Đồ án tốt nghiệp: Giải pháp kết cấu nhà cao tầng - Đại học Thủy Lợi

Tìm hiểu về kết cấu trong xây dựng qua bài viết "1 kết cấu 1 kết cấu 1 kết cấu". Khám phá các loại kết cấu, ứng dụng & nguyên tắc thiết kế cơ bản.

• Tác giả: Lê Đình Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Bùi Sĩ Mười
• Trường học: Trường đại học thủy lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng & công nghiệp
• Đề tài: Giải pháp thiết kế nhà cao tầng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG I: GIẢI PHÁP KẾT CẤU
• 1.1. ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG:
• 1.2. Tải trọng ngang:
• 1.3. Chuyển vị ngang:
• 1.4. Trọng lƣợng bản thân:
• 1.5. GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH:
• 1.6. Hệ kết cấu khung chịu lực:
• 1.7. Hệ kết cấu khung vách cứng và lõi cứng:
• 1.8. Hệ kết cấu khung-giằng (khung và vách cứng):
• 1.9. Hệ kết cấu hình ống:
• 1.10. GIẢI PHÁP SÀN:
• 1.11. Sàn nấm (sàn không dầm - không ƢLT) :
• 1.12. Sàn ô cờ:
• 1.13. Sàn sƣờn toàn khối:
• 1.14. Sàn ứng lực trƣớc:
• 2. CHƢƠNG II : CHỌN SƠ BỘ KÍCH THƢỚC TIẾT DIỆN
• 2.1. VẬT LIỆU:
• 2.2. CHỌN CHIỀU DÀY SÀN:
• 2.3. CHỌN KÍCH THƢỚC DẦM:
• 2.4. CHỌN SƠ BỘ KÍCH THƢỚC TIẾT DIỆN CỘT:
• 3. CHƢƠNG III: TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG
• 3.1. CƠ SỞ THIẾT KẾ:
• 3.2. CÁC DẠNG DAO ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH:
• 3.3. XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH:
• 3.4. Xác định tải trọng đứng tác dụng lên công trình:
• 3.5. Tải trọng bản thân
• 3.6. Trọng lượng các lớp trát kiến trúc bề mặt kết cấu
• 3.7. Trọng lƣợng các lớp cấu tạo sàn tầng 2 đến tầng 11
• 3.8. Trọng lƣợng các lớp cấu tạo phòng vệ sinh
• 3.9. Bảng 3.3-Trọng lƣợng tƣờng thu hồi
• 3.10. Trọng lƣợng tôn mái và xà gồ mái
• 3.11. Trọng lƣợng thang: chi tiết trong phần tính toán cầu thang bộ
• 3.12. Bảng 3.6-Trọng lƣợng tƣờng tầng điển hình
• 3.13. Tƣờng dày 220mm:
• 3.14. Tƣờng dày 110mm:
• 3.15. Trọng lƣợng tƣờng tầng 1
• 3.16. Tƣờng dày 220mm:
• 3.17. Tƣờng dày 110mm:
• 3.18. Hoạt tải sàn:
• 3.19. Hoạt tải sàn a. Họat tải tầng 1 cốt +0.000
• 3.20. Hoạt tải sàn tầng 2 cốt +4.200
• 3.21. Hoạt tải sàn tầng điển hình, tầng 3-10:

