Mở đầu Nghiên cứu ứng xử cơ học cũng như dự báo sự thay đổi thành phần nội lực trong kết cấu công trình đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc giải quyết bài toán độ bền, độ ổn định của công trình, đặc biệt khi công trình chịu tải trọng động đất. Trong lĩnh vực kết cấu nhà cao tầng, đã có một số phương pháp được sử dụng để phân tích, nghiên cứu và tính toán định lượng sự thay đổi của các thành phần nội lực, chuyển vị của kết cấu. Hiện nay đã có khá nhiều phương pháp được nghiên cứu và áp dụng, trong đó có phương pháp sử dụng mô hình tương đương. Ưu điểm của phương pháp này là quá trình tính toán đơn giản và có thể áp dụng cho các loại công trình khác nhau.
Sử dụng phương pháp mô hình tương đương để nghiên cứu tính toán công trình đã được một số tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu (Đặng Văn Phi, 2014; Võ Văn Thảo, 2013; Nguyễn Võ Thông và nnk., 2013; Yue, 2008; Moncarz and Karawinkler, 1981), trong đó chủ yếu tập trung vào việc xây dựng lý thuyết tương tự, nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu, tải trọng và thời gian tác dụng của tải trọng đến nội lực và chuyển vị của kết cấu trong mô hình; các nghiên cứu trên chưa đề cập nhiều tới sự ảnh hưởng của kích thước hình học đến sự thay đổi nội lực trong mô hình tính tương đương, đặc biệt khi mô hình chịu tải trọng động đất. Để phản ánh chính xác ứng xử của nguyên hình, các tham số của mô hình tương đương như kích thước hình học (tỷ lệ chiều cao, kích thước tiết diện cấu kiện), chủng loại vật liệu phải được tính toán và lựa chọn một cách phù hợp trước khi mô hình được sử dụng để nghiên cứu. Các mô hình tương đương thường được thiết kế với kích thước hình học và quy mô nhỏ hơn với nguyên hình, tuy nhiên luôn dựa trên nguyên tắc mô phỏng chính xác được dạng liên kết, chủng loại vật liệu sử dụng, trạng thái làm việc và kết cấu của công trình. Trong kỹ thuật mô hình hóa, các tham số tỷ lệ tương tự được tạo thành bởi tỷ số những đại lượng của các biến số tương ứng giữa nguyên hình và mô hình.
Gọi (s) là tỷ số giữa đại lượng nguyên hình (N) trên đại lượng mô hình (M), phương trình (1.1) thể hiện mối liên hệ giữa các đại lượng của mô hình và nguyên hình (Võ Văn Thảo, 2013).1) Hướng tới mục tiêu làm rõ được ảnh hưởng của kích thước hình học tới sự thay đổi các thành phần nội lực trong khung nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất, luận văn sử dụng nguyên lý của mô hình tương đương xây dựng mô hình để nghiên cứu sự thay đổi của thành phần nội lực ứng với những giá trị cụ thể của kích thước hình học của kết cấu khung nhà nhiều tầng; trong đó hai cấu kiện chịu lực chính của kết cấu khung nhà nhiều tầng bê tông cốt thép là dầm và cột được xem xét.2 Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển Kết cấu nhà cao tầng bắt đầu thịnh hành tại Mỹ từ những năm 60-70 của thế kỷ trước, tập trung tại một số thành phố lớn như Chicago, Los Angeles và New York. Loại hình kết cấu phổ biến ban đầu là khung và khung-vách. Hệ kết cấu khung làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép, có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây sử dụng cho các công trình nhiều tầng trước đó. Kết cấu đơn giản, hình thành bởi các cột và dầm liên tục với các nút chịu mô men, có đặc điểm là tương đối nhẹ giúp giảm ảnh hưởng của động đất lên công trình.
Đồng thời khả năng hấp thụ năng lượng tốt cho phép kết cấu có ứng xử dẻo dưới tác động của động đất, hạn chế các phá hoại mang tính “dòn” và “phát triển” như đối với kết cấu khối xây. Mặc dù vậy, kết cấu khung cũng có hạn chế khi sử dụng cho các công trình cần không gian rộng như văn phòng hay trung tâm thương mại, do tương đối nhiều cột. Hệ kết cấu này thích hợp cho công trình dưới 25 tầng, với công trình cao hơn hệ kết cấu khung tỏ ra không kinh tế. Kết cấu khung-vách là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và khung cùng chịu tải trọng ngang.
Hệ kết cấu này có ưu điểm so với kết cấu khung bởi tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng của hệ. Loại kết cấu này thích hợp với công trình khoảng từ 10 đến 50 tầng và có thể cao hơn. Nếu sử dụng dầm mở rộng nách, hệ kết cấu này có thể áp dụng cho công trình đạt tới 70 hoặc 80 tầng. Tuy nhiên, việc lựa chọn hệ kết cấu này cho công trình cao hơn 50 tầng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề như khoảng cách giữa các cột gần nhau, dầm có 5 chiều cao lớn, tường có nhiều lỗ mở, dẫn đến làm việc giống khung, sự làm việc tương tác khung-vách sẽ bị hạn chế.
