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

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH 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 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. MỤC LỤC 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 3.4.3. Phương án 2 .................................................................................................77 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. DANH MỤC CÁC BẢNG 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 3.24. Kiểm tra chuyển vị tương đối giữa các tầng-Phương X (Phương án 1) .....70 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 DANH MỤC CÁC HÌNH 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 1 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 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 3 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 nhà cao tầng Chiều cao 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). (Nguồn: Internet) Định nghĩa về nhà cao tầng thay đổi theo từng nước và gắn liền với một loạt các điều kiện kinh tế, kỹ thuật, xã hội riêng biệt. Để cho khái niệm về nhà cao tầng mang tính khoa học, Uỷ ban quốc tế về nhà cao tầng đã đưa ra định nghĩa như sau: nhà nhiều tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng tới ý đồ và cách thức thiết kế. Hoặc nói cách tổng quát hơn: một công trình xây dựng được xem là nhiều tầng ở 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 nhà thông thường. Định nghĩa này còn tùy thuộc vào quan điểm của từng người, từng thời 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. Theo quan điểm của một số nước đã định nghĩa nhà cao tầng: 4 Bảng 1.2. Bảng nhà cao tầng theo định nghĩa của một số nước.[1] Nước Đặc điểm nhà cao tầng 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 448m. - 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)…. 5 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) 6 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. 7 1.4.2. Hệ tường chịu lực Đối với hệ tường chịu lực, các cấu kiện thẳng đứng chịu lực của nhà là các tấm tường phẳng vừa chịu tải trọng đứng, vừa chịu tải trọng ngang đồng thời làm cả nhiệm vụ vách ngăn cho các phòng. Căn cứ vào cách bố trí các tấm tường mà công trình được chia ra thành các sơ đồ sau: - 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. a) b) c) 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 8 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. 9 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 quả như cột thẳng đứng. Đồng thời gây khó khăn cho việc tạo ô cửa sổ. 10 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. a) b) 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) 11 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] (Nguồn: Internet) Hệ kết cấu này phù hợp với các nhà có độ cao trung bình và thật lớn với mặt bằng đơn giản như hình chữ nhật, hình vuông. Hệ lõi có thể đặt trong hoặc ngoài biên. Hệ sàn các tầng được gối trực tiếp vào tường lõi qua các hệ cột trung gian. 1.5.3. Hệ khung – hộp chịu lực Trong sơ đồ giằng, khi chịu tải trọng ngang sẽ gây ra chuyển vị dọc khác nhau giữa cột bên trong và hộp bên ngoài. Độ chênh lệch chuyển vị dọc sẽ làm cho các các vách ngăn bị nứt và gây rối loạn các liên kết. Để tránh hiện tượng này cần thêm các dàn ngang để hỗ trợ chịu tải trọng ngang. 1.5.4. Hệ hộp - tường chịu lực Trong hệ hỗn hợp này, các tường chịu lực được bố trí bên trong hộp và cùng tham gia chịu tải (đứng và ngang) cùng với hộp. 1.5.5. Hệ hộp – lõi chịu lực Các lõi được bố trí bên trong hộp và cùng tham gia chịu tải trọng đứng và ngang. Các bản sàn có nhiệm vụ liên kết chúng lại với nhau. Khi chịu tải trọng ngang thì phần hộp chịu phần lớn tải trọng ngang ở phía trên nhà, còn lõi chịu phần lớn tải trọng ngang ở phía dưới nhà. 12 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] (Nguồn: Internet) Tại vị trí cao độ tầng cứng, độ cứng kết cấu bị thay đổi đột ngột. Dưới tác động của tải trọng ngang, nội lực trong lõi cũng như trong dầm và cột tại cao độ tầng cứng và gần đó có quy luật phức tạp và trong nhiều trường hợp thay đổi dạng bước nhảy làm cho thiết kế cấu tạo gặp khó khăn. 13 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. b) c) 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