Tài liệu Phân tích ứng xử của hệ kết cấu hexagrid trong nhà cao tầng

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU HEXAGRID TRONG NHÀ CAO TẦNG Học viên: Nguyễn Huy Hoàng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế thế giới và những tiến bộ của khoa học và công nghệ đã tạo ra một thời kỳ phát triển mới cho các tòa nhà cao tầng trên thế giới. Kết cấu dạng lưới lục giác gần đây đã được sử dụng trong các tòa nhà cao tầng. Kết cấu dạng này không chỉ mang lại hiệu quả thẩm mỹ kiến trúc mà còn có độ bền và độ cứng cao so với kết cấu khung truyền thống. Luận văn này đã nghiên cứu sự phản ứng của các hệ kết cấu dạng lưới lục giác và kết cấu dạng giàn lưới chịu tác động của tải trọng gió và động đất, với 21, 41, 61 tầng, được mô hình hóa và phân tích bằng chương trình ETABS. Các kết quả phân tích và thiết kế giữa hai hệ kết cấu này đã được so sánh và thảo luận như chu kỳ dao động, chuyển vị ngang, chuyển vị lệch tầng, và phân phối nội lực. Nghiên cứu có thể giúp các nhà thiết kế kết cấu trong việc lựa chọn các hệ kết cấu phù hợp cho các tòa nhà cao tầng. Từ khóa – nhà cao tầng; kết cấu dạng lưới lục giác; kết cấu dạng giàn lưới; chuyển vị ngang; nhà thiết kế kết cấu. BEHAVIOR OF HEXAGRID STRUCTURAL SYSTEMS IN TALL BUILDINGS Abstract: The fast growth of the world economy and advancements of science and technology have created a new development period for tall buildings worldwide. Hexagrid structure has been recently used in high-rise buildings. This structure brings not only architectural aesthetic efficiency but also high strength and stiffness, compared with traditional frame structures.This thesis investigated the response of hexagrid and diagrid structures under wind and earthquake loading. Tall building models of horizontal hexagrid, vertical hexagrid and diagrid structures, with 21, 41, and 61 stories, were modeled and analyzed using the program ETABS. The analysis and design results among these various structural systems were compared and discussed, in terms of vibration periods, lateral displacements, interstory drifts, and internal force distribution. The study can help structural designers in selecting appropriate structural systems for tall buildings. Key words - tall building; hexagrid structure; diagrid structure; lateral displacement; structural designer. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.................................................................................1 3. Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................................1 4. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................1 5. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................1 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài ........................................................................1 7. Bố cục đề tài .............................................................................................................1 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG .....................................3 1.1. KHÁI NIỆM VỀ NHÀ CAO TẦNG ....................................................................3 1.1.1. Sự ra đời của nhà cao tầng ..............................................................................3 1.1.2. Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng .............................................................3 1.1.3. Lịch sử phát triển nhà cao tầng .......................................................................4 1.2. TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG ....................................................................................7 1.2.1. Tải trọng thẳng đứng .......................................................................................7 1.2.2. Tải trọng ngang ...............................................................................................7 1.2.3. Các loại tải trọng khác .....................................................................................7 1.3. CÁC VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG ......................................7 1.4. CÁC HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ CAO TẦNG .................................8 1.4.1. Các hệ kết cấu cơ bản đối với nhà cao tầng ....................................................8 1.4.2. Các hệ kết cấu chịu lực đối với nhà cao tầng ..................................................9 CHƯƠNG 2. KẾT CẤU DẠNG LƯỚI LỤC GIÁC TRONG NHÀ CAO TẦNG ......15 2.1. GIỚI THIỆU KẾT CẤU DẠNG LƯỚI LỤC GIÁC ..........................................15 2.2. CÁC KIỂU KẾT CẤU DẠNG LƯỚI LỤC GIÁC .............................................16 2.3. