Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** Chơng 1: Tổng quan về thiết kế nhà cao tầng Đối với các nhà cao tầng, thiết kế kiến trúc có ảnh hởng quyết định tới thiết kế kết cấu. Trong giai đoạn hiện nay, yêu cầu cần phải có những giải pháp thiết kế đạt hiệu quả kinh tế. Các công trình có thiết kế kiến trúc phức tạp xuất hiện ngày càng nhiều, yếu tố ấy dẫn tới vai trò ngời kỹ s kết cấu rất quan trọng tham gia ngay trong giai đoạn thiết kế. Nhiệm vụ của kỹ s kết cấu trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng là tìm ra một giải pháp tối u với giá thành thấp nhất. Nh vậy, ngời kỹ s kết cấu cần ý thức đợc tầm quan trọng và mối liên hệ giữa các lĩnh vực khác nhau nh kiến trúc, kỹ thuật công nghệ và kinh tế. I. Định nghĩa về nhà cao tầng. Về mặt kết cấu một công trình đợc định nghĩa là nhà cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang có thể dới dạng gió bão hoặc động đất. Mặc dù cha có một thống nhất chung nào về đinh nghĩa nhà cao tầng, nhng có một ranh giới đợc đa số các kết cấu s chấp nhận đó là từ nhà thấp tầng đến nhà cao tầng có một sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học. Các công trình cao tầng sẽ ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với nhà cao tầng trong quá khứ. Các nghiên cứu trên thế giới khẳng định xu hớng này thông qua các kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn. II. Các yêu cầu về mặt kết cấu. Trong thiết kế nhà cao tầng để đạt tới một thiết kế hợp lý thì cần phải phối hợp đợc 3 điều kiện sau: về khả năng chịu lực, các yêu cầu sử dụng bình thờng ( dao động , chuyển vị) và độ ổn định. Yếu tố ảnh hởng lớn nhất là tải trọng ngang, công trình càng cao thì ảnh hởng này đối với hình dạng kết cấu càng lớn. Khi chiều cao công trình tăng lên thì các yếu tố sau trở nên hết sức quan trọng: ảnh hởng của tải trọng ngang do gió và động đất Việc xác định độ lớn của tải trong ngang đa vào thiết kế Chuyển vị ngang tại đỉnh công trình và chuyển vị lệch giữa các mức tầng Gia tốc dao động ảnh hởng của chuyển vị ngang đến các bộ phận không chịu lực Hiệu ứng uốn dọc ( P Delta ), chuyển vị do từ biến, chuyển vị chênh lệch giữa các kết cấu chịu tải trong thẳng đứng ổn định tổng thể chống lật và chống trợt Tầm quan trọng của các cấu kiện chịu kéo Việc xét tới các tơng tác nền và công trình III. Tải trọng: a. Tải trọng: Việc xác định chính xác tải trọng thiết kế là hết sức quan trọng để đảm bảo sự dung hoà giữa hai yếu tố: độ bền vững cho kết cấu và tính kinh tế của toàn bộ công trình. Kết cấu nhà cao tầng đợc tính toán với các loại tải trọng chính sau đây: + Tải trọng thẳng đứng ( thờng xuyên và tạm thời tác dụng lên sàn ). + Tải trọng gió ( gió tĩnh và nếu có cả gió động ). SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 5 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** + Tải trọng động của động đất ( cho các công trình xây dựng trong vùng có động đất ). Ngoài ra: Kết cấu nhà cao tầng cũng cần phải đợc tính toán kiểm tra với các tr- ờng hợp tải trọng sau : - Do ảnh hởng của sự thay đổi nhiệt độ. - Do ảnh hởng của từ biến. - Do sinh ra trong quá trình thi công. - Do áp lực của nớc ngầm và đất. Khả năng chịu lực của kết cấu cần đợc kiểm tra theo từng tổ hợp tải trọng, đợc quy định theo các tiêu chuẩn hiện hành. Riêng với tải trọng gió: Đối với nhà cao tầng thì cần kể thêm Hệ số tầm quan trọng b. Tính toán hệ kết cấu: + Hệ kết cấu nhà cao tầng cần thiết đợc tính toán cả về tĩnh lực, ổn định và động lực. + Các bộ phận kết cấu đợc tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH 1). Trong trờng hợp đặc biệt do yêu cầu sử dụng thì mới theo trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH 2). + Khác với nhà thấp tầng trong thiết kế nhà cao tầng thì việc kiểm tra ổn định tổng thể công trình đóng vai trò hết sức quan trọng. Các điều kiện cần kiểm tra gồm: * Kiểm tra ổn định tổng thể * Kiểm tra độ cứng tổng thể Tải trọng và tác động đợc lấy theo TCVN 2737-1995. IV. Hình dạng công trình và sơ đồ bố trí kết cấu: IV.1. Sơ đồ mặt bằng, sơ đồ kết cấu : + Nhà cao tầng cần có mặt bằng đơn giản, tốt nhất là lựa chọn các hình có tính chất đối xứng cao. Trong các trờng hợp ngợc lại công trình cần đợc phân ra các phần khác nhau để mỗi phần đều có hình dạng đơn giản. + Các bộ phận kết cấu chịu lực chính của nhà cao tầng nh vách, lõi, khung cần phải đợc bố trí đối xứng. Trong trờng hợp các kết cấu này không thể bố trí đối xứng thì cần phải có các biện pháp đặc biệt chống xoắn cho công trình theo phơng đứng. + Hệ thống kết cấu cần đợc bố trí làm sao để trong mỗi trờng hợp tải trọng sơ đồ làm việc của các bộ phận kết cấu rõ ràng mạch lạc và truyền tải một cách mau chóng nhất tới móng công trình. + Tránh dùng các sơ đồ kết cấu có các cánh mỏng và kết cấu dạng congson theo phơng ngang vì các loại kết cấu này rất dễ bị phá hoại dới tác dụng của động đất và gió bão. IV.2 . Theo ph ơng thẳng đứng: + Độ cứng của kết cấu theo phơng thẳng đứng cần phải đợc thiết kế đều hoặc thay đổi đều giảm dần lên phía trên. + Cần tránh sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu (nh làm việc thông tầng, giảm cột hoặc thiết kế dạng cột hẫng chân cũng nh thiết kế dạng sàn giật cấp). + Trong các trờng hợp đặc biệt nói trên ngời thiết kế cần phải có các biện pháp tích cực làm cứng thân hệ kết cấu để tránh sự phá hoại ở các vùng xung yếu. IV.3. T ơng tác giữa các bộ phận trong hệ kết cấu chịu lực (hệ kết cấu khung - giằng): + Với các nhà còn thấp thì hệ kết cấu khung tỏ ra u việt nhng khi chiều cao nhà tăng lên một mức độ nhất định thì kết cấu khung cứng lại tỏ ra kém hiệu quả (vì kết cấu này có khả năng chịu cắt kém). SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 6 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** + Khắc phục nhợc điểm của kết cấu khung ngời ta đa vào kết cấu công trình các vách cứng (hoặc có các giằng xiên). Hệ kết cấu bao gồm khung cứng - vách cứng gọi là hệ kết cấu khung - giằng. Hệ kết cấu khung giằng: Đặc điểm nổi bật là kết cấu khung chịu lực cắt kém nhng lại có độ cứng chống uốn lớn, ngợc lại các vách cứng lại có độ cứng chống cắt lớn hơn nhng độ cứng chống uốn tơng đối nhỏ, đặc biệt là khi chiều cao nhà tăng lên. Do tính chất khác biệt của hai bộ phận kết cấu nói trên trong quá trình làm việc đồng thời chịu tải trọng ngang vách cứng và khung cứng tơng tác lẫn nhau. Hiệu ứng này thể hiện rõ khi chiều cao nhà tăng lên. IV.4. Cấu tạo các bộ phận liên kết: + Kết cấu nhà cao tầng cần phải có bậc siêu tĩnh cao để trong trờng hợp bị h hại do các tác động đặc biệt nó không bị biến thành các hệ biến hình. + Các bộ phận kết cấu đợc cấu tạo làm sao để khi bị phá hoại do các trờng hợp tải trọng thì các kết cấu nằm ngang sàn, dầm bị phá hoại trớc so với các kết cấu thẳng đứng: cột, vách cứng. V. Lựa chọn vật liệu: + Nhà cao tầng thờng có tải trọng rất lớn, nên vật liệu xây dựng cần có c- ờng độ cao, trọng lợng nhỏ, khả năng chống cháy tốt để tạo điều kiện giảm đợc đáng kể tải trọng cho công trình, kể cả tải trọng đứng cũng nh tải trọng ngang do lực quán