng nhân tạo: Là loại tải do sự tác động va đập của các máy móc, thang máy, các thiết bị cơ học, do người và các thiết bị di chuyển,

Những nguồn tải trọng này đối với công trình thường phụ thuộc lẫn nhau nên khi tính toán cần xét đến mối liên hệ giữa chúng

2.1.2 Phân loại tải trọng

Các loại tải trọng tác động lên công trình và các hệ số độ tin cậy của chúng được lấy theo quy phạm về tải trọng và tác động trong TCVN 2737:1995 của Bộ Xây Dựng ban hành Có nhiều cách để phân loại tải trọng:

a Phân loại theo phương, chiều tác dụng:

- Tải trọng thẳng đứng: Là các loại tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng như trọng lượng bản thân, người, đồ đạc,

- Tải trọng ngang: Là loại tải trọng tác dụng theo phương ngang như tải trọng gió, lực hãm của xe cộ,

+ Tải trọng gió do tác động của khí hậu và thời tiết thay đổi theo thời gian, độ cao,

và địa điểm dưới dạng áp lực trên các mặt hứng gió hoặc hút gió của ngôi nhà

+ Tải trọng động đất là một trong những tải trọng đặc biệt, là các lực quán tính phát sinh trong công trình khi nền đất chuyển động Tải trọng động đất có thể tác động đồng thời theo phương thẳng đứng và phương ngang Trong tính toán kết cấu nhà cao tầng thường chỉ xét tới tác động ngang của tải trọng động đất

a Phân loại theo tính chất:

- Tải trọng thường xuyên (Tĩnh tải): Là các loại tải trọng không thay đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng của công trình Loại tải này bao gồm tải trọng bản thân của các cấu kiện, khối lượng và áp lực của đất,

- Tải trọng tạm thời (Hoạt tải): Là loại tải trọng có thể thay đổi về điểm đặt, trị số phương chiều tác dụng, nó có thể xảy ra dài hạn hoặc ngắn hạn như người, đồ đạc, tải trọng gió,

- Tải trọng đặc biệt: Là loại tải trọng rất ít khi xảy ra như tải trọng cháy nổ, động đất,

b Phân loại theo thời gian tác dụng:

- Tải trọng tác dụng dài hạn: Bao gồm tải trọng thường xuyên và một phần của tải trọng tạm thời như trọng lượng bản thân của cấu kiện, thiết bị, vật liệu,

- Tải trọng tác dụng ngắn hạn: Bao gồm phần còn lại của tải trọng tạm thời như tải trọng gió, người đi lại xe cộ,

c Phân loại theo trị số:

- Tải trọng tiêu chuẩn: Trị số của tải trọng này được lấy bằng giá trị thường gặp trong quá trình sử dụng công trình và được xác định theo các kết quả thống kê

- Tải trọng tính toán: Trị số được xác định bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ

số độ tin cậy Hệ số này được xác định theo một xác suất đảm bảo quy định để kể đến các tình huống bất ngờ, đột xuất mà tải trọng có thể vượt quá hoặc giảm đi gây bất lợi cho kết cấu

d Các loại tải trọng khác

- Tác động do co ngót, từ biến của bê tông

- Tác động do ảnh hưởng của sự lún không đều

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

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

- 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

- Ngoài ra do có chiều cao lớn nên nhà cao tầng có thể bị ảnh hưởng lớn bởi tải trọng gây ra từ biến thiên nhiệt độ và co ngót hay từ biến

2.1.3 Cách xác định tải trọng

Trong các công trình xây dựng, chúng luôn phải đồng thời chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang Đối với các công trình thấp tầng, ảnh hưởng do tải trọng ngang sinh ra rất nhỏ, công trình chủ yếu được thiết kế để chống lại tải trọng đứng Theo sự gia tăng của chiều cao, nội lực và chuyển vị của công trình do tải trọng ngang (do tải trọng gió hoặc tác động của tải trọng động đất) gây ra tăng lên rất nhanh Nếu xem công trình như một thanh công xon ngàm vào móng, mômen do tải trọng ngang sẽ tỷ lệ thuận với bình phương chiều cao trong khi lực dọc chỉ tỷ lệ với chiều cao