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SƠ BỘ HỆ KẾT CẤU DẠNG LƯỚI LỤC GIÁC ....................................................................................................................................17 2.3.1 Độ cứng ngang của kết cấu dạng lưới lục giác ..............................................19 2.3.2. Các thiết lập thông số phần tiết diện cho hai mô hình với số tầng 21, 41, 61: .................................................................................................................................24 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TÁC ĐỘNG GIÓ VÀ ĐỘNG ĐẤT.........................................................................................................25 2.4.1 Phương pháp tính toán công trình chịu tải gió tĩnh và gió động ....................25 2.4.2 Phân loại các phương pháp tính toán công trình chịu tác động động đất ......25 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA KẾT CẤU DẠNG LƯỚI LỤC GIÁC VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU TRONG NHÀ CAO TẦNG .............................28 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................28 3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ...............................................................28 3.2.1. Thông số mô hình của hệ Horizontal Hexagrid1(HH1) ................................28 3.2.2 Thông số mô hình của hệ Horizontal Hexagrid 2 (HH2) ...............................30 3.2.3 Thông số mô hình của hệ Diagrid ..................................................................32 3.2.4.Tải trọng tác dụng...........................................................................................34 3.3. MÔ HÌNH CÁC HỆ KẾT CẤU TRONG PHẦN MỀM ETABSV 9.7.4 ...........35 3.4. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH KẾT CẤU THÉP DẠNG LỤC GIÁC VÀ KẾT CẤU THÉP DẠNG GIÀN LƯỚI .....................................................................38 3.4.1 Chu kỳ dao động của hệ HH1, HH2 và Diagrid ............................................39 3.4.2 Chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng do tải động đất gây ra đối với hệ HH1, HH2 và Diagrid .......................................................................................................39 3.4.3. Nội lực phân tích trong các hệ.......................................................................44 KẾT LUẬN ...................................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................57 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 2.1: Tiết diện thanh xiên trong hai hệ kết cấu dạng lưới lục giác 21 tầng với góc xiên 600 ....................................................................................................24 Bảng 2.2: Tiết diện thanh xiên trong hai hệ kết cấu dạng lưới lục giác 41 tầng với góc xiên 600 ....................................................................................................24 Bảng 2.3: Tiết diện thanh xiên trong hai hệ kết cấu dạng lưới lục giác 61 tầng với góc xiên 600 ....................................................................................................24 Bảng 3.1:Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ HH1 với mô hình 21 tầng ......29 Bảng 3.2:Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ HH1 với mô hình 41 tầng ......30 Bảng 3.3:Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ HH1 với mô hình 61 tầng ......30 Bảng 3.4:Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ HH2 với mô hình 21 tầng ......30 Bảng 3.5:Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ HH2 với mô hình 41 tầng ......31 Bảng 3.6: Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ HH2 với mô hình 61 tầng .....32 Bảng 3.7: Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ Diagrid với mô hình 21 tầng .32 Bảng 3.8: Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ Diagrid với mô hình 41 tầng .32 Bảng 3.9: Bảng tiết diện cột, dầm và thanh xiên của hệ Diagrid với mô hình 61 tầng .33 Bảng 3.10:Các giá trị chuyển vị đỉnh theo phương X của