Tóm tắt

I. Giới thiệu Đồ án Kết cấu Nhà cao tầng Toàn diện nhất

Một đồ án kết cấu nhà cao tầng thành công đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết học thuật và kinh nghiệm thực tiễn. Việc lựa chọn giải pháp thiết kế không chỉ ảnh hưởng đến sự an toàn, bền vững mà còn tác động trực tiếp đến chi phí, tiến độ và tính thẩm mỹ của công trình. Khác với nhà thấp tầng, thiết kế nhà cao tầng phải đối mặt với những thách thức đặc thù như tải trọng ngang, chuyển vị đỉnh và dao động. Do đó, việc phân tích và lựa chọn một hệ kết cấu chịu lực tối ưu ngay từ giai đoạn đầu là yếu-tố-sống-còn. Bài viết này sẽ phân tích sâu các giải pháp thiết kế, dựa trên các tài liệu nghiên cứu và tiêu chuẩn hiện hành như TCVN 2737:1995 và TCVN 9386:2012, nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan và chi tiết cho các kỹ sư, sinh viên đang thực hiện đồ án trong lĩnh vực này. Mục tiêu là đưa ra các phương pháp tiếp cận khoa học, từ việc lựa chọn sơ bộ tiết diện, phân tích tải trọng, cho đến việc sử dụng các công cụ hiện đại như phần mềm Etabs để mô hình hóa và tính toán nội lực một cách chính xác, đảm bảo công trình không chỉ có đủ cường độ mà còn có đủ độ cứng cần thiết.

1.1. Tầm quan trọng của việc lựa chọn hệ kết cấu chịu lực

Việc lựa chọn hệ kết cấu chịu lực là quyết định nền tảng, ảnh hưởng đến mọi khía cạnh của dự án nhà cao tầng. Một giải pháp kết cấu phù hợp không chỉ đảm bảo khả năng chịu các loại tải trọng đứng và tải trọng ngang mà còn phải hài hòa với giải pháp kiến trúc, hệ thống cơ điện và biện pháp thi công. Các hệ kết cấu phổ biến bao gồm kết cấu khung vách, lõi cứng (core wall), hay các hệ tiên tiến hơn như kết cấu ống và hệ giằng outrigger. Mỗi hệ thống có ưu và nhược điểm riêng về độ cứng, khả năng vượt nhịp, và tính linh hoạt trong bố trí không gian. Theo tài liệu nghiên cứu, "Việc chọn hệ kết cấu khác nhau có liên quan đến vấn đề bố trí mặt bằng, hình thể khối đứng, độ cao các tầng, thiết bị điện, đường ống, yêu cầu về kỹ thuật thi công, tiến độ thi công, giá thành công trình…". Do đó, quyết định này cần được cân nhắc kỹ lưỡng dựa trên chiều cao công trình, điều kiện địa chất, và các yêu cầu sử dụng cụ thể.

1.2. Các yếu tố cốt lõi ảnh hưởng đến thiết kế nhà cao tầng

Thiết kế nhà cao tầng bị chi phối bởi ba yếu tố chính: tải trọng, độ cứng và vật liệu. Tải trọng tác động bao gồm tĩnh tải (trọng lượng bản thân), hoạt tải sử dụng, và đặc biệt là các tải trọng ngang như tải trọng gió và tải trọng động đất. Độ cứng của công trình là yếu tố quyết định khả năng chống lại biến dạng và dao động của công trình dưới tác dụng của tải trọng ngang. Việc kiểm tra chuyển vị đỉnh là một yêu cầu bắt buộc để đảm bảo sự tiện nghi cho người sử dụng và an toàn cho các cấu kiện phi kết cấu. Cuối cùng, việc lựa chọn vật liệu xây dựng nhà cao tầng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa trọng lượng bản thân và tăng cường khả năng chịu lực. Các vật liệu hiện đại như bê tông cường độ cao, thép cường độ cao và kết cấu liên hợp thép-bê tông đang ngày càng được ưa chuộng để giảm kích thước cấu kiện và tăng không gian sử dụng.

II. Top 3 Thách thức lớn khi Thiết kế Kết cấu Nhà cao tầng

Khi chiều cao công trình tăng lên, các vấn đề kỹ thuật trở nên phức tạp hơn theo cấp số nhân. Thiết kế kết cấu nhà cao tầng không đơn thuần là việc tăng kích thước cấu kiện, mà là cuộc chiến chống lại các lực tự nhiên và các giới hạn của vật liệu. Thách thức lớn nhất đến từ các tải trọng tác động theo phương ngang, vốn có thể bỏ qua ở nhà thấp tầng nhưng lại là yếu tố chi phối trong nhà cao tầng. Bên cạnh đó, việc kiểm soát chuyển vị và dao động của tòa nhà để đảm bảo ổn định tổng thể và sự thoải mái cho người sử dụng là một bài toán khó, đòi hỏi các giải pháp kết cấu có độ cứng cao. Cuối cùng, trọng lượng bản thân của chính công trình cũng trở thành một gánh nặng, ảnh hưởng đến kích thước cột tầng dưới và yêu cầu về móng. Giải quyết triệt để ba thách thức này là chìa khóa để có một bản vẽ kết cấu nhà cao tầng an toàn và kinh tế. Việc hiểu rõ bản chất của những vấn đề này giúp kỹ sư đưa ra lựa chọn hệ chịu lực phù hợp ngay từ đầu.