(nếu tải trọng phân bố đều)

(nếu tải trọng phân bố hình tam giác)

Chuyển vị ngang do tải trọng ngang sinh ra cũng tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của chiều cao:

(nếu tải trọng phân bố đều)

(nếu tải trọng phân bố hình tam giác)

Do vậy khi tính toán thiết kế nhà cao tầng, tải trọng ngang trở thành nhân tố chủ yếu cần xem xét kỹ

2.1.3.1 Xác định tải trọng thẳng đứng:

- Tĩnh tải: bao gồm các tải trọng như trọng lượng bản thân các cấu kiện, tải trọng tiêu chuẩn của các lớp vật liệu sàn và các tường nhân với hệ số độ tin cậy (được xác định theo TCXDVN 2737-1995)

- Hoạt tải: Căn cứ vào tính năng sử dụng của các loại phòng khác nhau xác định được hoạt tải tiêu chuẩn cho từng phòng, sau đó nhân với hệ số độ tin cậy (được xác định theo TCXDVN 2737-1995)

=> Căn cứ vào kích thước là liên kết giữa sàn với các dầm xung quanh, các tải trọng tác dụng lên sàn theo m2

sẽ được phân phối về các dầm theo các hệ số tương đương

2.1.3.2 Xác định tải trọng ngang:

Tải trọng ngang tác động lên nhà cao tầng gồm: tải trọng gió và tải trọng động đất

a Xác định tải trọng gió

Tải trọng gió gồm 2 thành phần: Thành phần tĩnh và thành phần động Theo

TCVN 2737:1995 quy định, đối với nhà có H < 40m và xây dựng trong khu vực có

dạng địa hình A và B thì chỉ cần tính toán với thành phần tĩnh của tải trọng gió Khi

H 40m thì cần tính toán với cả thành phần tĩnh và thành phần động

a1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió được xác định theo công thức:

(2.1)

Trong đó:

- W0: áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng

- K : Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo thời gian

- C : Hệ số khí động

Bảng 2.1 Bảng áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió lãnh thổ Việt Nam.[4]

Vùng áp lực gió I II III IV V

W0 65 95 125 155 185

Đối với nhà và các công trình được xây dựng tại các vùng có địa hình phức tạp

(hẻm núi, giữa các núi song song, các của đèo…), giá trị áp lực gió W0 được xác định

theo công thức:

W0 = 0.0613 v0² (2.2)

Trong đó v 0: vận tốc gió ở độ cao 10m so với mốc chuẩn ( vận tốc trung bình

trong khoảng thời gian 3 giây bị vượt trung bình một lần trong 20 năm) tương ứng với

địa hình dạng B, tính theo đơn vị m/s

a2 Thành phần động của tải trọng gió được xác định theo công thức sau:

Bảng 2.2 Bảng giá trị giới hạn của tần số dao động riêng f L

Bảng 2.3 Bảng hệ số áp lực động của tải trọng gió .[4]

Chiều cao z (m) Hệ số áp lực động  đối với các dạng địa hình

- fL: Tần số dao động giới hạn (bảng 9 - TCVN 2737:1995)

- : Hệ số động lực được xác định theo TCVN 2737:1995

- m: Khối lượng của phần nhà có trọng tâm ở cao độ z

- y: Chuyển vị của công trình tại cao độ z ứng với dạng dao động thứ nhất

- : Hệ số được xác định bằng cách chia công trình thành các phần mà trong phạm vi mỗi phần tải trọng gió không đổi

Đối với trường hợp cần tính toán động lực có kể đến s dạng dao động đầu tiên, s được xác định theo điều kiện

Khi nhà có độ cứng, khối lượng và bề mặt rộng đón gió không đổi theo chiều cao, giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió ở độ cao z có thể xác định theo công thức:

(2.5) Trong đó:

- H: Chiều cao của công trình

- : Giá trị thành phần động của tải trọng gió tại đỉnh nhà được xác định theo công thức (2.2)