các hệ HH1,HH2, Diagrid..39 Bảng 3.11: Các giá trị chuyển vị đỉnh theo phương Y của các hệ HH1, HH2, Diagrid. .................................................................................................................40 Bảng 3.12: Các giá trị chuyển vị lệch tầng lớn nhất theo phương X hệ HH1, HH2, Diagrid .....................................................................................................41 Bảng 3.13: Các giá trị chuyển vị lệch tầng lớn nhất theo phương Y hệ HH1, HH2, Diagrid. ....................................................................................................42 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Woolworth (241m) ..................................................................................5 Hình 1.2: Emprire State (344m)................................................................................5 Hình 1.3: Sears Tower – Chicago (442m) ...............................................................5 Hình 1.4: Petronas Tower- Malaysia .....................................................................5 Hình 1.5: Keangnam Ha Noi Landmark ...................................................................6 Hình 1.6: Bitexco Financial Tower (262m) ..............................................................6 Hình 1.7: Landmark 81 – Việt Nam .......................................................................6 Hình 1.8: Burj Dubai Building (828m) .....................................................................6 Hình 1.9: Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng ...............................................8 Hình 1.10: Mô hình 3D Kết cấu thuần khung ..........................................................9 Hình 1.11: Bố trí vách cứng trong mặt bằng .........................................................10 Hình 1.12. Bố trí vách cứng trong mặt bằng ..........................................................11 Hình 1.13. Một số dạng vách cứng thường gặp .....................................................11 Hình 1.14. Kết cấu khung vách ..............................................................................12 Hình 1.15. Sự làm việc của hệ kết cấu nhà cao tầng Outrigger .............................13 Hình 1.16: Hearst Tower, New York ............................................................14 Hình 1.17: CCTV Tower ........................................................................................14 Hình 1.18: Sự làm việc của hệ kết cấu nhà cao tầng dạng ống .............................14 Hình 2.1: Sinosteel International Plaza ................................................................15 Hình 2.2: Al Bahar Towers (Abu Dhabi) ...............................................................15 Hình 2.3: Hệ Horizontal Hexagrid (a), hệ Vertical Hexagrid (b), mặt bằng bố trí kết cấu của hai hệ ..................................................................................16 Hình 2.4: Mặt bằng kết cấu điển hình .....................................................................17 Hình 2.5: Hệ Horizontal Hexagrid (HH1) ..............................................................18 Hình 2.6: Hệ Horizontal Hexagrid (HH2) ..............................................................18 Hình 2.7: Mô hình làm việc của kết dạng lưới lục giác điển hình .........................19 Hình 2.8: Mô hình làm việc khung giằng cổ điển...................................................19 Hình 2.9: Đồ thị hàm số : y=sin2θcosθ ...................................................................21 Hình 3.1: Mô hình kết cấu tầng điển hình ..............................................................28 Hình 3.2: Mô hình hệ kết cấu dạng lưới lục giác HH1 ...........................................29 Hình 3.3: Mô hình hệ kết cấu dạng lưới lục giác HH2 ...........................................31 Hình 3.4: Mô hình hệ kết cấu dạng giàn lưới .........................................................33 Hình 3.5: Khung trục 1 điển hình từ tầng 1 đến tầng 6 hệ Diagrid ........................34 Hình 3.6: Khai báo vật liệu bê tông ........................................................................35 Hình 3.7: Khai báo vật liệu thép .............................................................................36 Hình 3.8 : Khai báo tiết diện dầm thép ...................................................................36 