Tài liệu Luận văn thạc sĩ xây dựng Tính toán kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động của động đất theo TCXDVN 375-2006

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Bé x©y dùng Tr−êng ®¹i häc kiÕn tróc Hμ néi ----------------- nguyÔn tÊt t©m tÝnh to¸n kÕt cÊu nhμ cao tÇng bª t«ng cèt thÐp Cã TÇNG CøNG chÞu T¸C §éng cña ®éng ®Êt theo tcxdvn 375 - 2006 luËn v¨n th¹c sÜ Chuyªn ngµnh: X©y dùng c«ng tr×nh d©n dông vµ c«ng nghiÖp Hµ néi - 2010 Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Bé x©y dùng Tr−êng ®¹i häc kiÕn tróc Hμ néi ------------------ nguyÔn tÊt t©m khãa: 2007 - 2010. Líp: ch2007x tÝnh to¸n kÕt cÊu nhμ cao tÇng bª t«ng cèt thÐp Cã TÇNG CøNG chÞu T¸C §éng cña ®éng ®Êt theo tcxdvn 375 - 2006 luËn v¨n th¹c sÜ Chuyªn ngµnh: X©y dùng c«ng tr×nh d©n dông vµ c«ng nghiÖp M∙ sè: 60.58.20 ng−êi h−íng dÉn khoa häc: pgs.Ts. nguyÔn tiÕn ch−¬ng Hµ néi - 2010 lêi c¶m ¬n Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn LuËn v¨n nµy, t¸c gi¶ ®−îc ng−êi h−íng dÉn khoa häc lµ ThÇy gi¸o PGS. TS. NguyÔn TiÕn Ch−¬ng tËn t×nh gióp ®ì, h−íng dÉn còng nh− t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó t¸c gi¶ hoµn thµnh LuËn v¨n cña m×nh. Qua ®©y, t¸c gi¶ xin göi lêi c¶m ¬n ch©n thµnh tíi ThÇy! T¸c gi¶ còng xin tr©n träng c¶m ¬n c¸c ThÇy c« gi¸o, c¸c C¸n bé cña khoa §µo t¹o Sau ®¹i häc, thuéc Tr−êng §¹i häc KiÕn tróc Hµ Néi ®· gióp ®ì, chØ dÉn trong qu¸ tr×nh häc tËp vµ nghiªn cøu. T¸c gi¶ xin bµy tá lßng biÕt ¬n ®Õn Gia ®×nh ®· ®éng viªn vµ t¹o mäi ®iÒu kiÖn tèt nhÊt cho t¸c gi¶ häc tËp, nghiªn cøu. Cuèi cïng, t¸c gi¶ xin göi lêi c¶m ¬n ch©n thµnh ®Õn nh÷ng ng−êi b¹n ®· lu«n nhiÖt t×nh gióp ®ì t¸c gi¶ hoµn thµnh tèt LuËn v¨n nµy. Do thêi gian thùc hiÖn ®Ò tµi kh«ng nhiÒu vµ tr×nh ®é cña t¸c gi¶ cã h¹n, mÆc dï ®· hÕt søc cè g¾ng nh−ng trong LuËn v¨n sÏ kh«ng tr¸nh khái nh÷ng sai sãt, t¸c gi¶ rÊt mong nhËn ®−îc nh÷ng ý kiÕn ®ãng gãp cña c¸c thÇy c« gi¸o cïng c¸c b¹n ®ång nghiÖp ®Ó LuËn v¨n hoµn thiÖn h¬n. Hµ Néi, ngµy th¸ng 05 n¨m 2010 T¸c gi¶ LuËn v¨n NguyÔn TÊt T©m lêi cam ®oan Tªn t«i lµ: NguyÔn TÊt T©m Sinh ngµy: 01 - 01 - 1979 N¬i sinh: Th¹ch Linh, Th¹ch Hµ, Hµ TÜnh N¬i c«ng t¸c: Khoa X©y dùng, Tr−êng §¹i häc KiÕn tróc Hµ Néi T«i xin cam ®oan LuËn v¨n tèt nghiÖp Cao häc ngµnh X©y dùng c«ng tr×nh d©n dông vµ c«ng nghiÖp víi ®Ò tµi: " TÝnh to¸n kÕt cÊu Nhµ cao tÇng Bª t«ng cèt thÐp cã tÇng cøng chÞu t¸c ®éng cña §éng ®Êt theo tcxdvn 375 - 2006" lµ LuËn v¨n do c¸ nh©n t«i thùc hiÖn. C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n c¸c M« h×nh tu©n thñ Tiªu chuÈn X©y dùng hiÖn hµnh. KÕt qu¶ tÝnh to¸n nµy kh«ng sao chÐp bÊt kú tµi liÖu nµo kh¸c. Hµ Néi, ngµy th¸ng 05 n¨m 2010 Ng−êi cam ®oan NguyÔn TÊt T©m 1 Môc lôc Lêi c¶m ¬n ............................................................................................................... Lêi cam ®oan ......................................................................................................... Trang Môc lôc ................................................................................................................ 1 Më ®Çu ................................................................................................................... 4 Ch−¬ng 1. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng bª t«ng cèt thÐp vµ mét sè gi¶i ph¸p h¹n chÕ chuyÓn vÞ ngang ....................................................... 7 1.1. LÞch sö ph¸t triÓn nhµ cao tÇng ........................................................................... 7 1.1.1. Nguyªn nh©n xuÊt hiÖn Nhµ cao tÇng ...................................................... 7 1.1.2. §Þnh nghÜa vµ Ph©n lo¹i Nhµ cao tÇng .................................................... 7 1.1.3. LÞch sö ph¸t triÓn nhµ cao tÇng ................................................................ 8 1.2. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc vµ s¬ ®å lµm viÖc cña Nhµ cao tÇng. Nguyªn t¾c bè trÝ kÕt cÊu chÞu t¶i träng ngang ....................................................................................... 9 1.2.1. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc cña Nhµ cao tÇng................................................ 9 1.2.2. S¬ ®å lµm viÖc cña Nhµ cao tÇng ........................................................... 10 1.2.3. Nguyªn t¾c bè trÝ kÕt cÊu chÞu t¶i träng ngang...................................... 11 1.3. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc c¬ b¶n .......................................................................... 12 1.3.1. HÖ khung chÞu lùc (I) ............................................................................ 12 1.3.2. HÖ t−êng chÞu lùc (II) ........................................................................... 14 1.3.3. HÖ lâi chÞu lùc (III) ............................................................................... 15 1.3.4. HÖ hép chÞu lùc (IV) ............................................................................. 17 1.4. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc hçn hîp........................................................................ 19 1.4.1. HÖ khung - gi»ng ................................................................................... 19 1.4.2. HÖ khung - v¸ch .................................................................................... 21 1.4.3. HÖ khung - lâi........................................................................................ 22 1.4.4. HÖ khung - v¸ch - lâi ............................................................................. 22 1.4.5. HÖ hép - lâi............................................................................................ 23 2 1.5. C¸c hÖ kÕt cÊu ®Æc biÖt...................................................................................... 23 1.5.1. KÕt cÊu cã hÖ dÇm truyÒn ...................................................................... 23 1.5.2. KÕt cÊu cã tÇng cøng vµ c¸c vÝ dô ......................................................... 25 Ch−¬ng 2. ¶nh h−ëng cña tÇng cøng ®Õn kh¶ n¨ng chÞu t¶i träng ngang cña kÕt cÊu Nhµ cao tÇng bª t«ng cèt thÐp. vÝ dô tÝnh to¸n ..................................................................................................... 29 2.1. Sù lµm viÖc cña kÕt cÊu nhµ cao tÇng cã tÇng cøng........................................... 29 2.1.1. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng cã tÇng cøng........................................................ 29 2.1.2. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng cã 1 tÇng cøng ë ®Ønh (x = 0; z = L) ................. 30 2.1.3. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng cã 1 tÇng cøng c¸ch ®Ønh 0,25.L (x = 0,25.L; z = 0,75.L) ............................................................................................................. 31 2.1.4. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng cã 1 tÇng cøng c¸ch ®Ønh 0,5.L (x = 0,5.L; z = 0,5.L) .............................................................................................................. 33 2.1.5. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng cã 1 tÇng cøng c¸ch ®Ønh 0,75L (x = 0,75.L; z = 0,25.L) ..................................................................................................................... 34 2.1.6. TÝnh to¸n vÞ trÝ tèi −u cho tÇng cøng trong Nhµ cao tÇng cã 1 tÇng cøng35 2.1.7. TÝnh to¸n vÞ trÝ tèi −u cho c¸c tÇng cøng trong Nhµ cao tÇng cã 2 tÇng cøng ................................................................................................................. 38 2.2. VÝ dô vÒ c«ng tr×nh ®· x©y dùng ....................................................................... 