Tải trọng gió tác động lên công trình phải kể đến 2 thành phần: áp lực pháp tuyến We và lực ma sát tác dụng theo phương tiếp tuyến với mặt ngoài công trình Wf Trong đó áp lực pháp tuyến được chia thành Wx và Wy

Một số khái niệm cơ bản về động đất:

- Sóng địa chấn là sóng đàn hồi vật lý hình thành do việc giải phóng năng lượng từ điểm (chấn tiêu) phát ra năng lượng do động đất

- Cường độ động đất: để đánh giá cường độ động đất ta dựa vào hậu quả của nó đối với công trình hoặc năng lượng gây ra trận động đất

Hiện nay có rất nhiều thang đo cường độ động đất, trong đó có thang MSK-64 và thang Richter là 2 thang phổ biến rộng rãi nhất

- Thang MSK-64 do Medveded cùng Sponhuer và Karnic đề ra năm 1964, là thang đo cường độ địa chấn dạng rộng được sử dụng để đánh giá mức độ của sự rung động mặt đất trên cơ sở các tác động đã quan sát và ghi nhận trong khu vực xảy ra động đất Để xây dựng thang MSK-64 các tác giả đã phân loại tác dụng phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng, sau đó đánh giá cường độ động đất qua hàm dịch chuyển cực đại của con lắc tiêu chuẩn có chu kỳ dao động riêng T= 0.25s Thang động đất MSK-64 có 12 cấp

và công trình

Cấp 2 Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ) Trong những trường hợp riêng lẻ, chỉ có người nào đang ở

trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được

Cấp 3 Động đất yếu, ít người nhận biết được động đất, chấn động tạo ra như bởi một xe oto vận tải nhẹ

chạy qua

Cấp 4 Động đất nhận thấy rõ, nhiều người nhận biết được động đất, cửa kính có thể kêu lách cách

Cấp 5 Nhiều người ngủ bị thức tỉnh, đồ vật treo đu đưa

Cấp 6 Đa số mọi người nhận biết, nhà cửa rung nhẹ, lớp vữa bị rạn

Cấp 7 Hư hại nhà cửa, người khó đứng vững

Cấp động đất mạnh, cần được xét đến trong thiết kế công trình

Cấp 8 Phá hoại nhà cửa, tường bị nứt lớn

toàn, mặt đất biến dạng, vết nứt rộng

Cấp 12 Thay đổi địa hình, phá hủy mọi công trình

- Thang Richter là do Ch.Richter đề ra năm 1953 để thay cho việc đánh giá cường độ động đất thông qua việc đánh giá hậu quả của nó bằng cách đánh giá gần

đúng năng lượng được giải phóng ở chấn tiêu Theo định nghĩa, độ lớn M(Magnitud) của một trận động đất bằng logarit thập phân của biên độ cực đại A ghi được tại một điểm cách tâm chấn D= 100km trên máy đo địa chấn có chu kỳ dao động riêng T=0.8s: M=logA

nhưng đo được Thật nhỏ Khoảng 1000 lần mỗi ngày 3.0 – 3.9 Cảm nhận được nhưng ít

gây ra thiệt hại

Nhỏ Khoảng 49000

lần mỗi năm 4.0 – 4.9 Rung chuyển đồ vật trong

nhà, thiệt hại khá nghiêm trọng

Nhẹ Khoảng 6200 lần

mỗi năm

5.0 – 5.9 Có thể gây thiệt hại nặng

cho những công trình không theo tiêu chuẩn kháng chấn, thiệt hại nhẹ cho công trình theo tiêu chuẩn kháng chấn

trọng trên diện tích lớn Rất mạnh Khoảng 18 lần mỗi năm 8.0 – 8.9 Có sức tàn phá vô cùng

nghiêm trọng trong chu vi hàng trăm km bán kính

Cực mạnh Khoảng 01 lần

mỗi năm

9.0 – 9.9 Sức tàn phá vô cùng lớn Cực kỳ mạnh Khoảng 20 năm

một lần

> 10 Gây ra hậu quả khủng

khiếp cho Trái đất

Kinh hoàng Cực hiếm

Trong thiết kế nhà cao tầng ở vùng có động đất, nhất thiết phải tính toán đến tải trọng này Đối với các công trình nhà cao tầng, cần phải xét đến cả 2 thành phần là tải đứng do thành phần lực quán tính thẳng đứng và tải ngang do thành phần lực quán tính nằm ngang của tải trọng động đất tác động lên công trình