tính. + Vật liệu có tính biến dạng cao: Khả năng biến dạng dẻo cao có thể bổ sung cho tính năng chịu lực thấp. + Vật liệu có tính thoái biến thấp: Có tác dụng rất tốt khi chịu tác dụng của tải trọng lặp lại (động đất, gió bão). + Vật liệu có tính liền khối cao: Có tác dụng trong trờng hợp tải trọng có tính chất lặp lại không bị tách rời các bộ phận công trình. + Vật liệu có giá thành hợp lý. Trong điều kiện Việt Nam hay các nớc hiện nay thì vật liệu BTCT hoặc thép là các loại vật liệu đang đợc các nhà thiết kế sử dụng phổ biến trong các kết cấu nhà cao tầng. VI. Thiết kế nhà cao tầng theo ph ơng pháp đa ngành đa lĩnh vực Thiết kế nhà cao tầng yêu cầu một sự phối hợp hết sức chặt chẽ giữa nhiều lĩnh vực, nhiều thành phần khác nhau nh chủ đầu t, công t tài chính, công ty bất động sản, kiến trúc s, kỹ s kết cấu, kỹ s kinh tế, kỹ s cơ điện, nhà thầu thi công và các đơn vị kỹ thuật liên quan khác. Trớc đây công việc thực hiện bởi mỗi thành viên tham gia thiết kế rất ít khi đợc tối u hoá. Trong vòng thập kỹ gần đây, xu hớng đẩy mạnh sự phối hợp giữa các bên liên quan trong quá trình thiết kế đã trở nên rất phổ biến trên thế giới. Mục tiêu cuối cùng của việc tăng cờng hợp tác này nhằm đạt tới một giải pháp thiết kế tổng thể có hiệu quả kinh tế cao nhất. Một trong những ví dụ điển hình là đánh giá sự lợi ích phối hợp giữa kỹ s kết cấu và kỹ s cơ điện trong việc thiết kế lõi cứng và hệ thống sàn. ở đây các yếu tố quan trọng nhất yêu cầu sự kết hợp là việc quyết định chiều cao tầng, vị trí cũng nh kích thớc của các kết cấu thẳng đứng nh lõi cứng, lõi, cột. Trong quá trình thiết kế định hớng vai trò của ngời kỹ s cơ đIửn chỉ giới hạn xung quanh việc cung cấp các thông số yêu cầu về không gian cần thiếtcho phòng đặt máy, chiều cao tối thiểu cho các hệ thống ống đi ngầm trên trần và kích thớc thang máy. VII. Thiết kế tính đến toàn bộ thời gian sử dụng công trình Ngoài các khía cạnh kỹ thuật còn phải đặc biệt chú ý đến các khía cạnh kinh tế có liên quan đến giá thành công trình của nhà cao tầng. Một công trình cao tầng thờng có thời gian sử dụng trong vòng từ 50 đến 100 năm và phải đảm bảo chức năng sử dụng trong suốt thời gian đó. Nhng do SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 7 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** gần đay có sự thay đổ nhanh chóng những nhu cầu về tiện nghi sử dụng, yêu cầu ngày càng cao về môi trờng sống, không gian sinh hoạt và làm việc của những c dân sống trong nhà cao tầng nên luôn có yêu cầu hiện đại hoá các nhà cao tầng đang sử dụng. Chính vì lẽ đó nên trong quá trình thiết kế ngời kỹ s phải lờng trớc đợc những thay đổi có thể xảy ra trong tơng lai, chọn giải pháp kết cấu hợp lý, cho phép thực hiện những thay đổi mà không ảnh hởng gì đến độ bền vững của công trình và đồng thời cũng không đợc quá tốn kém. Các yếu tố cần quan tâm bao gồm: - Kết cấu: chọn vật liệu nào cho phép dễ thay đổi, ví dụ hệ thống sàn composite có u thế hơn sàn ứng suất trớc. - Tải trọng: theo kinh nghiệm thiết kế thì tại các khu công cộng hay kho chứa nên tăng tải trọng thiết kế so với nhu cầu hiện tại để tính đến những thay đổi về sau. - Tầng kỹ thuật: việc bố trí tầng kỹ thuật cũng nh trọng lợng bản thân của hệ thống kỹ thuật ( thiết bị , máy móc, ) phải đợc xác định đầy đủ. - Kết cấu bao che: chọn loại dễ tháo lắp để thay đổi ( vì thờng có cờng độ bền 10 20 năm) ví dụ thay đổi tờng gạch pa- nen đúc sẵn với các liên kết cho phép sửa đổi nhanh chóng. - Kết cấu chịu lực thẳng đứng: chú ý đến tải trọng hiện tại, tơng