2.1. Phân tích ảnh hưởng của tải trọng gió và tải trọng động đất

Tải trọng ngang, bao gồm tải trọng gió và tải trọng động đất, là hai nhân tố nguy hiểm nhất đối với nhà cao tầng. Như tài liệu gốc đã chỉ ra, "Theo sự tăng lên của độ cao, nội lực và chuyển vị do tải trọng ngang sinh ra tăng lên rất nhanh". Áp lực gió không chỉ tác động tĩnh mà còn gây ra thành phần động do xung của vận tốc gió, dẫn đến dao động của công trình. Tải trọng động đất gây ra lực quán tính tại các khối lượng tầng, có thể gây phá hoại kết cấu nếu không được thiết kế kháng chấn đúng theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012. Cả hai loại tải trọng này đều đòi hỏi một hệ kết cấu có độ cứng lớn và khả năng phân tán năng lượng tốt để hạn chế biến dạng và duy trì sự ổn định. Việc phân tích kết cấu bằng các phần mềm chuyên dụng như Etabs hoặc Sap2000 là bắt buộc để mô phỏng chính xác ứng xử của công trình dưới các tác động này.

2.2. Vấn đề ổn định tổng thể và kiểm soát chuyển vị đỉnh

Chuyển vị ngang là hệ quả trực tiếp của tải trọng ngang. Theo công thức cơ bản, chuyển vị đỉnh của một kết cấu dạng công xôn tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của chiều cao (Δ ∝ H⁴). Điều này có nghĩa là khi chiều cao tăng gấp đôi, chuyển vị có thể tăng đến 16 lần. Chuyển vị quá lớn không chỉ gây cảm giác bất an cho người sử dụng mà còn phát sinh hiệu ứng P-Delta (tăng thêm mô men do lực dọc tác dụng trên kết cấu đã biến dạng), có thể dẫn đến mất ổn định tổng thể. Do đó, tiêu chuẩn thiết kế luôn giới hạn tỷ lệ chuyển vị đỉnh so với chiều cao công trình (thường là H/500). Để đáp ứng yêu cầu này, việc kiểm tra chuyển vị đỉnh sau khi tính toán nội lực là bước không thể thiếu. Các giải pháp tăng cường độ cứng như sử dụng vách cứng, lõi cứng (core wall), hoặc hệ giằng outrigger là rất cần thiết.

III. Hướng dẫn Lựa chọn Hệ kết cấu Chịu lực Phù hợp nhất

Lựa chọn hệ kết cấu chịu lực là bước đi chiến lược trong một đồ án kết cấu. Không có một giải pháp duy nhất nào là hoàn hảo cho mọi công trình. Sự lựa chọn phụ thuộc vào chiều cao, hình dạng mặt bằng, yêu cầu kiến trúc và điều kiện thi công. Với các công trình có chiều cao vừa phải (dưới 20 tầng), hệ khung bê tông cốt thép có thể đáp ứng. Tuy nhiên, khi chiều cao tăng lên, hệ khung đơn thuần sẽ không đủ độ cứng để chống lại tải trọng ngang. Lúc này, các giải pháp kết hợp như khung-vách hoặc các hệ không gian như lõi cứng và hệ ống trở nên ưu việt hơn. Việc phân tích ưu, nhược điểm của từng hệ thống giúp kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt. Ví dụ, hệ vách cứng chịu lực ngang rất tốt nhưng có thể cản trở việc bố trí không gian linh hoạt. Ngược lại, hệ khung tạo ra không gian mở nhưng lại yếu hơn khi chịu lực ngang. Sự kết hợp thông minh giữa các hệ thống này thường mang lại hiệu quả tối ưu về cả kỹ thuật và kinh tế.