Việc xác định tải trọng động đất tác dụng lên công trình khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau như nền đất, tính chất động học của công trình, tính chất tác động của địa chấn,

Tải trọng động đất có nhiều phương pháp tính toán khác nhau như:

- Phương pháp tĩnh lực: Thay thế các lực động đất thực tác dụng lên công trình bằng các lực tĩnh ảo có hiệu ứng tương đương nên còn gọi là phương pháp tải trọng ngang thay thế Phương pháp này tương đối đơn giản

- Phương pháp giải tích

- Phương pháp động học dựa trên phổ phản ứng: Xác định trực tiếp trạng thái ứng suất- biến dạng các kết cấu chịu tải từ gia tốc do ghi được chuyển động của nền đất khi động đất xảy ra

2.2 Các vấn đề thiết kế trong nhà nhiều tầng

2.2.1 Đảm bảo các yêu cầu

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

+ Nhà cao tầng có không gian lớn ở các tầng dưới: kích thước cấu kiện nhà cao tầng thường lớn nên ảnh hưởng đến chiều cao thông thủy

+ Khi bố trí kiến trúc không hợp lý sẽ ảnh hưởng đến mặt đứng của nhà cao tầng + Kết cấu phải thỏa mãn kiến trúc đề ra: thông thường phương án kết cấu phải đáp ứng được phương án kiến trúc Tuy nhiên, đối với nhà cao tầng đôi khi kết cấu lại

quyết định phương án kiến trúc

- Đảm bảo độ bền và ổn định

- Đảm bảo độ cứng, chuyển vị ngang

- Chùng ứng suất, co ngót hay giãn nở vật liệu do nhiệt độ

- Chống cháy, thoát hiểm an toàn

- Có khả năng kháng chấn cao

- Giảm trọng lượng bản thân

- Kết cấu chịu lực phương đứng và phương ngang (khung, vách, lõi cứng) chọn,

bố trí hợp lý

2.2.2 Sự làm việc của hệ kết cấu nhà nhiều tầng

a Các cấu kiện chịu lực cơ bản

- Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống, thanh giằng

- Cấu kiện dạng tấm; tường( vách đặc hoặc có lỗ cửa), sàn (sàn phẳng, sàn sườn, các loại panen đúc sẵn có lỗ hoặc nhiều lớp…)

- 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 cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng Khi là những cột rỗng hình hộp vuông hoặc hình tròn sẽ tạo nên hệ kết cấu được gọi là ống trong ống

b Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản

- Các hệ kết cấu cơ bản: kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực kết cấu lõi cứng và kết cấu ống

- Các hệ kết cấu hỗn hợp: kết cấu khung – giằng, kết cấu khung – vách, kết cấu ống – lõi và kết cấu ống tổ hợp

- Các hệ kết cấu đặc biệt: kết cấu có tầng cứng, kết cấu có hệ dầm chuyển, kết cấu

có hệ giằng liên tầng và kết cấu có khung thép

2.2.3 Phương pháp lựa chọn hệ kết cấu nhà nhiều tầng

a Lựa chọn theo chiều cao, số tầng

- Để đảm bảo độ cứng, hạn chế chuyển vị ngang, tránh mất ổn định tổng thể cần hạn chế chiều cao và độ mảnh (tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng công trình) lấy theo bảng sau:

Bảng 2.6 Bảng chiều cao tối đa (m) và tỷ số giới hạn giữa chiều cao và chiều rộng

H/B.[5]

Hệ kết cấu

Trường hợp không có động đất

45m

4

25m

2 Nhà khung

120m

4

60m

4 Nhà ống và

ống trong ống MaxH = H/B

180m

5

180m-150m 6-6

120m

5

70m

4

b Bố trí mặt bằng kết cấu

- Để tránh được bất lợi do biến dạng xoắn, mặt bằng nhà cần chọn hình đơn giản,

có trục đối xứng ít nhất là một phương, đặc biệt là đối xứng trong cách bố trí kết cấu chịu lực