Hình 3.9: Khai báo tiết diện thanh xiên ..................................................................37 Hình 3.10 : Khai báo các trường hợp tải .................................................................37 Hình 3.11: Tổ hợp tải trọng ....................................................................................38 Hình 3.12: Các dạng dao động của hệ kết cấu Hexagrid với góc xiên 600.............38 Hình 3.13 : Biểu đồ chu kỳ dao động của các hệ HH1, HH2, Diagrid với góc xiên 600 ..........................................................................................................39 Hình 3.14 : Biểu đồ chuyển vị đỉnh theo phương X của các hệ HH1, HH2, Diagrid ...............................................................................................................39 Hình 3.15 : Biểu đồ chuyển vị đỉnh theo phương Y của các hệ HH1, HH2, Diagrid ...............................................................................................................40 Hình 3.16: Biểu đồ chuyển vị lệch tầng của các hệ HH1, HH2, Diagrid góc xiên 600 (21 tầng)...........................................................................................41 Hình 3.17: Biểu đồ chuyển vị lệch tầng của các hệ HH1, HH2, Diagrid góc xiên 600 (41 tầng) ..........................................................................................41 Hình 3.18: Biểu đồ chuyển vị lệch tầng của các hệ HH1, HH2, Diagrid góc xiên 600 (61 tầng)...........................................................................................42 Hình 3.19: Biểu đồ chuyển vị lệch tầng của các hệ HH1, HH2, Diagrid góc xiên 600 (21 tầng) ..........................................................................................42 Hình 3.20: Biểu đồ chuyển vị lệch tầng của các hệ HH1, HH2, Diagrid góc xiên 600 (41 tầng) ..........................................................................................43 Hình 3.21: Biểu đồ chuyển vị lệch tầng của các hệ HH1, HH2, Diagrid góc xiên 600 (61 tầng) ..........................................................................................43 Hình 3.22 : Lực dọc và moment khung trục 1 hệ HH1 với góc xiên 600 ...............44 Hình 3.23 : Lực dọc và moment khung trục1 hệ HH2 với góc xiên 600 ................45 Hình 3.24 : Lực dọc và moment khung trục 1 hệ Diagrid với góc xiên 600 ...........45 Hình 3.25: Biểu đồ lực dọc trục của khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600 ..........................................................................................................46 Hình 3.26 : Biểu đồ lực dọc trục của khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600 ..........................................................................................................46 Hình 3.27 : Biểu đồ moment khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600 ....47 Hình 3.28: Biểu đồ moment dầm biên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600 ..........................................................................................................47 Hình 3.29: Biểu đồ lực cắt dầm biên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600 ..........................................................................................................48 Hình 3.30: Biểu đồ tổng khối lượng thép dầm biên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................48 Hình 3.31 : Biểu đồ lực dọc trong hệ thanh xiên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................49 Hình 3.32 : Biểu đồ moment trong hệ thanh xiên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................49 Hình 3.33 : Biểu đồ lực cắt trong hệ thanh xiên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................50 Hình 3.34 : Biểu đồ lực dọc trong hệ thanh xiên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................50 Hình 3.35 : Biểu đồ moment trong hệ thanh xiên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................51 Hình 3.36 : Biểu đồ lực cắt trong hệ thanh xiên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................51 Hình 3.37: Biểu đồ tổng khối lượng thép thanh xiên khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600................................................................................52 Hình 3.38: Biểu đồ tổng khối lượng thép khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600 ...................................................................................................53 Hình 3.39: Biểu đồ tổng khối lượng thép khung trục 1 hệ HH1, HH2, Diagrid với góc 600 ...................................................................................................53 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Để giải quyết vấn đề sử dụng không gian sống trong các thành phố lớn với mật độ dân số đông thì các tòa cao ốc là một trong những giải pháp kiến trúc tối ưu hiện nay.Thực tế tại các thành phố lớn của nước ta đang ngày càng nhiều nhà cao tầng được xây dựng về cả số lượng cũng như quy mô. - Sự phát triển của kết cấu công trình cao tầng từ hệ khung thông thường sang kết cấu dạng ống như một nhu cầu tất yếu nhằm đáp ứng các yêu cầu về mặt ý tưởng thiết kế kiến trúc. Trong đó hệ kết cấu dạng lưới lục giác (Hexagrid Structure) trong nhà cao tầng không những thỏa mãn những yêu cầu khắt khe về mặt thẩm mỹ kiến trúc mà còn đảm bảo cho công trình chịu được các lực theo phương ngang rất lớn (tải gió và động đất). Đây là kiểu kết cấu mới ít được sử dụng do các nghiên cứu về sự làm việc của kết cấu cao tầng dạng này chưa nhiều. Vậy nên đề tài “Phân tích ứng xử của hệ kết cấu Hexagrid trong nhà cao tầng”có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Ứng xử của nhà cao tầng kết cấu thép với hệ lưới lục giác (Hexagrid Structure) và so sánh với nhà cao tầng của hệ kết cấu thép dạng giàn lưới (Diagrid Structure). 3.Đối tượng nghiên cứu - Nhà cao tầng kết cấu thép với hệ lưới lục giác. 4. Phạm vi nghiên cứu - Ứng xử của nhà cao tầng kết cấu thép với hệ lưới lục giác chịu tải trọng gió và động đất . 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết: Phân tích sự làm việc của hệ lưới lục giác trong nhà cao tầng. - Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm ETABS để mô phỏng và phân tích ứng xử của hệ kết cấu nhà cao tầng có sử dụng hệ lưới lục giác. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài - Nội dung nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng. - Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên chuyên ngành xây dựng và các đơn vị tư vấn thiết kế xây dựng. 7. Bố cục đề tài Chương 1: Khái quát về kết cấu nhà cao tầng 1.1. Khái niệm về nhà cao tầng 1.2. Tải trọng và tác động 1.3. Các vấn đề trong thiết kế nhà cao tầng 1.4. Các hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng 2 Chương 2: Kết cấu dạng lưới lục giác trong nhà cao tầng 2.1. Giới thiệu kết cấu dạng lưới lục giác 2.2. Các kiểu kết cấu dạng lưới lục giác 2.3. Phương pháp thiết kế sơ bộ hệ kết cấu dạng lưới lục giác 2.4. Các phương pháp tính toán công trình chịu tác động gió và động đất Chương 3: Mô hình hóa kết cấu dạng lưới lục giác và phân tích ứng xử của hệ kết cấu trong nhà cao tầng 3.1. Giới thiệu chung 3.2. Xây dựng mô hình phân tích 3.3. Kết quả phân tích mô hình kết cấu thép dạng lục giác và kết cấu thép dạng giàn lưới. Kết luận 3 CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 1.1. KHÁI NIỆM VỀ NHÀ CAO TẦNG 1.1.1. Sự ra đời của nhà cao tầng Nền văn minh của loài người trong những thế kỷ gần đây đang phát triển với tốc độ ngày càng nhanh trên mọi lĩnh vực. Trong đó khoa học công nghệ là một lĩnh vực có thể nhìn thấy được sự phát triển vượt bậc của nó đối với đời sống hàng ngày. Điển hình là trong lĩnh vực xây dựng, kiến trúc. Ở các thành phố phát triển, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự mọc lên của nhiều tòa nhà cao tầng có kiến trúc hiện đại. Và thường độ cao của chúng luôn có xu hướng ngày một cao hơn nhằm đáp ứng với mật độ dân số cao, trong khi đó thì đất xây dựng lại thiếu trầm trọng làm giá đất tăng lên. Ngoài ra, nó còn tác động mạnh mẽ đến nền kinh tế thông qua việc mua bán giao dịch tại các văn phòng công ty, trung tâm thương mại dịch vụ, giảm các chi phí vận hành, đi lại…Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển của nhà cao tầng [1]. 1.1.2. Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng a) Định nghĩa: Có thể định nghĩa về nhà cao tầng như sau: Một công trình được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với nhà thông thường [4]. b) Phân loại: + Phân loại theo yêu cầu sử dụng: - Nhà ở. - Nhà làm việc và các dịch vụ khác. - Khách sạn. + Phân loại theo hình dạng: - Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, tam giác,vuông, đa giác đều cạnh trong đó giao thông theo phương đứng tập trung vào một khu vực duy nhất. - Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo phương thẳng đứng [1]. + Phân loại theo chiều cao nhà: - Nhà cao tầng loại 1: 09 - 16 tầng (cao nhất 50m). - Nhà cao tầng loại 2: 17 - 25 tầng (cao nhất 75m). - Nhà cao tầng loại 3: 26 - 40 tầng (cao nhất 100m). - Nhà cao tầng loại 4: 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng) [1]. + Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực: 4 - Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép. - Nhà cao tầng bằng thép. - Nhà cao tầng có kết cấu tổ hợp bằng bê tông cốt thép và thép[1]. Đối với nhà thấp tầng thiết kế kiến trúc có vai trò quan trọng hơn thiết kế kết cấu, còn trong nhà cao tầng thì thiết kế kiến trúc và thiết kế kết cấu đóng vai trò quan trọng như nhau vì nó quyết định đến khả năng chịu lực, sự bền vững, ổn định cho công trình. Vì vậy bài toán đặt ra cho các kỹ sư kết cấu hiện nay là làm sao cho các tòa nhà ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với những công trình trong quá khứ. 1.1.3. Lịch sử phát triển nhà cao tầng Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc khoa học công nghệ ở nhiều lĩnh vực (công nghệ thông tin…công nghệ xây dựng) đã góp phần thúc đẩy việc xây dựng các công trình siêu cao tầng. Ngay ở thế kỷ XX trên thế giới đã xuất hiện nhiều nhà cao tầng như ở Mỹ: Woolworth (241m), Chrysler (319m), Emprire State Building cao 344 m (102 tầng), World Trade Center (381m).Trong khi đó ở khu vực châu Á xu hướng xây dựng nhà cao tầng cũng bắt đầu sôi động từ những năm 1970 nổi bật là Petronas Tower Malaysia cao 450m (95 tầng), Burj Dubai Building cao 828m (168 tầng). Bắt kịp với xu thế của thế giới ở Việt Nam những năm trở lại đây số lượng nhà cao tăng lên rất nhiều: Vietcombank Tower 22 tầng, Hanoi Tower 25 tầng, khách sạn Hanoi Melia Hotel 22 tầng, Keangnam Hanoi Landmark Tower 346m (72 tầng), Trung tâm tài chính Bitexco 262m (68 tầng), Landmark 81 461.3m (81 tầng)…(Hình 1.1÷1.8). Đi kèm với việc phát triển của nhà cao tầng thì các hệ kết cấu chịu lực có khả năng chịu tải trọng theo phương ngang ngày càng được cải tiến mạnh mẽ để đáp ứng với nhu cầu xây dựng. 5 Hình 1.1: Woolworth (241m) Hình 1.3: Sears Tower – Chicago (442m) Hình 1.2: Emprire State (344m) Hình 1.4: Petronas Tower- Malaysia (452m) 6 Hình 1.5: Keangnam Ha Noi Landmark (346m) Hình 1.7: Landmark 81 – Việt Nam (461.3m) Hình 1.6: Bitexco Financial Tower (262m) Hình 1.8: Burj Dubai Building (828m) 7 1.2. TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG 1.2.1. Tải trọng thẳng đứng - Tải trọng thường xuyên: là tải trọng có vị trí, phương, chiều tác động và giá trị không đổi trong quá trình sử dụng. - Tải tạm thời: là tải trọng tác động không thường xuyên như người và vật dụng trong nhà, có phương chiều, điểm đặt và giá trị có thể thay đổi. 1.2.2. Tải trọng ngang - Tải trọng gió do tác động của khí hậu và thời tiết thay đổi theo thời gian, độ cao, và địa điểm dưới dạng áp lực trên các mặt hứng gió hoặc hút gió của ngôi nhà. - Tải trọng động đất là một trong những tải trọng đặc biệt, là các lực quán tính phát sinh trong công trình khi nền đất chuyển động.Tải trọng động đất có thể tác động đồng thời theo phương thẳng đứng và phương ngang.Trong tính toán kết cấu nhà cao tầng thường chỉ xét tới tác động ngang của tải trọng động đất. 1.2.3. Các loại tải trọng khác - Tác động do co ngót, từ biến của bêtông. - Tác động do ảnh hưởng của sự lún không đều. - Tác động do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm môi trường. - Tác động do các sai lệch khi thi công, do thi công các công trình lân cận. - Tác động do khai thác khoáng sản, nước ngầm dưới nhà. Ngoài ra còn các tải trọng đặc biệt khác phát sinh do hoạt động của con người như hoả hoạn, cháy nổ, máy móc, thiết bị va đập vào công trình. 