3.1. So sánh kết cấu khung kết cấu khung vách và lõi cứng

Hệ kết cấu khung truyền thống, bao gồm cột và dầm liên kết cứng, phù hợp cho nhà thấp tầng nhờ sự linh hoạt trong bố trí mặt bằng. Tuy nhiên, độ cứng ngang của hệ này khá nhỏ. Hệ kết cấu khung vách là sự kết hợp giữa khung chịu tải trọng đứng và các vách cứng (shear walls) chịu phần lớn tải trọng ngang. Hệ này được xem là giải pháp tối ưu cho các công trình đến 40 tầng, đặc biệt là nhà ở và khách sạn. Các vách cứng thường được bố trí ở khu vực lõi thang máy, thang bộ, tạo thành một lõi cứng (core wall). Lõi cứng hoạt động như một dầm công xôn khổng lồ, cung cấp độ cứng và độ ổn định vượt trội cho toàn bộ công trình, giúp giảm đáng kể kích thước của các cấu kiện cột và dầm trong hệ khung.

3.2. Khi nào nên áp dụng hệ kết cấu ống và hệ giằng outrigger

Đối với các tòa nhà siêu cao (trên 40-50 tầng), các hệ kết cấu thông thường không còn hiệu quả. Lúc này, kết cấu ống (tube structures) là một giải pháp đột phá. Hệ thống này cấu tạo bởi các cột biên đặt rất gần nhau, liên kết bằng các dầm biên cao, tạo thành một ống rỗng có độ cứng chống uốn và chống xoắn cực lớn. Biến thể của nó là hệ thống ống trong ống (tube-in-tube), kết hợp ống bao ngoài và một lõi cứng bên trong. Một giải pháp tiên tiến khác là hệ giằng outrigger. Hệ này sử dụng các dầm hoặc dàn thép cứng (outriggers) để liên kết lõi trung tâm với các cột biên. Khi công trình chịu tải trọng ngang, hệ outrigger sẽ huy động các cột biên tham gia vào việc chống lật, giúp tăng độ cứng tổng thể và giảm chuyển vị đỉnh một cách hiệu quả.

3.3. Lựa chọn vật liệu Bê tông cốt thép và kết cấu liên hợp

Vật liệu là yếu tố quyết định đến khả năng chịu lực và trọng lượng của kết cấu. Bê tông cốt thép toàn khối là lựa chọn phổ biến nhất cho nhà cao tầng ở Việt Nam nhờ giá thành hợp lý và khả năng chống cháy tốt. Việc sử dụng bê tông cường độ cao (từ B30 trở lên) giúp giảm kích thước tiết diện cột, dầm, tăng không gian sử dụng. Tuy nhiên, ở các công trình siêu cao, kết cấu liên hợp thép-bê tông (composite structures) ngày càng được ưa chuộng. Hệ kết cấu này tận dụng ưu điểm của cả hai loại vật liệu: thép chịu kéo và uốn tốt, trong khi bê tông chịu nén và tăng độ cứng. Cột liên hợp (thép hình bọc bê tông hoặc ống thép nhồi bê tông) có khả năng chịu tải vượt trội so với cột bê tông cốt thép thông thường có cùng kích thước, giúp giải quyết bài toán về không gian ở các tầng dưới.

IV. Cách Phân tích Kết cấu dùng Etabs và Tiêu chuẩn Việt Nam

Việc phân tích kết cấu hiện đại không thể tách rời các công cụ phần mềm mạnh mẽ. Mô hình Etabs đã trở thành tiêu chuẩn vàng trong ngành thiết kế nhà cao tầng, cho phép mô phỏng chính xác hành vi của công trình dưới tác động của các loại tải trọng phức tạp. Quy trình phân tích bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình không gian 3D của hệ kết cấu, khai báo đặc tính vật liệu và kích thước tiết diện sơ bộ. Sau đó, các loại tải trọng được định nghĩa và gán vào mô hình theo đúng quy định của các tiêu chuẩn như TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động) và TCVN 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất). Phần mềm sẽ thực hiện tính toán nội lực (mô men, lực cắt, lực dọc) và các dạng dao động của công trình. Kết quả phân tích là cơ sở để các kỹ sư kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo mọi cấu kiện đều đủ khả năng chịu lực và toàn bộ công trình đáp ứng các yêu cầu về giới hạn chuyển vị và gia tốc đỉnh.