- Khi bố trí kết cấu chịu lực nhà cao tầng chịu tải trọng động đất cần chú ý:

+ Mặt bằng nên đối xứng cả hai phương trục nhà

+ Mối quan hệ giữa chiều dài ( L ), chiều rộng công trình ( B ), độ nhô ra của các bộ phận công trình ( l ), vị trí các góc lõm trên mặt bằng cần thỏa mãn các yêu cầu trong bảng sau:

Bảng 2.7 Bảng giới hạn của L, B, l.[5]

8 và 9 ≤ 5 ≤ 4 ≤ 1.5

c Bố trí khe co giãn nhiệt, khe lún, khe kháng chấn

- Khe kháng chấn phải đặt theo suốt chiều cao công trình, và có thể không phải kéo tới móng Khe biến dạng còn được xác định trên cơ sở xác định chuyển vị lớn nhất thường ở các tầng mái công trình do các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất gây ra theo công thức:

Vách - lõi 2.8H + 7 3.5H - 3 5H - 25 7H - 55

Ghi chú: H – độ cao mái của đơn nguyên thấp hơn trong các đơn nguyên kế nhau tính bằng mm

d Bố trí kết cấu theo phương thẳng đứng

- Trong nhà cao tầng cần thiết kế các kết cấu chịu lực có độ cứng đồng đều, tránh

sự thay đổi đột ngột theo chiều cao Trên mặt cắt thẳng đứng, kết cấu cũng cần đạt đến

độ đối xứng về hình học cũng như về khối lượng ( chất tải )

- Sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu ( như việc thông tầng, giảm cột hoặc dạng sàn dật cấp) cững như việc dung các sơ đồ kết cấu có cánh mỏng và kết cấu dạng công xon dài theo phương ngang nhà đều gây ra sự bất lợi dưới tác động của các tải trọng động

d.1 Bố trí khung chịu lực

- Nên chọn sơ đồ khung sao cho tải trọng tác động theo phương ngang và thẳng đứng được truyền trực tiếp và ngắn nhất xuống móng Tránh sử dụng sơ đồ khung hẫng cột tầng dưới Nếu bắt buộc phải hẫng cột như vậy, phải có giải pháp tang cường các dầm đỡ có đủ độ cứng chống uốn và cắt dưới tác động của các tải trọng tập trung lớn Không nên thiết kế dạng khung thông tầng

- Khi thiết kế khung cần chọn độ cứng tương đối của dầm nhỏ hơn của cột nhằm tránh khả năng cột bị phá hoại trước dầm

d.2 Bố trí vách cứng

- Trong các mặt bằng nhà hình chữ nhật nên bố trí từ 3 vách trở lên theo cả 2 phương Vách theo phương ngang cần bố trí đều đặn, đối xứng tại các vị trí gần đầu hồi công trình, giant hang máy, tại các vị trí có biến đổi hình dạng trên mặt bằng và những vị trí có tải trọng lớn ( sàn đặt bể nước hoặc các thiết bị kỹ thuật khác )

- Nên thiết kế các vách giống nhau (về độ cứng cũng như kích thước hình học)

và bố trí sao cho tâm cứng của hệ kết cấu trùng với tâm trọng lực (trọng tâm hình học mặt bằn ) ngôi nhà

- Độ cứng của các vách thường chiếm tỷ lệ lớn trong tổng độ cứng của toàn hệ

Vì vậy, các vách nên có chiều cao chạy suốt từ móng lên mái và có độ cứng không đổi tren toàn bộ chiều cao hoặc nếu phải giảm thì giảm dần từ dưới lên trên

d.3 Bố trí lõi ống

- Nên bố trí các lõi, hộp đối xứng trên mặt bằng

- Việc thiết kế ống trong ống cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

+ Tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng của ống cần lớn hơn 3

+ Khoảng cách giữa các trụ - ống ngoài chu vi không nên lớn hơn chiều cao tầng và nên nhỏ hơn 3m Mặt cắt trụ - ống ngoài cần dùng dạng cữ nhật hoặc chữ T Diện tích của cột góc có thể dùng vách góc hình chữ L hoặc ống góc