lai và tải trọng phát sinh trong thi công , sữa chữa (khi cần nâng thêm tầng hoặc lắp thêm các tháp ăng teng trên nóc nhà). - Độ bền theo thời gian: Sự suy giảm độ bền theo thời gian phải đợc kiểm soát, quan trắc, tuy là công việc kho khăn, nhng cần thiết để thực hiện việc bảo trì đúng thời gian yêu cầu, nhằm duy trì độ bền lâu của công trình. Trong cơ cấu giá thành nói trên không đợc quên những chi phí cho bảo trì, và để tính những chi phí sau xây dựng thì phơng pháp thực dụng là chuyển đổi tất cả các chi phí cho công trình trong tơng lai về giá trị hiện tại. Trong giai đoạn thiết kế và thi công thì việc lựa chọn giải pháp thiết kế hợp lý , hoặc có thể chọn phơng pháp thiết kế tối u, là có ý nghĩa nhất. Ví dụ khi chọn hệ lõi để chịu lực ngang của nhầco tầng thì những vấn đề sau đây cần đợc xem xét kỹ. - Giảm tối đa giá thành vật liệu: cân nhắc 3 yếu tố liên quan là khối lợng bêtông, lợng cốt thép và cờng độ bêtông. Nh hình vẽ dới đây thể hiện, trong 3 yếu tố trên thì tăng cờng độ bêtông đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Biến thiên về giá thành và cờng độ chịu lực của vách cứng SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 8 1.0 2.0 3.0 4.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Giá gốc Giá vật liệu C Ư ờng độ dùng để so sánh C Ư ờng độ nén trục của t Ư ờng C h ỉ t ă n g h à m l Ư ợ n g t h é p C h ỉ t ă n g c h i ề u d à y t Ư ờ n g C h ỉ t ă n g c Ư ờ n g đ ộ b ê t ô n g Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** - Tối u hoá kích thớc hình học của lõi để lõi chịu tải trọng dọc trục theo hiệu ứng kéo đẩy và chịu các thành phần mômen uốn theo 2 phơng, vì vậy các vách phía ngoài chịu tải trọng lớn hơn các vách phía trong. - Giảm tối thiểu diện tích lõi để tăng tối đa diện tích sử dụng - Giảm tối thiểu thời gian thi công để giảm lãi suất ngân hàng - Giảm tối thiểu chiều cao tầng khi đặt hệ thống ống kỹ thuật đi ngầm trong sàn. Hiện nay có 2 xu hớng tác động đến giá thành nhà cao tầng. Một là giá thành nhà sẽ giảm xuống đáng kể khi dùng xật liệu mới nhẹ nhng cờng độ cao, khai thác không gian ngầm dới mặt đất nên hiệu suất 1m 2 đấtđợc tăng lên và ph- ơng pháp thi công hiện đại đã rút ngắn thời gian xây dựng. Hai là giá thành hệ thống thiết bị kỹ thuật (thang máy, an toàn, cháy nổ, đảm bảo điều kiện môi tr- ờng) có xu hớng tăng hơn trớc. Do vậy, giá thành càng là bài toán có tính chiến lợc trong phát triển xây dựng nhà cao tầng. SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 9 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** Chơng 2 : nghiên cứu về kết cấu nhà cao tầng và lựa chọn giải pháp tối u I. Nghiên cứu kết cấu nhà cao tầng hiện đại Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cũng nh trên thế giới, yêu cầu về nhà cao tầng ngày một bức xúc vì nhiều lý do khác nhau xuất phát từ yêu cầu thực tế dân số tăng và sự tiến bộ của xã hội, đi kèm theo đó là sự phát triển của khoa học công nghệ, cơ khí và tự động hoá Để đáp ứng những yêu cầu đó và để giải quyết thi công nhanh, nhất là đối với cao ốc có tầm cao rất lớn, giải pháp sử dụng kết cấu thép hoặc kết cấu liên hợp thép - bê tông cho khung sờn nhà cao tầng là phơng án rất có hiệu quả vì nhiều lý do sau đây: * Kết cấu tơng đối nhẹ so với bê tông cốt thép, trọng lợng chỉ bằng khoảng 60% kết cấu BTCT. Tuy đơn giá vật liệu đắt hơn, nhng theo thống kê từ những công trình đã thi công trớc đây, giá thành xây lắp vẫn có khả năng giảm khoảng 80%; vì phơng án nền móng có thể đơn giản, đỡ tốn kém hơn và nhịp khung