Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ LÕI CỨNG VÀ TẦNG CỨNG BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG NHÀ CAO TẦNG 1.1 Khái niệm về nhà cao tầng 1.1 Nguyên nhân xuất hiện nhà cao tầng Đồng Nai là thành phố quan trọng, trung tâm công nghiệp lớn nhất phía Nam Việt Nam, đồng thời cũng là trung tâm kinh tế, văn hóa, giáo dục, khoa học, thương mại và công nghệ của vùng Đông Nam Bộ. Do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và xã hội dẫn đến tại một số khu vực nội đô dân số tập trung ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn, … tăng lên đánh kể, trong khi đó quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng. Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đấy phát triển kinh tế, giảm chi phí vận hành … Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển nhà cao tầng.2 Khái niệm và phân loại nhà cao tầng 1.1 Khái niệm Theo Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: “Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với ngôi nhà thông thường được gọi là nhà cao tầng”.2 Phân loại Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc và các dịch vụ khác. Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc và các dịch vụ khác.
Phân loại theo hình dạng: + Nhà tháp: mặt bằng vuông, tròn, tam giác hay đa giác đều. Việc giao thông theo phương đứng, tập trung ở một khu vực duy nhất (khách sạn, phòng làm việc). + Nhà dạng thanh: mặt bằng hình chữ nhật, có nhiều đơn vị giao thông theo phương đứng (nhà ở). Phân loại theo chiều cao nhà: + Nhà cao tầng loại I: từ 9 đến 16 tầng (từ 40 đến 50m).
+ Nhà cao tầng loại II: từ 17 đến 25 tầng (dưới 80m). + Nhà cao tầng loại III: từ 26 đến 40 tầng (dưới 100m). 5 + Nhà rất cao: trên 40 tầng (trên 100m). Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực: + 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. Về mặt kết cấu, một công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang bao gồm tải trọng gió, động đất… 1.2 Tải trọng tác động 1.1 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 trọng thạm thời: là tải trọng tác động không thường xuyên như: người, vật dụng trong nhà … có phương, chiều, điểm đặt và giá trị có thể thay đổi.2 Tải trọng ngang Tải trọng gió do tác động của khí hậu và thời tiết thay đổi theo thời gian, độ cao, 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 dụng đồng thời theo phương thẳng đứng và phương ngang. Trong tính toán kết cấu nhà cao tầng thường chỉ xét đến tác động ngang của tải trọng động đất.3 Các loại tải trọng khác +Tác động do co ngót, từ biến của bê tông.
+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… Ngoài ra còn có các tải trọng đặc biệt khác phát sinh do hoạt động của con người như hỏa hoạn, cháy nổ, máy móc, xe cộ, thiết bị va đập vào công trình … 1.4 Các vấn đề trong thiết kế nhà cao tầng Khi thiết kế nhà cao tầng cần đảm bảo các vấn đề sau: +Thỏa mãn yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ, sử dụng. 6 +Đảm bảo độ bền và ổn định.
+Đảm bảo độ cứng, chuyển vị ngang. +Nhà cao tầng phải có khả năng kháng chấn cao. +Kết cấu chịu lực phương đứng và phương ngang (khung, vách, lõi cứng) chọn, bố trí hợp lý. +Giảm trọng lượng bản thân.
+Có khả năng chịu lửa cao, thoát hiểm an toàn.3 Một số hệ kết cấu chịu lực cơ bản 1.1 Kết cấu phát triển theo phương đứng Trong nhà cao tầng cần thiết kế các kết cấu chịu lực có độ cứng đồng đều, tránh sự thay đổi đột theo chiều cao. Trên mặt cắt thẳng đứng, kết cấu cũng cần đạt đến độ đối xứng về hình học cũng như về khối lượng (chất tải). Sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu (như việc thông tầng, giảm cột hoặc dạng cột hẫng, dạng sàn dật cấp) cũng như việc dùng các sơ đồ kết cấu có các cánh mỏng và kết cấu dạng công xon dài theo phương ngang nhà đều gây ra sự bất lợi dưới tác động của các tải trọng gió, tải trọng động.1 Khung Đa số khung được sử dụng là khung có nút cứng, chúng có khả năng vừa chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang (gió, động đất v. Trong một số trường hợp, người ta cũng dùng khung có nút khớp để giảm ảnh hưởng của lún lệch và làm cho dầm các sàn tương đối giống nhau.
Khi đó tải trọng ngang sẽ do các kết cấu khác như vách, lõi chịu.1 Sơ đồ hệ khung chịu lực 7 Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo, nén. Chuyển vị của khung gồm 2 thành phần chuyển vị ngang do uốn khung như chuyển vị ngang của thanh công xon thẳng đứng, tỷ lệ này khoảng 20%. Chuyển vị ngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do dầm biến dạng khoảng 65%; do cột biến dạng khoảng 15%). Nên chọn sơ đồ khung sao cho tải trọng tác động theo phương ngang và thẳng đứng được truyền trực tiếp và ngắn nhất xuống móng.