43 2.3. VÝ dô tÝnh to¸n .................................................................................................. 44 2.3.1. M« t¶ ..................................................................................................... 44 2.3.2. TÝnh to¸n t¶i träng giã t¸c dông lªn c«ng tr×nh ..................................... 44 2.3.3. C¸c tr−êng hîp tÝnh to¸n ....................................................................... 45 2.3.4. KÕt qu¶ tÝnh to¸n ................................................................................... 46 2.4. NhËn xÐt ........................................................................................................... 53 Ch−¬ng 3. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng bª t«ng cèt thÐp cã tÇng cøng chÞu t¸c ®éng ®éng ®Êt. C¸c vÝ dô tÝnh to¸n .................... 54 3.1. C¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n t¸c ®éng cña ®éng ®Êt ........................................... 54 3.1.1. Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt t¸c ®éng ®éng ®Êt lªn c«ng tr×nh ................... 54 3 3.1.2. Ph©n lo¹i theo c¸c ®Æc tÝnh lµm viÖc cña HÖ kÕt cÊu chÞu lùc cña c«ng tr×nh x©y dùng .......................................................................................................... 54 3.2. Ph−¬ng ph¸p TÜnh lùc ngang t−¬ng ®−¬ng ....................................................... 54 3.3. Ph−¬ng ph¸p Phæ ph¶n øng .............................................................................. 55 3.4. Tiªu chuÈn TCXDVN 375: 2006 ...................................................................... 55 3.4.1. Ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch tÜnh lùc ngang t−¬ng ®−¬ng ............................. 58 3.4.2. Ph−¬ng ph¸p Ph©n tÝch phæ ph¶n øng d¹ng dao ®éng ........................... 59 3.4.3. Tæ hîp c¸c hÖ qu¶ cña c¸c thµnh phÇn t¸c ®éng ®éng ®Êt..................... 59 3.5. TÝnh to¸n KÕt cÊu Nhµ cao tÇng Bª t«ng cèt thÐp cã tÇng cøng chÞu t¸c ®éng ®éng ®Êt .................................................................................................................... 60 3.5.1. TÝnh to¸n m« h×nh MH9 chÞu ®éng ®Êt theo TCXDVN 375: 2006....... 61 3.5.2. C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ c¸c B¶ng so s¸nh ............................................ 64 3.6. TÝnh to¸n vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng thø hai khi tÇng cøng thø nhÊt bè trÝ cè ®Þnh t¹i ®Ønh c«ng tr×nh ............................................................................................ 83 3.6.1. C¸c m« h×nh tÝnh to¸n............................................................................ 83 3.6.2. KÕt qu¶ tÝnh to¸n ................................................................................... 84 KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ ................................................................................. 87 Tµi liÖu tham kh¶o ....................................................................................... 88 Phô lôc.............................................................................................. PL1 ®Õn PL15 4 Më ®Çu • Lý do chän ®Ò tµi B−íc sang thÕ kû 21, viÖc ®« thÞ ho¸ vµ x©y dùng nhµ cao tÇng ®ang lµ vÊn ®Ò thêi sù nãng báng cña n−íc ta. Khi thiÕt kÕ nh÷ng c«ng tr×nh cao tÇng, ngoµi c¸c lo¹i t¶i träng th«ng th−êng, ®ßi hái ng−êi lµm c«ng t¸c t− vÊn thiÕt kÕ ph¶i xem xÐt kü l−ìng ®Õn sù t¸c ®éng cña ®éng ®Êt lªn c«ng tr×nh. §éng ®Êt thùc sù lµ mét th¶m ho¹ cña thiªn nhiªn ®èi víi sù sèng cña con ng−êi trªn tr¸i ®Êt, tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c c«ng tr×nh ®Òu bÞ ph¸ huû sau ®éng ®Êt mµ ta vÉn cã thÓ nghiªn cøu, x©y dùng ®−îc nh÷ng c«ng tr×nh cã kh¶ n¨ng chèng ®éng ®Êt ë nh÷ng cÊp ®é nµo ®ã. §Ó t¨ng ®é cøng khi chÞu t¶i träng ngang cho c«ng tr×nh, c¸c nhµ cao tÇng