dầm có thể vợt khẩu độ lớn hơn, vì vậy có khả năng bớt đợc số lợng cột. * Các cấu kiện đợc tiền chế trong điều kiện kiểm tra giám sát chất lợng chặt chẽ trong nhà máy và dễ dàng cơ giới hoá khi lắp dựng, có khả năng thi công với mức độ chính xác cao, tiết kiệm nguyên vật liệu, nhân công. Đồng thời, khung thép vốn dĩ là những cấu kiện lắp ghép ở mức độ lý tởng, tạo điều kiện đẩy nhanh tiến độ thi công, sớm đa công trình vào phục vụ khai thác. * Các chi tiết trong khung thép nhà cao tầng thờng giống nhau, có thể lắp ráp theo nhiều động tác trùng lặp. Hiện trờng công tác gọn nhẹ, điều kiện thi công trong khô ráo cũng là nguyên nhân giảm bớt các thất thoát về vật liệu, lao động và thời gian. Để đạt đợc những u điểm trên và khắc phục những nhợc điểm của kết cấu thép là giá thành cao, biến dạng lớn, thanh nén dễ mất ổn định, rất nhạy cảm đối tải trọng động, với môi trờng xâm thực và nhất là hoả hoạn vấn đề thiết kế nhà cao tầng bằng thép đòi hỏi phải có những nghiên cứu nghiêm túc của kiến trúc s, kỹ s thiết kế và các nhà thầu thi công. Không những phải thông hiểu bản chất kết cấu khung sờn thép, mà còn phải biết rõ mọi cấu kiện hoàn thiện khác lắp dựng sau, chẳng hạn, kết cấu bao che, trang thiết bị kỹ thuật, hoàn thiện nội thất v.v Cần phải xem kết cấu thép nh một phần của tổng thể kết cấu, phải phối hợp các bộ phận có liên quan, đảm bảo tiêu chuẩn hoá và lặp lại tối đa. Về nguyên tắc, mục tiêu chủ yếu vẫn là ba vần đề : kỹ thuật, kiến trúc và kinh tế. + Về kỹ thuật, mục tiêu hàng đầu là phải đảm bảo kết cấu khung thép nhà cao tầng đủ chắc khoẻ, chịu đợc mọi tác động trong suốt quá trình thi công và khai thác sử dụng công trình, kể cả các tác dụng của những tải trọng tai biến, hoả hoạn. Vật liệu nên dùng loại có cờng độ cao, trọng lợng nhẹ và dẻo dai bền chắc. + Về tổ chức không gian sử dụng, kết cấu khung thép là một trong những loại ít khống chế ngăn trở ý đồ thiết kế kiến trúc, có khả năng tạo đợc những bớc cột rộng rãi thông thoáng, rất cần cho các đại sảnh, hội trờng, các phòng ốc cần thoáng đãng, nhng vẫn có thể dễ dàng chia nhỏ, phục vụ cho các văn phòng làm việc bằng các vách ngăn nhẹ nhàng. + Về kinh tế, nếu xét cả vốn đầu t xây lắp và hiệu quả do thi công nhanh, mức độ công nghiệp hoá cao, khai thác sử dụng công trình sớm v.v nhiều công trình nhà cao tầng khung thép và thép-bê tông liên hợp đã đạt mục tiêu kinh tế tốt hơn, nhất là những siêu cao tầng. Sau đây, giới thiệu bảng phân tích so sánh giá thành theo tỷ lệ % các công đoạn xây dựng nhà cao tầng dùng kết cấu thép : - Xây lắp gồm: 1 - San nền, thi công phần móng và bê tông : 11% SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 10 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** 2 - Khung sờn thép, sàn tầng và phòng hoả : 10% 3 - Xây nề : 4% 4 - ốp lát trong ngoài, nhôm kính : 22% 5 - Lợp mái : 5% - Hoàn thiện gồm: 6 - Sàn, trần : 7% 7 - Đá ốp ngoài : 5% 8 - Công việc khác : 8 % 20% - Trang thiết bị gồm: 9 - Cứu hoả : 4% 10 - HVAC : 12% 11 - Điện : 8% 12 - Thang máy : 4% 28% Riêng vật liệu chỉ chiếm khoảng 30-40% tổng giá thành xây lắp, 60-70% còn lại là chi phí thiết kế, chế tạo, lắp ráp, hoàn thiện, các trang thiết bị bảo trì v.v Cơ cấu giá thành chi tiết các bộ phận công trình của một cao ốc văn phòng 55 tầng cụ thể tại Melbourne (Australia) cũng cho thấy giá thành của riêng phần kết cấu, bao gồm cả móng, cũng chỉ chiếm một tỷ lệ khiêm tốn khoảng 28%. SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 52% 11 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** Phần