Kết cấu lõi thường được cấu thành bởi các vách thang máy và thang bộ. Do là kết cấu không gian, nên hệ lõi có thể chịu được tải trọng đứng, lực cắt, mô men và xoắn theo hai phương. Hình dạng của lõi phụ thuộc vào yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc hoặc kỹ thuật, có thể thay đổi từ lõi đơn tới nhiều lõi. Hệ khung sàn bao quanh lõi có thể là kết cấu bê tông đổ tại chỗ, bê tông đúc sẵn hoặc sàn thép.
Hạn chế lớn nhất của hệ kết cấu này là kích thước của lõi thường bị giới hạn, do đó hiệu quả chịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một công son. Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng. Giai đoạn những năm 1970-1980 là giai đoạn kết cấu ống được áp dụng nhiều. Các tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m, Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m là những công trình tiêu biểu.
Hệ kết cấu ống ban đầu được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau. Sau đó hệ kết cấu này biến thể với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, bố trí vượt nhiều tầng theo chiều cao, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình. Sự làm việc hiệu quả của hệ kết cấu này thể hiện ở chỗ phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh nhà. Tuy nhiên chuyển vị ngang của tòa nhà có thể lớn phụ thuộc vào hình dạng của ống.
Xét về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng. Tuy nhiên, hệ kết cấu này gặp phải hiện tượng trễ cắt (shear lag), là vấn đề cần phải chú ý khi thiết kế vì nó làm tăng ứng suất của cột và dầm tại các khu vực các góc nhà. Từ những năm 2000 trở lại đây xu hướng xây dựng nhà cao tầng đã lan sang các nước châu Á như Nhật Bản, Hồng Kông, Hàn Quốc, Singapore, Trung Quốc và Trung Đông. Các hệ kết cấu phức tạp như hệ siêu khung, giàn không gian, bó lõi được áp dụng cho những công trình có chiều cao lớn.
Điển hình là tòa tháp Burj Khalifa Dubai, sử dụng hệ kết cấu bó lõi kết hợp đai biên đã cho phép công trình đạt tới chiều cao 828m (160 tầng), hiện nay là công trình nhà cao nhất thế giới. Kết cấu có tầng cứng dựa trên một nguyên lý vật lý đơn giản để chuyển hóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tải trọng 6 ngang, thông qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị trí hợp lý theo chiều cao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình. Nguyên lý này có thể sử dụng cho một số hình thái kết cấu như đai biên cho phép huy động toàn bộ các cột biên tham gia chống mômen lật, hoặc siêu khung khi mô men lật được chịu bởi một số cặp cột lớn. Hơn nữa, hệ kết cấu tầng cứng còn có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc gây ra.
Hiện nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều. Theo báo cáo tại hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng tại Thượng Hải 2010, từ năm 2000 đến 2010 có 73% kết cấu nhà cao tầng sử dụng hệ kết cấu lõi cứng – tầng cứng, trong đó 50% là kết cấu bê tông cốt thép. Với ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi – tầng cứng có thể cao tới 150 tầng. Bên cạnh sự phát triển về chiều cao và tính phức tạp của loại hình kết cấu, các công trình cao tầng và siêu cao tầng còn là nơi mà các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến được triển khai áp dụng, xuất phát từ những đòi hỏi cao về kỹ thuật cần phải xử lý trong thiết kế và thi công xây lắp.
Cường độ bê tông khoảng 34 Mpa đã được xem là cao vào những năm 1950, tới năm 1960 đạt 41Mpa đến 52 Mpa. Những năm 1970, bê tông 62 Mpa được sử dụng cho công trình Water Tower Palace ở Chicago và tới năm 1989 công trình Quảng trường Công đoàn tại Seattle sử dụng bê tông có cường độ 131 Mpa. Hiện nay cường độ bê tông đúc tại hiện trường có thể đạt tới 138 Mpa. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, sử dụng vật liệu và giải pháp đặc biệt, cường độ bê tông có thể đạt 800 Mpa.
Bên cạnh đó, bê tông còn được phát triển theo hướng tính năng cao (high performance concrete) với mục đích cụ thể như cường độ cao, phát triển cường độ sớm, tăng mô-đun đàn hồi, tăng độ bền và kéo dài thời thời gian ninh kết… nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn. Kết cấu thép đóng vai trò quan trọng, tạo nên sự phát triển rõ nét đối với nhà cao tầng sử dụng loại vật liệu này. Bắt đầu từ năm 1856 (Taranath), điển hình như tháp Eiffel (300m) được xây dựng năm 1889, tòa nhà Flatiron (87m) ở Chicago năm 1902 và Chryler Building (319m) ở Manhatan năm 1929. Các tòa nhà sử dụng kết cấu thép còn đánh dấu những bước tiến về chiều cao như Empire State Building cao 381m năm 1931 và World Trade Tower cao 412m năm 1972.
Vật liệu composite bắt đầu được sử dụng từ năm 1969 cho một công trình cao 20 tầng bằng việc dùng hỗn hợp kết cấu thép-bê 7 tông cho cột và dầm.