th−êng ®−îc bè trÝ thªm tÇng cøng (cã thÓ kÕt hîp lµm tÇng kü thuËt). Lµ mét ng−êi ®ang lµm c«ng t¸c nghiªn cøu vµ gi¶ng d¹y, t«i chän nghiªn cøu ®Ò tµi mµ cho ®Õn nay míi chØ ®−îc xem xÐt chñ yÕu qua bµi to¸n t¶i träng tÜnh, cßn bµi to¸n t¶i träng ®éng th× c¸c nghiªn cøu cßn h¹n chÕ. Ngoµi ra, c¸c nghiªn cøu vÒ vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng ®Ó chuyÓn vÞ ®Ønh c«ng tr×nh khi chÞu ®éng ®Êt lµ nhá nhÊt còng ch−a ®Çy ®ñ. Tiªu chuÈn X©y dùng ViÖt Nam TCXDVN 375 - 2006 ®Ò ra ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n c«ng tr×nh chÞu ®éng ®Êt theo Phæ ph¶n øng, qua ®Ò tµi cña m×nh t«i muèn t×m hiÓu c¸c kÕt cÊu Nhµ cao tÇng cã tÇng cøng khi chÞu t¸c ®éng ®éng ®Êt vµ t×m hiÓu vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng. • Môc ®Ých cña ®Ò tµi - T×m hiÓu c¸c d¹ng kÕt cÊu Nhµ cao tÇng, c¸c ph−¬ng ph¸p h¹n chÕ chuyÓn vÞ ngang khi chÞu t¶i giã b·o, ®éng ®Êt. - T×m hiÓu vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng trong Nhµ cao tÇng cã mét tÇng cøng, cã hai tÇng cøng khi chÞu t¶i träng ngang tÜnh. - Nghiªn cøu c¬ së lý thuyÕt kh¸ng chÊn, c¸c ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh t¶i träng ®éng ®Êt t¸c ®éng lªn kÕt cÊu c«ng tr×nh. Dùa theo Tiªu chuÈn TCXDVN 375-2006 vÒ thiÕt kÕ c«ng tr×nh ®éng ®Êt vµ c¸c tµi liÖu, Tiªu chuÈn n−íc ngoµi liªn quan ®Ó t×m hiÓu ph−¬ng ph¸p Phæ ph¶n øng ¸p dông trong thiÕt kÕ. 5 - Xem xÐt ¶nh h−ëng cña tÇng cøng ®Õn c«ng tr×nh khi chÞu t¸c ®éng ®éng - §Ò xuÊt vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng trong Nhµ cao tÇng cã tÇng cøng khi ®Êt. chÞu t¸c ®éng cña ®éng ®Êt. - TËp hîp c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n, tõ ®ã ®¸nh gi¸ ®−îc ¶nh h−ëng cña vÞ trÝ tÇng cøng ®Õn nhµ cao tÇng khi chÞu t¸c ®éng ®éng ®Êt. • §èi t−îng nghiªn cøu - Hå s¬ thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh nhµ cao tÇng Bª t«ng cèt thÐp cã tÇng cøng, ®−îc x©y dùng trong vµ ngoµi n−íc. Nghiªn cøu c¸c c«ng tr×nh ®· x©y dùng vµ ®ang thiÕt kÕ. - M« h×nh hãa c¸c d¹ng kÕt cÊu nhµ cao tÇng b»ng ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n x¸c ®Þnh vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng cho c«ng tr×nh cã tÇng cøng chÞu t¶i träng ngang tÜnh vµ ®éng ®Êt. • Ph¹m vi nghiªn cøu - C¸c c«ng tr×nh nhµ cao tÇng, kÕt cÊu khung bª t«ng cèt thÐp chÞu lùc cã tÇng cøng. - VÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng trong nhµ cao tÇng cã mét tÇng cøng, nhµ cao tÇng cã hai tÇng cøng chÞu t¶i träng ngang tÜnh. - Ph−¬ng ph¸p phæ ph¶n øng trong tÝnh to¸n nhµ cao tÇng chÞu t¸c ®éng ®éng - VÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng trong nhµ cao tÇng cã mét tÇng cøng, nhµ cao ®Êt. tÇng cã hai tÇng cøng chÞu t¸c ®éng ®éng ®Êt. • Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu - T×m hiÓu lý thuyÕt tÝnh to¸n t¸c ®éng cña ®éng ®Êt lªn c«ng tr×nh theo c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau. - T×m hiÓu lý thuyÕt tÝnh to¸n t¸c ®éng cña ®éng ®Êt theo Phæ ph¶n øng trong TCXDVN 375 - 2006. - Ph©n tÝch, tÝnh to¸n c¸c d¹ng dao ®éng riªng, chu kú, biªn ®é vµ t¶i träng ®éng ®Êt t¸c ®éng lªn Nhµ cao tÇng cã tÇng cøng b»ng ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n. 6 - So s¸nh, tæng hîp vµ rót ra nhËn xÐt, kÕt luËn. • ý nghÜa khoa häc vµ ý nghÜa thùc tiÔn cña ®Ò tµi - ý nghÜa khoa häc: Bµi to¸n t×m vÞ trÝ tèi −u cña c¸c tÇng cøng trong nhµ cao tÇng khi chÞu t¶i träng ngang tÜnh (t¶i giã) vµ Bµi to¸n t×m vÞ trÝ tèi −u cña c¸c tÇng cøng trong nhµ cao tÇng khi chÞu t¶i träng ngang ®éng (®éng ®Êt) lµ c¸c bµi to¸n kh¸c nhau. Bµi to¸n t×m vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng khi chÞu t¶i träng ngang tÜnh th× ®¬n gi¶n h¬n, cã thÓ tÝnh to¸n b»ng thñ c«ng (nÕu chÊp nhËn mét sè gi¶ thiÕt tÝnh to¸n), hoÆc sö dông ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n. Cßn Bµi to¸n t×m vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng trong nhµ cao tÇng khi chÞu t¶i träng ®éng ®Êt th× phøc t¹p h¬n nhiÒu, chñ yÕu ph¶i sö dông phÇn mÒm m¸y tÝnh vµ ph¶i tÝnh to¸n qua nhiÒu tr−êng hîp. VËy nÕu kÕt qu¶ tÝnh theo Bµi to¸n tÜnh mµ ¸p dông ®−îc cho Bµi to¸n ®éng th× sÏ rÊt thuËn lîi cho c¸c c«ng tr×nh khi tÝnh to¸n vÞ trÝ tèi −u cña tÇng cøng. - ý nghÜa thùc tiÔn: BiÖn ph¸p h¹n chÕ chuyÓn vÞ ngang cña Nhµ cao tÇng khi chÞu t¶i träng ngang lµ mét biÖn ph¸p h÷u hiÖu, an toµn, Ýt tèn kÐm; c¸c tÇng ®−îc bè trÝ thªm hÖ kÕt cÊu t¨ng cøng (v¸ch, dµn, ...) cã thÓ kÕt hîp lµm tÇng Kü thuËt cho tßa nhµ. ViÖc t×m vÞ trÝ tèi −u ®Ó gi¶m tèi thiÓu chuyÓn vÞ ngang khi t¶i träng giã, ®éng ®Êt t¸c ®éng lªn c«ng tr×nh nh»m t¨ng vai trß cña c¸c tÇng cøng; gióp c¸c Kü s− kÕt cÊu, KiÕn tróc s− cã ®Þnh h−íng trong bè trÝ tÇng cøng (tÇng kü thuËt) cho c¸c c«ng tr×nh nhµ cao tÇng. Ngoµi ra, xÐt ý nghÜa thêi sù th× trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y t¹i ViÖt Nam xuÊt hiÖn nhiÒu c«ng tr×nh nhµ cao tÇng, mét sè c«ng tr×nh cã chiÒu cao ®Õn 345m – 70 tÇng (Keangnam Hanoi Landmark Tower); 262,5 m – 68 tÇng (Trung t©m tµi chÝnh Bitexco); 195 m – 65 tÇng (Hanoi City Complex), c¸c tæ hîp chung c− 70 tÇng (Khu ®« thÞ An Kh¸nh), ... cã sö dông tÇng cøng ®Ó h¹n chÕ chuyÓn vÞ ®Ønh cho thÊy ý nghÜa rÊt thùc tiÔn cña ®Ò tµi. 7 Ch−¬ng 1. KÕt cÊu Nhµ cao tÇng bª t«ng cèt thÐp vµ mét sè gi¶i ph¸p h¹n chÕ chuyÓn vÞ ngang 1.1 LÞch sö ph¸t triÓn nhµ cao tÇng 1.1.1. Nguyªn nh©n xuÊt hiÖn Nhµ cao tÇng [5] Sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ vÒ kinh tÕ, x· héi dÉn ®Õn t¹i mét sè ®« thÞ trªn thÕ giíi d©n sè ngµy cµng ®«ng ®óc, nhu cÇu vÒ nhµ ë, v¨n phßng lµm viÖc, trung t©m th−¬ng m¹i, kh¸ch s¹n, ... t¨ng lªn ®¸ng kÓ, trong khi quü ®Êt x©y dùng l¹i thiÕu trÇm träng lµm gi¸ ®Êt t¨ng lªn. Ngoµi ra, ®Ó thuËn lîi cho quan hÖ c«ng t¸c, viÖc bè trÝ nhiÒu v¨n phßng c«ng ty gÇn nhau còng lµ yÕu tè thóc ®Èy ph¸t triÓn kinh tÕ, gi¶m chi phÝ vËn hµnh ... §iÒu nµy ®· thóc ®Èy sù h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn cña Nhµ cao tÇng. 1.1.2. §Þnh nghÜa vµ Ph©n lo¹i Nhµ cao tÇng §Þnh nghÜa [10]: Theo ñy ban Nhµ cao tÇng Quèc tÕ: “Ng«i nhµ mµ chiÒu cao cña nã lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh c¸c ®iÒu kiÖn thiÕt kÕ, thi c«ng hoÆc sö dông kh¸c víi c¸c ng«i nhµ th«ng th−êng ®−îc gäi lµ Nhµ cao tÇng”. Cã thÓ ®Þnh nghÜa theo c¸ch kh¸c: “Nhµ cao tÇng lµ mét nhµ mµ chiÒu cao cña nã ¶nh h−ëng tíi ý ®å vµ c¸ch thøc thiÕt kÕ”. Ph©n lo¹i: Ph©n lo¹i theo môc ®Ých sö dông: - Nhµ ë - Nhµ lµm viÖc vµ c¸c dÞch vô kh¸c. - Kh¸ch s¹n. Ph©n lo¹i theo h×nh d¹ng: - Nhµ th¸p: mÆt b»ng h×nh trßn, tam gi¸c, vu«ng, ®a gi¸c ®Òu c¹nh, trong ®ã giao th«ng theo ph−¬ng ®øng tËp trung vµo mét khu vùc duy nhÊt. - Nhµ d¹ng thanh: mÆt b»ng ch÷ nhËt, trong ®ã cã nhiÒu ®¬n vÞ giao th«ng theo ph−¬ng th¼ng ®øng. Ph©n lo¹i theo chiÒu cao nhµ: - Nhµ cao tÇng lo¹i 1: 09 – 16 tÇng (cao nhÊt 50m) 8 - Nhµ cao tÇng lo¹i 2: 17 – 25 tÇng (cao nhÊt 75m) - Nhµ cao tÇng lo¹i 3: 26 – 40 tÇng (cao nhÊt 100m) - Nhµ cao tÇng lo¹i 4: 40 tÇng trë lªn (nhµ siªu cao tÇng) Ph©n lo¹i theo vËt liÖu c¬ b¶n dïng ®Ó thi c«ng kÕt cÊu chÞu lùc: - Nhµ cao tÇng b»ng bª t«ng cèt thÐp - Nhµ cao tÇng b»ng thÐp - Nhµ cao tÇng cã kÕt cÊu tæ hîp b»ng Bª t«ng cèt thÐp vµ thÐp. C¸c n−íc trªn thÕ giíi tïy theo sù ph¸t triÓn Nhµ cao tÇng cña m×nh mµ cã c¸ch ph©n lo¹i kh¸c nhau. HiÖn nay ë n−íc ta ®ang cã xu h−íng theo sù ph©n lo¹i cña ñy ban Nhµ cao tÇng Quèc tÕ. VÒ mÆt kÕt cÊu, mét c«ng tr×nh ®−îc ®Þnh nghÜa lµ cao tÇng khi ®é bÒn v÷ng vµ chuyÓn vÞ cña nã do t¶i träng ngang quyÕt ®Þnh. T¶i träng ngang cã thÓ d−íi d¹ng giã b·o hoÆc ®éng ®Êt. MÆc dï ch−a cã sù thèng nhÊt chung nµo vÒ ®Þnh nghÜa Nhµ cao tÇng nh−ng cã mét ranh giíi ®−îc ®a sè c¸c Kü s− kÕt cÊu chÊp nhËn, ®ã lµ tõ nhµ thÊp tÇng sang Nhµ cao tÇng cã sù