còn lại là chi phí chủ yếu cho kiến trúc bao gồm công tác hoàn thiện và lắp đặt trang thiết bị, kể cả phần cơ điện (khoảng 10%) và các hệ thống phục vụ khác (khoảng 20%). SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 12 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** II. Hệ thống nhà cao tầng khung thép và thép bêtông liên hợp. II.1. về ph ơng diện kết cấu Đối với công trình nhà cao tầng bằng thép, mặc dù có nhiều u điểm nhng về mặt kết cấu, khung thép thờng có độ mảnh lớn. Những cấu kiện chủ yếu đều chịu nén và chịu uốn, rất dễ mất ổn định. Mặt khác, các loại tải trọng ngang nh : gió, động đất, sẽ gây ra những tác động bất lợi. Do đó, khi nghiên cứu thiết kế hệ thống kết cấu, đòi hỏi phải có sự lu ý đặc biệt về một số tiêu chí quan trọng, chẳng hạn, tải trọng ngang thiết kế, điều kiện địa kĩ thuật, tiêu chuẩn về các trạng thái giới hạn ( chuyển vị ngang, dao động, cờng độ, ổn định v.v ). Ngoài ra, hệ thống kết cấu nhà cao tầng còn cần đợc nghiên cứu thiết kế một cách tổng hợp, thoả mãn cả những yêu cầu phi kết cấu, ví dụ: về hình thức bề ngoài, về tỷ lệ kích thớc và cảnh quan kiến trúc; về tổ chức không gian sử dụng; về chủng loại vật liệu phù hợp và dễ cung ứng; về vốn đầu t và điều kiện kinh tế; về công nghệ xây dựng và tổ chức thi công; về hệ thống trang thiết bị kĩ thuật và cấp độ phòng hoả; về điều kiện khai thác và quản lý công trình v.v Cao ốc với khung sờn bằng thép cũng thờng sử dụng làm nhà ở chung c, văn phòng cho thuê, khách sạn. Một số khác còn dùng làm bệnh viện, trờng học v.v Tuy công năng không giống nhau, nhng nguyên tắc xử lý kết cấu nói chung không khác nhau nhiều: cấu trúc khung sờn nhà cao tầng gồm dầm và cột với nhiều cách bố trí cấu tạo khác nhau sẽ cùng chịu lực và mọi tác động trong một hệ kết cấu thống nhất và truyền tải trọng xuống nền móng công trình. Các bộ phận khác nh sàn tầng, tờng ngăn và kết cấu bao che tuy chủ yếu chịu lực cục bộ nhng rồi cũng đều truyền tải trọng lên hệ khung sờn thép. Những siêu cao tầng hoặc nhà có độ mảnh lớn thờng rất nhạy cảm với tải trọng gió và động đất, nh vậy cần thấu hiểu mọi trạng thái của kết cấu. Những thông số quan trọng nhất tác động đến công trình, chẳng hạn nh biên độ dao động giới hạn trên đỉnh lầu do gió bão gây ra không đợc ảnh hởng đến sinh hoạt bình thờng cũng nh tác động xấu đến tâm sinh lý của những ngời c trú trên tầng cao, đồng thời cũng không gây hậu quả bất lợi cho hoạt động của thang máy, không làm rạn nứt kết cấu bao che và các vách ngăn, không ảnh hởng đến kích thớc vốn chặt chẽ của khuôn cửa khi đóng mở v.v Ví dụ nh ở Hoa Kỳ chỉ số ''lắc ngang'' tơng đối /h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định không đợc vợt quá 1,5 3%o trong gió bão 10 năm , tức là biên độ dao động chỉ khoảng 1m khi đỉnh lầu cao 400m so với mặt đất. Nếu thiết kế với gió bão lớn hơn nữa, ví dụ: tần suất 1/100 và 2/100 (gió bão 100 năm và 50 năm ) chỉ số /h giới hạn khoảng 4,8%o tức là chuyển vị trên dới 2m đối với các loại nhà cao hơn 400m. Theo tiêu chuẩn thiết kế của Vơng quốc Anh BS 5950 cũng tơng tự nh vậy: (1/300 ~1/600)h. Vấn đề động đất đối với nhà cao tầng nói chung cần nghiên cứu thiết kế đặc biệt, nhất là với gia tốc nằm ngang của địa chấn. Ngoài thép bổ sung cho các cấu kiện chịu lực, phải tăng cờng thêm các giằng chống và mối nối chịu mômen, đồng thời cũng phải nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu phù hợp có cờng độ cao, trọng lợng nhẹ và tính năng mềm dẻo v.v Trong thực tế thiết kế và xây