+ Khoảng cách giữa ống trong và ống ngoài không nên lớn hơn 10m

2.2.4 Nguyên lý tính toán kết cấu nhà cao tầng

2.2.4.1 Nội dung và phương pháp tính toán

- Kết cấu nhà cao tầng cần phải được tính toán kiểm tra về độ bền, biến dạng , độ cứng, ổn định và dao động

- Nội lực và biến dạng của kết cấu nà cao tầng được tính toán theo phương pháp đàn hồi Các cấu kiện dầm có thể được điều chỉnh lại theo quy luật liên quan đến sự phân bố lại nội lực do biến dạng dẻo

2.2.4.2 Các chỉ tiêu kiểm tra kết cấu

- Kiểm tra độ bền, biến dạng, ổn định tổng thể và ổn định cục bộ của kết cấu được tiến hành theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành Ngoài ra kết cấu nhà cao tầng phải thỏa mãn các điều kiện sau đây:

+ Kiểm tra ổn định chống lật: tỷ lệ giữa mô men lật do tải trọng ngang gây ra phải thỏa mãn điều kiện:

MCL / ML ≥ 1.5 Trong đó: MCL: mô men chống lật

+ Kiểm tra dao động

- Theo yêu cầu sử dụng, gia tốc cực đại của chuyển động tại đỉnh công trình dưới tác động của gió có giá trị nằm trong giới hạn cho phép:

|y| ≤ [Y]

Trong đó:

|y|: giá trị tính toán của gia tốc cực đại

[Y]: giá trị cho phép của gia tốc, lấy bằng 150mm/s²

2.2.5 Nguyên tắc kiểm tra bền

2.2.5.1 Nguyên tắc chung

- Việc kiểm tra các tiết diện cột, dầm khung trong nhà cao tầng được tiến hành như các kết cấu bê tông cốt thép thường hay ứng lực trước tuân theo tiêu chuẩn thiết

kế kết cấu bê tông cốt thép hiện hành TCVN 9386:2012

- Khi kiểm tra các tiết diện của vách, lõi theo điều kiện bền (theo cường độ) còn phụ thuộc vào phương pháp xác định nội lực của kết cấu đó, bởi mỗi phương pháp đều xuất phát từ một giả thiết nhất định

- Đối với các kết cấu vách, lõi bê tông cốt thép cần xem như những cấu kiện liên tục và đồng thời chịu lực tới trạng thái giới hạn, nghĩa là kết cấu đã tận dụng hết khả năng của vật liệu và dẫn đến phá hoại cùng một lúc

- Để đảm bảo điều kiện các cấu kiện trong hệ đồng thời đạt tới các trạng thái giới hạn trong ính toán đưa vào các hệ số hiệu chỉnh còn gọi hệ số điều kiện làm việc Các

hệ số này dựa trên kết quả so sánh nội lực giới hạn theo tính toán lý thuyết với nội lực thông qua thực nghiệm

- Quy định về vật liệu:

Vật liệu chính dùng làm kết cấu nhà cao tầng phải đảm bảo các tính năng cao trong các mặt: cường độ chịu lực, độ bền mỏi, tính biến dạng, và khả năng chống cháy Về bê tông: Khi thiết kế công trình nhà cao tầng thì dùng bê tông có cấp độ bền B25 trở lên đối với các kết cấu bê tông cốt thép thường và có cấp độ bền B30 trở lên đối với các kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

Về cốt thép: Cốt thép dọc cần dùng loại có gờ, có độ dẻo cao, hàn được Biến dang cực hạn của thép khi kéo đứt không dưới 0,05 ( s >0,05), tỷ số của giới hạn bền

và giới hạn đàn hồi không dưới 1,25

Cốt thép dọc dùng nhóm CII, CIII hoặc cao hơn;

Cốt đai dùng nhóm CI có đường kính ≤ 10mm;

Cốt đai dùng nhóm CII có đường kính ≥ 10mm;