chuyÓn tiÕp tõ ph©n tÝch tÜnh häc sang ph©n tÝch ®éng häc khi nhµ chÞu t¶i giã, ®éng ®Êt, ... tøc lµ vÊn ®Ò dao ®éng vµ æn ®Þnh nãi chung. Th¸ch thøc ®èi víi c¸c Kü s− kÕt cÊu hiÖn nay lµ c¸c c«ng tr×nh Nhµ cao tÇng ngµy cµng cao h¬n, nhÑ h¬n vµ m¶nh h¬n so víi c¸c Nhµ cao tÇng trong qu¸ khø. C¸c nghiªn cøu trªn thÕ giíi còng kh¼ng ®Þnh xu h−íng nµy trong t−¬ng lai, th«ng qua c¸c kÕt qu¶ so s¸nh cho thÊy c¸c c«ng tr×nh cã ®é m¶nh cao ®ång thêi còng mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao h¬n. 1.1.3. LÞch sö ph¸t triÓn nhµ cao tÇng Tõ ®Çu thÕ kØ XX, cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt (nh− c«ng nghÖ vËt liÖu, c«ng nghÖ chÕ t¹o m¸y ...) ®· ®−a thÕ giíi vµo mét cuéc ch¹y ®ua x©y dùng c¸c c«ng tr×nh chäc trêi. Do vËy Nhµ cao tÇng xuÊt hiÖn vµ trë thµnh biÓu t−îng cho sù phån thÞnh vµ ph¸t triÓn mµ ®iÓn h×nh lµ sù ph¸t triÓn ë Mü: n¨m 1913 cao èc Woolworth xuÊt hiÖn (chiÒu cao 241m); n¨m 1930 cao èc Crystler trë thµnh c«ng tr×nh cao nhÊt víi chiÒu cao 319m nh−ng chØ sau vµi th¸ng ®· bÞ ®¸nh b¹i bëi State Emprire Building cao 344m (102 tÇng). Kû lôc nµy chØ gi÷ ®−îc ®Õn khi World 9 Trade Center ra ®êi cao 381m (110 tÇng). ë Ch©u ¸ xu h−íng ph¸t triÓn nµy còng b¾t ®Çu tõ nh÷ng n¨m 70 mµ ®iÓn h×nh lµ Bank of China Tower – HongKong cao 269m (70 tÇng); Jin Mao Tower ShangHai cao 421m (86 tÇng); Petronas Tower Malaysia cao 450m (95 tÇng) … ë ViÖt Nam trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y sè l−îng nhµ cã sè tÇng tõ 20 trë lªn t¨ng rÊt nhanh: SaiGon Plaza 33 tÇng, Hanoi Tower 25 tÇng, Vetcombank Tower 22 tÇng, Kh¸ch s¹n Melia 22 tÇng, K§T Trung Hßa 34 tÇng, Chung c− S«ng §µ ë Km10 NguyÔn Tr·i 34 tÇng; Keangnam Hanoi Landmark Tower 345m (70 tÇng), Trung t©m tµi chÝnh Bitexco 262,5m (68 tÇng), Hanoi City Complex 195m (65 tÇng) ... Sù ph¸t triÓn cña nhµ cao tÇng t¹o ®iÒu kiÖn cho sù ph¸t triÓn c¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc ®Æc biÖt lµ c¸c hÖ kÕt cÊu chÞu t¶i träng ngang. 1.2. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc vµ s¬ ®å lµm viÖc cña Nhµ cao tÇng [10]. Nguyªn t¾c bè trÝ kÕt cÊu chÞu t¶i träng ngang 1.2.1. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc cña Nhµ cao tÇng C¸c cÊu kiÖn chÞu lùc c¬ b¶n bao gåm: - CÊu kiÖn d¹ng thanh: cét, dÇm - CÊu kiÖn d¹ng ph¼ng: tÊm ®Æc hoÆc tÊm cã lç - HÖ l−íi thanh d¹ng dµn ph¼ng: tÊm sµn ph¼ng hoÆc cã s−ên. - CÊu kiÖn kh«ng gian: lâi cøng, l−íi hép ®−îc t¹o thµnh b»ng c¸ch liªn kÕt c¸c cÊu kiÖn ph¼ng hoÆc c¸c thanh l¹i víi nhau. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc: Kh¸i niÖm: hÖ kÕt cÊu chÞu lùc cña nhµ nhiÒu tÇng lµ bé phËn chñ yÕu cña c«ng tr×nh nhËn c¸c t¶i träng vµ truyÒn xuèng ®Êt nÒn, chóng t¹o thµnh tõ mét hay nhiÒu lo¹i cÊu kiÖn c¬ b¶n ë trªn. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc ®−îc chia thµnh 2 nhãm: - Nhãm c¸c hÖ c¬ b¶n: hÖ khung (I), hÖ t−êng (II), hÖ lâi (III), hÖ hép (IV). - Nhãm c¸c hÖ hçn hîp t¹o thµnh tõ sù kÕt hîp hai hay nhiÒu hÖ c¬ b¶n trªn. 10 H×nh 1.1 C¸c hÖ hçn hîp trong Nhµ cao tÇng [10] Mét sè d¹ng th−êng gÆp cña HÖ hçn hîp: HÖ khung - t−êng (I-II); HÖ khung – lâi (I-III); HÖ khung – hép (I-IV); HÖ hép – lâi (III-IV); HÖ t−êng – hép (II-IV), ... Nh− vËy, vÒ mÆt lý thuyÕt sè l−îng c¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc cña Nhµ cao tÇng lµ rÊt lín. Sau ®©y ta chØ giíi thiÖu c¸c hÖ kÕt cÊu phæ biÕn nhÊt hiÖn nay cho c¸c c«ng tr×nh x©y dùng. 1.2.2. S¬ ®å lµm viÖc cña Nhµ cao tÇng S¬ ®å lµm viÖc cña Nhµ cao tÇng cã hai s¬ ®å chÝnh, bao gåm: S¬ ®å gi»ng: khung chØ chÞu t¶i träng ®øng cßn toµn bé t¶i träng ngang do v¸ch cøng chÞu. Nót khung cã thÓ cÊu t¹o khíp hoÆc ®é cøng chèng uèn cña cét bÐ v« cïng. S¬ ®å khung - gi»ng: hÖ khung chÞu c¶ t¶i träng ®øng vµ ngang, nót khung ph¶i lµ nót cøng. 11 NhËn thÊy: tÊt c¶ c¸c hÖ chÞu lùc c¬ b¶n vµ hçn hîp t¹o thµnh tõ c¸c t−êng, lâi