dựng nhà cao tầng, biện pháp giảm chấn cục bộ hoặc tổng thể trong thời gian gần đây cũng đợc nghiên cứu nhiều, mục đích tránh gây cảm giác khó chịu và bất lợi cho sinh hoạt của c dân sống trên các tầng cao khi có gió bão hoặc động đất. Có thể bố trí bổ sung những chi tiết giảm chấn bằng các thanh thép hình có điểm chảy thấp, hoặc bằng vật liệu có tính đàn dẻo dễ hấp thu năng lợng dao động. Cũng có thể dùng những thiết bị giảm chấn hiện đại có điều khiển đặt trên đỉnh (lầu thợng) hoặc dới chân móng công trình. Khung sờn thép đợc phòng hoả bằng cách bọc bê tông, thạch cao, gốm sứ hoặc phun phủ bằng các loại vật liệu kỵ lửa có dung trọng nhẹ. Vách ngăn, tờng bao, SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 13 Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** sàn tầng thờng đợc xây cất bằng bê tông, gạch gốm, nhôm kính, thép và kim loại cán nóng cũng nh tạo hình nguội, hoặc vật liệu compozit hiện đại II.2. Phân loại kết cấu nhà cao tầng : Các loại nhà cao tầng có thể phân thành nhiều cách khác nhau. Riêng về kết cấu khung sờn chịu lực có mấy cách phân loại sau : a. Theo cách phân loại của khan Fazlur (1966), gồm 4 loại : Loại I : Hệ khung, gồm 2 loại: khung cứng và khung nửa cứng (thờng dùng cho những cao ốc 15ữ18 tầng); Loại II : Hệ khung giằng, gồm 2 loại: khung giằng có và không có dàn đai (thích dụng đối với cao ốc 45ữ50 tầng); Loại III : Hệ ống thanh thành mỏng, tiết diện hở, gồm 2 loại : có các vách dạng dàn phẳng và dạng tiết diện chữ I (60ữ65 tầng); Loại IV: Hệ ống kín, gồm 3 loại: ống có khung bên trong , ống lồng ống, kể cả ống bó và ống có giằng chéo lớn bên ngoài ( 90, 100, 110 tầng). b. Theo cách phân loại chi tiết của Wolgang Schueller (1976), kết cấu thông dụng nhất trong xây dựng nhà cao tầng nh sau: Hệ kết cấu chỉ có vách cứng song song theo một hớng (H.2a); Hệ có lõi cứng ở giữa và vách cứng xung quanh biên (H.2b); Hệ gồm các blốc lắp ghép theo kiểu khối xây (H.2c); Hệ lõi cứng và các tầng sàn ngàm công-xôn xung quanh (H.2d); Hệ khung gồm cột và các sàn tầng không dầm (H.2e); Hệ lõi cứng và các côngxôn cao bằng một tầng, bố trí cách tầng (H.2f); Hệ lõi cứng và các sàn treo vào dầm gánh bố trí trên tầng đỉnh (H.2g); Hệ có các dàn cao bằng một tầng đặt so le và cách tầng (H.2h); Hệ khung không gian nút cứng (H.2i); Hệ lõi cứng làm việc tơng tác với khung cứng (H.2j); Hệ vách cứng dạng dàn tơng tác với khung cứng (H.2k); Hệ lõi cứng dạng dàn với dàn đỉnh và dàn đai (H.2l); Hệ ống lồng ống (H.2m); Hệ gồm nhiều ống bố trí thành cụm, thành bó ống (H.2n). SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 14 [...]... 25 tầng) ; Kết cấu ống (lõi) lồng ống (H.5c là ví dụ cao ốc 25 tầng) ; Kết cấu ống lồng và vách nh ống thứ 3 (H.5d là ví dụ cao ốc 32 tầng) SVTH : Lê Xuân Tùng 17 gvhd : gs tskh nguyễn trâm Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** Hình 5 III Sự làm việc của kết cấu thép nhà cao tầng : Cấu kiện chịu lực chủ yếu của nhà cao tầng khung... - Kết cấu khung; - Kết cấu tờng chịu cắt ( vách cứng ); - Kết cấu hỗn hợp khung-tờng chịu cắt; - Kết cấu ống (lõi): ống trong, ống ngoài, ống lồng, ống bó và ống tổ hợp f Riêng về chung c cao tầng mới đây (tháng 4 năm 2002) ở Nhật bản phân loại gồm 4 dạng kết cấu khác nhau: Kết cấu khung có nút cứng chịu mômen (H.5a là ví dụ cao ốc 38 tầng) ; Kết cấu khung và tờng chịu cắt (H.5b là ví dụ cao ốc 25 tầng) ;... văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** cấp a Hệ khung (XX) Vách cấp b Hệ giằng (XX, YY, Z) Lõi Khung ống Kết cấu phẳng 