Tránh sử dụng sơ đồ khung hẫng cột tầng dưới. Nếu bắt buộc phải hẫng cột như vậy, phải có giải pháp tăng cường các dầm đỡ có đủ độ cứng chống uốn và cắt dưới tác động của các tải trọng tập trung lớn. Không nên thiết kế dạng khung thông tầng. Khi thiết kế khung cần chọn độ cứng tương đối của dầm nhỏ hơn của cột nhằm tránh khả năng cột bị phá hoại trước dầm 1.2 Vách Vách có thể là tường bằng bê tông cốt thép, khung chèn gạch được ngàm vào móng.
Vách có khả năng chịu tải trọng ngang rất lớn (phụ thuộc vào kích thước tiết diện ngang của vách và chiều cao của vách). Nếu gọi bề dày của vách là b, chiều cao tiết diện vách là h và chiều cao vách theo phương đứng là H thì người ta chỉ tính đến khả năng chịu mô men uốn và cắt theo phương của chiều cao tiết diện h, khả năng chịu xoắn thuần túy của vách là khá nhỏ và thường không được xét đến trong tính toán.2 Hình dạng các vách cứng Vách bê tông cốt thép có thể là vách đặc, cũng có thể là vách có khoét lỗ để phục vụ những yêu cầu kỹ thuật và kiến trúc nào đó. Khi vách bị khoét lỗ, khả năng chịu lực uốn và cắt của vách sẽ bị giảm đi và cần phải được đưa vào tính toán. Trong nhà nhiều tầng tỷ lệ H/h thường nhỏ nên ảnh hưởng của biến dạng trượt (cắt) là lớn và cần phải xét đến trong tính toán.
Để cho việc tính toán được đơn giản 8 khi thiết kế sơ bộ người ta cũng có thể bỏ qua biến dạng trượt (cho GA = ∞) và chỉ xét đến biến dạng uốn. Trong các mặt bằng nhà hình chữ nhật nên bố trí từ 3 vách trở lên theo cả 2 phương. Vách theo phương ngang cần bố trí đều đặn, đối xứng tại các vị trí gần đầu hồi công trình, gian thang máy, tại các vị trí có biến đổi hình dạng trên mặt bằng và những vị trí có tải trọng lớn (sàn đặt bể nước hoặc các thiết bị kỹ thuật khác). Nên thiết kế các vách giống nhau (về độ cứng cũng như kích thước hình học) và bố trí sao cho tâm cứng của hệ kết cấu trùng với tâm trọng lực (trọng tâm hình học mặt bằng) ngôi nhà.
Độ cứng của các vách thường chiếm tỷ lệ lớn trong tổng độ cứng của toàn hệ. Vì vậy, các vách nên có chiều cao chạy suốt từ móng lên mái và có độ cứng không đổi trên toàn bộ chiều cao hoặc nếu phải giảm thì giảm dần từ dưới lên trên.3 Lõi kín Là kết cấu có dạng ống thẳng đứng được ngàm vào móng. Tiết diện ngang của lõi có thể là tròn, đa giác đều, vuông, chữ nhật ; lõi có thể có một khoang hoặc nhiều khoang. Tường của lõi có thể có khoét lỗ.
Trong nhà nhiều tầng, lõi được sử dụng làm lồng thang máy và các hệ thống kỹ thuật khác. Có thể mô tả lõi như là nhiều vách được nối với nhau thành hộp kín, do đó lõi vừa có khả năng chịu uốn, cắt tốt vừa có khả năng chịu xoắn lớn. Sau đây là một số cách bố trí thông dụng: - Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác. - Nhà có một lõi hoặc hai lõi.
- Lõi nằm trong nhà hoặc theo chu vi nhà hoặc có một phần nằm ngoài.3 Các hệ lõi chịu lực Trường hợp nhà có nhiều lõi cứng thì chúng được đặt xa nhau và các sàn được tựa lên hệ thống dầm lớn liên kết với các lõi. Các lõi cứng được bố trí trên mặt bằng 9 nhà sao cho tâm cứng của công trình trùng với trọng tâm của nó để tránh bị xoắn khi dao động. Lõi cứng làm việc như một consol lớn ngàm vào mặt móng công trình, lõi có tiết diện kín, hở hoàn toàn hoặc nửa hở, tuy nhiên thực tế lõi cứng thường có tiết diện hở hoặc nửa hở. Đây là hệ kết cấu được sử dụng khá phổ biến, có thể sử dụng cho những công trình có số tầng lên đến 60-70 tầng.4 Công trình “The Miglin-Beiler Tower” ở Chicago (Hoa Kỳ) Hình dưới mô tả công trình “The Miglin-Beiler Tower” ở Chicago (Hoa Kỳ) có phần kết cấu thân không kể tháp thép ở trên cao 443,2m sử dụng hệ kết cấu lõi chịu lực, trong đó ở giữa công trình đặt một lõi bê tông cốt thép chịu lực chính có bề dày giảm dần từ 0,91m đến 0,46m, ngoài ra xung quanh được bố trí thêm một số cột thép rỗng nhồi bê tông và một số dàn thép ở biên để tăng độ cứng tổng thể.