vµ hép chÞu lùc ®Òu thuéc s¬ ®å gi»ng. HÖ khung chÞu lùc ®−îc xÕp vµo s¬ ®å khung - gi»ng. H×nh 1.2 C¸c s¬ ®å lµm viÖc cña Nhµ cao tÇng [10] a). S¬ ®å gi»ng b). S¬ ®å khung - gi»ng 1.2.3. Nguyªn t¾c bè trÝ kÕt cÊu chÞu t¶i träng ngang [4] D−íi t¸c dông cña t¶i träng ngang trong c«ng tr×nh cã thÓ xuÊt hiÖn ba d¹ng néi lùc chÝnh: m«men uèn, lùc c¾t ngang, m«men xo¾n (xuÊt hiÖn khi t¶i träng ngang ®Æt lÖch víi t©m cøng cña c«ng tr×nh). Do sù bè trÝ cña hÖ kÕt cÊu, ®Æc biÖt lµ bè trÝ trªn mÆt b»ng, mµ c¸c néi lùc nµy ®−îc ph©n phèi cho c¸c kÕt cÊu thµnh phÇn kh¸c nhau. ChÝnh v× vËy viÖc bè trÝ kÕt cÊu trªn mÆt b»ng sao cho phï hîp lµ hÕt søc quan träng. §Ó cã thÓ bè trÝ mét c¸ch hîp lý, tr−íc hÕt ph¶i thÊy ®−îc ¶nh h−ëng cña c¸c néi lùc lªn c¸c kÕt cÊu: §èi víi m«men uèn: c¸c kÕt cÊu vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng uèn vµ c¸ch xa trôc uèn cã xu h−íng chÞu t¶i träng lín, nhÊt lµ c¸c kÕt cÊu ë biªn. Ngoµi ra c¸c kÕt cÊu n»m trong mÆt ph¼ng uèn cã m«men qu¸n tÝnh lín còng cã t¸c dông chèng uèn theo ph−¬ng ®ã tèt. Bëi vËy, ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng chèng uèn do t¶i trong ngang g©y ra, nªn bè trÝ c¸c kÕt cÊu cã tiÕt diÖn ngang lín ra cµng ra gÇn biªn vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng uèn cµng tèt vµ bè trÝ mét sè kÕt cÊu cã kÝch th−íc theo ph−¬ng mÆt ph¼ng uèn ®−îc kÐo dµi. §ång thêi liªn kÕt c¸c hÖ kÕt cÊu biªn thµnh mét hÖ liªn tôc ®Ó cã ®é cøng chèng uèn tæng thÓ cao. 12 §èi víi lùc c¾t ngang: c¸c kÕt cÊu cã diÖn tÝch tiÕt diÖn ngang lín, kÕt cÊu cµng n»m ë t©m c«ng tr×nh cã kh¶ n¨ng ph¶i tiÕp nhËn t¶i träng lín. C¸c kÕt cÊu cã d¹ng d¶i sÏ ph¸t sinh øng suÊt tËp lín ë gi÷a d¶i. Do ®ã, khi c«ng tr×nh ph¶i chÞu lùc c¾t lín th−êng cÊu t¹o c¸c kÕt cÊu d¹ng tæ hîp ®Ó cã tiÕt diÖn ngang lín, c¸c kÕt cÊu d¹ng d¶i theo ph−¬ng cña t¶i träng ngang. Bªn c¹nh ®ã theo ph−¬ng mÆt ph¼ng th¼ng ®øng cÊu t¹o c¸c hÖ liªn kÕt ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng chÞu c¾t. §èi víi m«men xo¾n: tr−íc hÕt cÇn bè trÝ sao cho xuÊt hiÖn m«men xo¾n cµng nhá cµng tèt. Muèn vËy trªn mÆt b»ng, c¸c kÕt cÊu thµnh phÇn cÇn ph¶i bè trÝ sao cho cµng ®èi xøng cµng tèt, t©m cøng cña toµn bé hÖ kÕt cÊu cµng gÇn víi t©m khèi l−îng, vµ ®iÓm ®Æt cña hîp lùc t¶i träng ngang. Trªn suèt chiÒu cao c«ng tr×nh cÇn h¹n chÕ sù thay ®æi ®é cøng côc bé ®Ó h¹n chÕ sù ph¸t sinh c¸c m«men xo¾n phô gi÷a c¸c phÇn cña c«ng tr×nh. M«men xo¾n t¸c dông vµo hÖ kÕt cÊu sÏ ®−îc ph©n thµnh nh÷ng cÆp øng lùc c¾t ng−îc chiÒu trong c¸c kÕt cÊu thµnh phÇn. Trong tr−êng hîp nµy c¸c kÕt cÊu biªn th−êng tiÕp nhËn øng lùc c¾t rÊt lín. V× vËy, ®Ó chÞu m«men xo¾n th−êng cÊu t¹o c¸c kÕt cÊu cøng ë biªn vµ c¸c kÕt cÊu cã kh¶ n¨ng kh¸ng xo¾n lín nh− c¸c kÕt cÊu cã d¹ng kh«ng gian kÝn, kÕt cÊu hép…Ngoµi ra cßn cã thÓ t¨ng kh¶ n¨ng chÞu xo¾n tæng thÓ cña c¶ c«ng tr×nh b»ng c¸ch liªn kÕt hÖ kÕt cÊu biªn theo ph−¬ng ®øng thµnh khèi kh«ng gian. 1.3. C¸c hÖ kÕt cÊu chÞu lùc c¬ b¶n [10] 1.3.1. HÖ khung chÞu lùc (I) HÖ nµy ®−îc t¹o thµnh tõ c¸c thanh th¼ng ®øng (cét) vµ ngang (dÇm) liªn kÕt cøng t¹i c¸c chç giao nhau gi÷a chóng (nót). ë nhµ khung, c¸c khung ph¼ng l¹i liªn kÕt víi nhau qua c¸c thanh ngang t¹o thµnh khèi khung kh«ng gian cã mÆt b»ng h×nh vu«ng, ch÷ nhËt, trßn, ®a gi¸c...(H×nh 1.3). Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cét th−êng tõ 4-8m, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c dÇm b»ng chiÒu cao tÇng (2,8-4m). 