1 Khung giằng Lõi thép giằng cấp c BTCT Nút cứng ống Vách giằng Lõi BT giằng cấp d Hệ khung sàn (XX) Thép Kết cấu phẳng 2 Dạng cao ốc và truyền tải Thép - BT Kết cấu phẳng 1 Kết cấu phẳng 2 ống Hình 4 e Theo các tác giả Trung Quốc về kết cấu gồm... loại kết cấu khung thép nhà cao tầng, nhiệm vụ quan trọng tiếp theo là xác định phơng án bố trí lới cột Trong kết cấu thép, vị trí cột có ảnh hởng lớn tới tới phơng án kết cấu khung sờn và do đó ảnh hởng tới cấu tạo chung của toàn bộ công trình, bao gồm cả kết cấu dầm sàn, các hệ giằng (vách cứng và lõi cứng), kết cấu bao che, vách ngăn và các vị trí ô cửa v.v Nói chung, trong kết cấu khung thép nhà cao. .. toán kết cấu BTCT Ưu điểm của kết cấu thép-bêtông liên hợp đã đợc thử nghiệm trong nhiều nhà cao tầng ở nhiều nớc, cụ thể là: Nếu so với kết cấu thép, u điểm nổi bật của loại hình kết cấu này là có khả năng bảo vệ thép chống xâm thực của môi trờng, tăng cờng độ cứng, do đó tăng khả năng ổn định cho kết cấu thép thanh mảnh và nhất là tăng khả năng chống cháy nổ cho công trình Nếu so với kết cấu BTCT, kết. ..Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** Hình 2 SVTH : Lê Xuân Tùng 15 gvhd : gs tskh nguyễn trâm Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** c Theo hệ kết cấu do CTBUH, group SC phân loại (1980): Loại I : Khung chịu cắt gồm : khung... phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** Ngoài giải pháp sử dụng khung sờn chịu lực hoàn toàn bằng thép, nhất là trong các trờng hợp siêu cao tầng, đối với các loại cao ốc có tầm cao trung bình (khoảng trên 20 tầng) , phơng án đợc dùng nhiều nhất là kết cấu thép-bêtông liên hợp, vì kết cấu bêtông với cốt thép thông thờng cũng sẽ không hợp lý: hoặc kích thớc tiết diện cấu. .. kích ( tăng đơ ) sàn tầng d ới bản sàn đổ tại chỗ sàn tầng d ới sau khi xả kích SVTH : Lê Xuân Tùng 29 gvhd : gs tskh nguyễn trâm Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** Hình 23 SVTH : Lê Xuân Tùng 30 gvhd : gs tskh nguyễn trâm Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng *****************************... phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** fin floor 18 wf 96 5/2" ( bê tông ) 1' - 6" 3' - 4" 28' - 0" 18 " (dầm gió) 18 " (dầm gió) 18 " (dầm gió) 18 " (dầm gió) 25/8" ( sàn tầng ) Phun phủ phòng cháy 1' - 0" Phần để bố trí đ ờng ống Trần giả.3" 18 wf 96 25' - 8" 8' - 2" ( Chiều cao trần ) Mặt cắt A-A ( tốt hơn ) Hình 9 Bản thân kết cấu sàn trong khung thép nhà cao tầng. .. gvhd : gs tskh nguyễn trâm Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp thiết kế kết cấu nhà cao tầng ***************************** III.6 Các hệ giằng : Khung thép nhà cao tầng nếu không có hệ giằng sẽ rất yếu khi chịu tải trọng ngang, vì nếu các nút đợc mô hình hóa nh những liên kết khớp tơng tự ở các loại dàn thép thì kết cấu khung sẽ dễ dàng bị siêu lệch hoặc biến hình dới tác dụng của lực . quá 1, 5 3%o trong gió bão 10 năm , tức là biên độ dao động chỉ khoảng 1m khi đỉnh lầu cao 400m so với mặt đất. Nếu thiết kế với gió bão lớn hơn nữa, ví dụ: tần suất 1/ 100 và 2 /10 0 (gió bão 10 0. với nhịp sàn L 11 m. SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm . 22 Hình 12 0 5 10 15 20 sàn btct đúc sẵn (lg) sàn thép liên hợp dầm kê độn dầm liên hợp dầm vát, lục lăng Nhịp (m) 1 2 3 4 5 . chữ I ; Loại IV : Hệ ống kín: ống ngoài; ống bó và ống ngoài có giằng chéo . 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 11 0 12 0 loại i loại ii loại iv loại iii k h u n g n ử a c ứ n g k h u n g c ứ n g k h u n g