1.3. CÁC VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG Khi thiết kế nhà cao tầng cần đảm bảo các vấn đề sau: - Giải pháp kiến trúc: sự sáng tạo và biến đổi hình dạng công trình, xác định qua các kích thước hình dạng mặt bằng, hình dạng trên chiều cao đồng thời đã tác động trực tiếp đến việc lựa chọn hệ kết cấu chịu tải của nó (bao gồm cả vị trí thiết kế, loại cấu kiện chịu tải và vật liệu sử dụng). Khả năng chịu lực của nhà cao tầng dưới tác động của tải trọng ngang về cơ bản được quyết định bởi giải pháp kiến trúc. - Yếu tố hình khối nhà: đơn giản, đều đặn, đối xứng và liên tục. - Tải trọng: Tải trọng ngang (tải gió, động đất) là yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng, nó quyết định nội lực và chuyển vị công trình. - Hạn chế chuyển vị ngang: Nếu chuyển vị ngang lớn sẽ làm tăng giá trị các nội lực do độ lệch tâm tăng theo, có thể làm hư hỏng các bộ phận phi kết cấu (tường), làm tăng dao động ngôi nhà, khiến cho con người cảm giác khó chịu và hoảng sợ, có thể làm mất ổn định tổng thể công trình. Chuyển vị ngang không được vượt quá giới hạn cho phép theo các tiêu chuẩn thiết kế của nhà cao tầng. - Nhà cao tầng phải có khả năng kháng chấn cao (chống động đất): không hư hại khi động đất nhẹ, hư hại các bộ phận không quan trọng khi động đất vừa, có thể hư hại nhưng không sụp đổ khi động đất mạnh. 8 - Kết cấu chịu lực theo phương đứng và phương ngang phải chọn và bố trí sao cho hợp lý (khung, vách, lõi cứng) và có khả năng hấp thụ, tiêu tán năng lượng khi động đất xảy ra, kết cấu có thể duy trì sức chịu tải mà không bị sụp đổ. - Giảm trọng lượng bản thân có ý nghĩa quan trọng đối với nhà cao tầng: giảm tải trọng truyền xuống móng, giảm lực động đất, giảm giá thành đồng thời tăng độ an toàn và thời gian sử dụng cho công trình. - Có khả năng chịu lửa cao, thoát hiểm an toàn, có độ bền, tuổi thọ cao. - Móng phải phù hợp. 1.4. CÁC HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ CAO TẦNG 1.4.1. Các hệ kết cấu cơ bản đối với nhà cao tầng a) Các cấu kiện cơ bản trong nhà cao tầng: - Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm. - Cấu kiện phẳng: tường đặc, tấm sàn, tấm có lỗ. - Cấu kiện không gian: lõi cứng, lưới hộp, dưới tác động của tải trọng, hệ không gian này làm việc như một hệ kết cấu độc lập. b) Các hệ kết cấu cơ bản trong nhà cao tầng: Có thể phân làm hai nhóm chính [4]: Nhóm 1: chỉ gồm một loại cấu kiện chịu lực độc lập như khung, vách, lõi, hộp. Nhóm 2: được tổ hợp từ hai hoặc ba loại cấu kiện cơ bản trở lên: - Kết cấu khung + vách. - Kết cấu khung + lõi. - Kết cấu khung + hộp. - Kết cấu khung + vách +lõi. Việc chọn hệ kết cấu dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của công trình, công năng sử dụng, chiều cao nhà và độ lớn của tải ngang (gió, động đất). Hình 1.9: Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng 9 1.4.2. Các hệ kết cấu chịu lực đối với nhà cao tầng a) Hệ kết cấu thuần khung: Kết cấu bao gồm hệ thống cột và dầm liên kết cứng tại các nút, nhiều khung phẳng tạo thành khung không gian vừa chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. Kết cấu thuần khung có khả năng tạo ra các không gian lớn, linh hoạt có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sử dụng công trình. Đối với hệ kết cấu này có sơ đồ làm việc rõ ràng, nhưng độ cứng theo phương ngang tương đối nhỏ, khả năng chịu cắt phương ngang kém, năng lực chống lại tác động của tải ngang kém khi chiều cao công trình lớn [4]. Chiều cao tối đa của nhà khi sử dụng kết cấu thuần khung phụ thuộc vào tải trọng ngang (gió 15 tầng hay động đất:10 tầng), còn phụ thuộc vào số nhịp, độ lớn các nhịp và tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng nhà [4]. Khi tính toán, chọn mô hình tính toán khung – sàn kết hợp: với giả thiết bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó [4]. Các nội lực trong cột bao gồm: lực dọc, lực cắt, moment uốn theo hai phương, moment xoắn. Hình 1.10: Mô hình 3D Kết cấu thuần khung [4] 10 b) Hệ kết cấu vách chịu lực: Kết cấu là một hệ thống vách vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang, đồng thời làm cả nhiệm vụ vách ngăn các phòng.Vách cứng (BTCT) trong nhà cao tầng phải bố trí suốt từ móng đến mái, đồng trục (vách cứng có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt). Hệ kết cấu này là tổ hợp các vách phẳng, phải được bố trí theo hai phương. Trong mặt bằng nhà, hạn chế việc bố trí các vách cứng tập trung ở trọng tâm nhà do khả năng chống xoắn kém, tốt nhất nên bố trí các vách cứng dọc theo chu vi nhà vì thế nhà có khả năng chống xoắn tốt hơn và chịu tải cả hai phương. Hình 1.11: Bố trí vách cứng trong mặt bằng [4] a) Nhà không có khả năng chống xoắn b) Nhà có khả năng chống xoắn tốt hơn Vách cứng liên tục không khoét lỗ gọi là vách đặc.Trong nhà thường chỉ có một số ít là vách đặc, còn lại là vách bị khoét lỗ dành cho các cửa đi và cửa sổ. Kết cấu vách cứng có những đặc điểm cơ bản sau [4]: + Kết cấu vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phương ngang lớn, kết hợp với bản sàn tạo thành kết cấu hộp nhiều ngăn có khả năng chịu tải lớn, đặc biệt là khả năng chịu tải ngang (tải động đất). + Loại kết cấu này có khoảng không gian nhỏ nên chỉ phù hợp với các công trình nhà ở. + Kết cấu vách cứng được xem như là một tấm phẳng chỉ chịu lực trong mặt phẳng bản thân, không chịu lực ngoài mặt phẳng đó. Do đó cần phải bố trí vách cứng theo cả hai phương. + Cách bố trí vách cứng sao cho công trình có khả năng chống xoắn cao khi chịu tải ngang. + Vách cứng được xem như một công xôn ngàm với móng và chịu uốn trong mặt phẳng của nó. Nội lực trong vách bao gồm: lực dọc, mô men uốn và lực cắt trong mặt phẳng vách. 11 c) Hệ kết cấu lõi: Đối với một số công trình cần có không gian rộng với việc bố trí mặt bằng đa dạng, để đáp ứng yêu cầu này cần tạo một hệ chịu lực bằng các vách cứng theo các phương liên kết lại với nhau gọi là lõi cứng. Kết cấu vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang. Một ngôi nhà có thể có một hoặc nhiều lõi cứng, nếu chỉ có một lõi cứng thường được bố trí ở trung tâm, nếu có nhiều lõi cứng thì các lõi được đặt xa nhau và nên bố trí đối xứng trên mặt bằng không nên bố trí lõi cứng lệch một bên. Các lõi cứng phải bố trí sao cho tâm độ cứng của chúng trùng với trọng tâm nhà để tránh công trình bị xoắn khi dao động [4]. Lõi cứng có tiết diện kín hoặc hở, thường gặp là tiết diện nửa hở do có khoét lỗ cửa. Lõi cứng làm việc như một thanh công xôn ngàm với móng, nội lực bao gồm: lực dọc, mô men theo hai phương, lực cắt theo hai phương và cả mô men xoắn.Bản sàn tựa lên các lõi cứng đó hoặc sàn tựa lên các dầm lớn liên kết với lõi cứng [4]. Hình 1.12 Bố trí vách cứng trong mặt bằng [4] a,b) Lõi cứng bố trí đối xứng c)Lõi cứng bố trí lệch một bên (không nên) d) Hệ kết cấu khung – vách cứng: Vách cứng có thể bố trí theo một phương hoặc hai phương, hoặc liên kết nhau thành một nhóm (kín hoặc hở) [4]. Đặc điểm của kết cấu này là khả năng chịu tải trọng ngang rất tốt, vách cứng chủ yếu để chịu tải ngang trên 85% nên thường sử dụng trong các nhà cao tầng [4]. Kết cấu này đạt hiệu quả trong nhà từ 20 đến 40 tầng. Khả năng chịu tải của vách phụ thuộc phần lớn vào hình dạng tiết diện ngang của nó [4]. Nhà cao tầng nên tránh dùng kết cấu thuần khung, thường nên kết hợp vách và khung [4]. Hình 1.13. Một số dạng vách cứng thường gặp [4] 12 Hình 1.14.Kết cấu khung vách [4] e) Kết cấu nhà cao tầng Outrigger: Kết cấu bao gồm lõi cứng đặt ở giữa, các cột bố trí xung quanh chu vi. Cột làm việc chung với lõi cứng thông qua các dầm cứng nằm ngang (Hình 1.15) [1]. Các dầm cứng nằm ngang do có độ cứng rất lớn (thường có chiều cao khoảng 1÷2 tầng nhà) nên có khả năng đảm bảo cho cột và lõi làm việc đồng thời. Lúc này hệ kết cấu làm việc như dầm công xôn tổ hợp khi chịu lực ngang, các cột phía đón gió chịu kéo và các cột phía khuất gió chịu nén cho nên hệ cứng hơn nhiều so với kết cấu lõi. Kiểu nhà này có thể đạt đến 70 tầng hoặc cao hơn [1]. 13 Hình 1.15. Sự làm việc của hệ kết cấu nhà cao tầng Outrigger [1] f) Kết cấu nhà cao tầng dạng ống: Ban đầu được sử dụng hạn chế trong một số công trình chuyên biệt như tháp nước Sukhov ở Nga, khu triển lãm thương mại MyZeiL ở Đức.Tuy nhiên gần đây nó được sử dụng khá nhiều trong các công trình nhà thép siêu cao tầng nhờ khả năng chịu lực theo phương ngang rất lớn và thẩm mỹ cao, một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu như tòa nhà Hearst Tower ở New York, tòa tháp CCTV Tower (Trung Quốc) (Hình 1.16÷Hình 1.17). Trong kết cấu hệ này, người ta bố trí lưới cột rất dày ở chu vi nhà. Lưới cột này kết hợp với dầm có độ cứng lớn tạo ra miếng cứng kiểu khung (Hình 1.18) [1]. Các tấm khung cứng quanh chu vi tạo nên một tiết diện ống (tube). Ống này sẽ chịu hoàn toàn tải ngang, các cột bố trí bên trong thì chịu tải đứng. Khi chịu tải ngang các khung song song với hướng gió đóng vai trò là bụng của tiết diện ống, các khung vuông góc đóng vai trò là cánh [1]. Kiểu nhà này có khả năng chịu tải ngang lớn, chiều cao lên đến 100 tầng, kiến trúc đẹp, không gian bên trong dễ bố trí, thuận lợi cho thi công vì các tầng lặp lại giống nhau.Tuy vậy có một nhược điểm là các cột ở góc bị tập trung ứng suất lớn. Một số kiểu kết cấu dạng ống: kiểu ống lồng lồng ống hoặc các ống chập vào nhau thì ta có kết cấu ống bó [1].