13 H×nh 1.3 Nhµ cã HÖ khung chÞu lùc [10] HÖ kÕt cÊu khung sö dông hiÖu qu¶ cho c«ng tr×nh cã kh«ng gian lín, bè trÝ néi thÊt linh ho¹t, phï hîp víi nhiÒu lo¹i c«ng tr×nh. Tuy nhiªn HÖ khung cã kh¶ n¨ng chÞu c¾t theo ph−¬ng ngang kÐm, ngoµi ra hÖ thèng dÇm th−êng cã chiÒu cao lín nªn ¶nh h−ëng ®Õn kh«ng gian sö dông vµ lµm t¨ng ®é cao cña c«ng tr×nh. H×nh 1.4 Th¸p B¶o tµng The Museum Tower, Los Angeles [22] (a) Tæng thÓ c«ng tr×nh; (b) HÖ kÕt cÊu chÞu lùc 14 ChiÒu cao nhµ thÝch hîp cho KÕt cÊu BTCT lµ kh«ng qu¸ 30 tÇng. NÕu trong vïng cã ®éng ®Êt tõ cÊp 8 trë lªn th× chiÒu cao khung ph¶i gi¶m xuèng. ChiÒu cao tèi ®a cña ng«i nhµ cßn phô thuéc vµo sè b−íc cét, ®é lín c¸c b−íc, tû lÖ chiÒu cao vµ chiÒu réng nhµ. H×nh 1.4 m« t¶ c«ng tr×nh “The Museum Tower” ë Los Angeles cao 73m (22 tÇng) sö dông kÕt cÊu bª t«ng cèt thÐp víi hÖ kÕt cÊu chÞu lùc lµ hÖ khung kh«ng gian b−íc cét 3,96m chiÒu cao tÇng 2,7m. 1.3.2. HÖ t−êng chÞu lùc (II) Lµ mét hÖ tÊm t−êng ph¼ng võa lµm nhiÖm vô chÞu t¶i träng ®øng, võa lµ hÖ thèng chÞu t¶i träng ngang vµ lµ t−êng ng¨n gi÷a c¸c phßng. C¨n cø vµo c¸ch bè trÝ c¸c tÊm t−êng chÞu t¶i träng th¼ng ®øng chia lµm 3 s¬ ®å: - T−êng däc chÞu lùc. - T−êng ngang chÞu lùc. - T−êng däc vµ ngang cïng chÞu lùc. H×nh 1.5 HÖ t−êng chÞu lùc [10] Trong c¸c nhµ mµ t−êng chÞu lùc chØ ®Æt theo mét ph−¬ng, sù æn ®Þnh cña c«ng tr×nh theo ph−¬ng vu«ng gãc ®−îc ®¶m b¶o nhê c¸c v¸ch cøng. Nh− vËy, v¸ch cøng ®−îc hiÓu theo nghÜa lµ c¸c tÊm t−êng thiÕt kÕ ®Ó chÞu t¶i träng ngang. Trong thùc tÕ, ®èi víi nhµ cao tÇng, t¶i träng ngang bao giê còng chiÕm −u thÕ nªn c¸c tÊm t−êng chÞu lùc ®−îc thiÕt kÕ ®Ó võa chÞu t¶i träng ngang võa chÞu t¶i träng ®øng. C¸c tÊm t−êng ®−îc lµm b»ng BTCT cã kh¶ n¨ng chÞu c¾t vµ chÞu uèn tèt nªn ®−îc gäi lµ v¸ch cøng. §Ó ®¶m b¶o ®é cøng kh«ng gian cho c«ng tr×nh nªn bè trÝ v¸ch cøng theo c¶ hai ph−¬ng däc vµ ngang nhµ. Sè l−îng v¸ch theo mçi ph−¬ng x¸c ®Þnh theo kh¶ n¨ng chÞu t¶i träng theo ph−¬ng ®ã. Ngoµi ra, v¸ch cøng còng nªn bè trÝ sao cho c«ng tr×nh kh«ng bÞ xo¾n khi chÞu t¶i träng ngang. 15 T¶i träng ngang ®−îc truyÒn ®Õn c¸c tÊm t−êng chÞu t¶i th«ng qua hÖ c¸c b¶n sµn ®−îc xem lµ tuyÖt ®èi cøng trong mÆt ph¼ng cña chóng. Do ®ã c¸c v¸ch cøng lµm viÖc nh− nh÷ng dÇm c«ng xon cã chiÒu cao tiÕt diÖn lín. Kh¶ n¨ng chÞu t¶i cña c¸c v¸ch cøng phô thuéc nhiÒu vµo h×nh d¸ng vµ kÝch th−íc tiÕt diÖn ngang cña nã. C¸c v¸ch cøng th−êng bÞ gi¶m yÕu do cã c¸c lç cöa, sè l−îng, vÞ trÝ, kÝch th−íc lç cöa ¶nh h−ëng quyÕt ®Þnh ®Õn kh¶ n¨ng lµm viÖc cña chóng. H×nh 1.6 H×nh d¹ng c¸c V¸ch cøng [10] C¸c ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña HÖ t−êng chÞu lùc: - C¸c v¸ch cøng ®æ t¹i chç cã tÝnh liÒn khèi tèt, ®é cøng theo ph−¬ng ngang lín. - Kh¶ n¨ng chÞu ®éng ®Êt tèt: kÕt qu¶ nghiªn cøu thiÖt h¹i do c¸c trËn ®éng ®Êt lín g©y ra, vÝ dô trËn ®éng ®Êt vµo th¸ng 2 n¨m 1971 ë California (Hoa Kú), th¸ng 12 n¨m 1972 ë Nicaragua, n¨m 1977 ë Rumania ... cho thÊy r»ng: c¸c c«ng tr×nh cã v¸ch cøng bÞ h− háng t−¬ng ®èi nhÑ, trong khi c¸c c«ng tr×nh cã kÕt cÊu khung bÞ h− háng nÆng hoÆc sôp ®æ. - HÖ v¸ch cøng cã träng l−îng lín, ®é cøng kÕt cÊu lín nªn t¶i träng ®éng ®Êt t¸c ®éng lªn c«ng tr×nh cã gi¸ trÞ lín. §©y lµ ®Æc ®iÓm bÊt lîi cho c«ng tr×nh thiÕt kÕ chÞu ®éng ®Êt. - HÖ kÕt cÊu nµy thÝch hîp cho c¸c c«ng tr×nh mµ cã kh«ng gian bÞ ng¨n chia bªn trong nh− nhµ ë, kh¸ch s¹n, bÖnh viÖn … vµ cho c¸c c«ng tr×nh cã chiÒu cao d−íi 40 tÇng. 1.3.3. HÖ lâi chÞu lùc (III) Lâi cã d¹ng vá hép rçng tiÕt diÖn kÝn hoÆc hë, chÞu t¶i träng ®øng vµ ngang t¸c dông lªn c«ng tr×nh vµ truyÒn xuèng ®Êt nÒn. Lâi cã thÓ xem lµ sù kÕt hîp cña nhiÒu tÊm t−êng theo c¸c ph−¬ng kh¸c nhau. Trong lâi cã thÓ bè trÝ hÖ thèng kü thuËt, thang bé, thang m¸y... Sau ®©y lµ mét sè c¸ch bè trÝ th«ng dông. - Nhµ lâi trßn, vu«ng, ch÷ nhËt, tam gi¸c… (kÝn hoÆc hë). 16 - Nhµ cã mét lâi hoÆc hai lâi - Lâi n»m trong nhµ hoÆc theo chu vi nhµ hoÆc cã mét phÇn n»m ngoµi. H×nh 1.7 HÖ lâi chÞu lùc [10] Tr−êng hîp nhµ cã nhiÒu lâi cøng th× chóng ®−îc ®Æt xa nhau vµ c¸c sµn ®−îc tùa lªn hÖ thèng dÇm lín liªn kÕt víi c¸c lâi. C¸c lâi cøng ®−îc bè trÝ trªn mÆt b»ng nhµ sao cho t©m cøng cña c«ng tr×nh trïng víi träng t©m cña nã ®Ó tr¸nh bÞ xo¾n khi dao ®éng. H×nh 1.8 Th¸p Miglin - Beiler, Chicago [22]