4.1. Xây dựng mô hình Etabs và gán các loại tải trọng tác dụng

Bước đầu tiên trong phân tích kết cấu là xây dựng một mô hình số hóa chính xác trên phần mềm Etabs hoặc Sap2000. Mô hình này phải phản ánh đúng hình học, liên kết và đặc tính vật liệu của công trình. Các cấu kiện như cột, dầm được mô hình hóa bằng phần tử thanh (frame), trong khi sàn, vách cứng được mô hình bằng phần tử tấm (shell). Sau khi mô hình hoàn chỉnh, các trường hợp tải trọng được định nghĩa, bao gồm: tĩnh tải (chương trình tự tính trọng lượng bản thân và tải hoàn thiện gán thêm), hoạt tải sử dụng (theo chức năng từng khu vực), tải trọng gió (gồm thành phần tĩnh và động), và tải trọng động đất (phân tích theo phương pháp phổ phản ứng hoặc lịch sử thời gian). Việc gán tải trọng phải tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn trong TCVN 2737:1995.

4.2. Quy trình tính toán nội lực và kiểm tra dao động công trình

Sau khi gán tải trọng, bước tiếp theo là thiết lập các tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng. Etabs sẽ tiến hành phân tích và tính toán nội lực cho từng cấu kiện trong tất cả các tổ hợp nguy hiểm nhất. Kết quả nội lực này được sử dụng để thiết kế cốt thép cho dầm, cột, vách và sàn. Song song đó, việc phân tích dao động (modal analysis) là cực kỳ quan trọng để xác định các chu kỳ và dạng dao động của công trình. Các kết quả này không chỉ cần thiết cho việc tính toán thành phần động của tải trọng gió và tải trọng động đất mà còn để kiểm tra chuyển vị đỉnh và gia tốc đỉnh, đảm bảo công trình đủ cứng và mang lại sự tiện nghi cho người sử dụng, tránh các hiện tượng rung lắc gây khó chịu.

V. Giải pháp Thiết kế Móng và Tầng hầm cho Nhà cao tầng

Nền móng là bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự ổn định và an toàn của toàn bộ công trình cao tầng. Tải trọng khổng lồ từ phần thân công trình phải được truyền xuống nền đất một cách an toàn. Do đó, giải pháp thiết kế móng cọc là lựa chọn gần như bắt buộc. Tùy thuộc vào điều kiện địa chất và quy mô tải trọng, các loại móng như móng cọc đơn, móng cọc đài cao, hoặc móng bè cọc sẽ được cân nhắc. Móng bè cọc là giải pháp tối ưu cho nhà siêu cao tầng trên nền đất yếu, kết hợp khả năng chịu tải của cọc và sự phân bố ứng suất đồng đều của đài móng dạng bè. Việc thiết kế tầng hầm cũng là một phần không thể thiếu, không chỉ để tạo không gian để xe mà còn góp phần hạ thấp trọng tâm và tăng khả năng chống lật cho công trình. Thiết kế tường vây và sàn tầng hầm đòi hỏi phải tính toán kỹ lưỡng áp lực đất và áp lực nước ngầm. Các phần mềm như phần mềm Safe thường được sử dụng để phân tích và thiết kế chi tiết cho hệ móng và sàn tầng hầm.

5.1. Nguyên tắc thiết kế móng cọc và móng bè cọc chịu tải lớn

Nguyên tắc cơ bản của thiết kế móng cọc là truyền tải trọng công trình xuống các lớp đất tốt, có khả năng chịu lực cao nằm sâu bên dưới. Sức chịu tải của cọc được xác định dựa trên kết quả khảo sát địa chất và thí nghiệm hiện trường. Đối với nhà cao tầng, cọc bê tông cốt thép ly tâm ứng suất trước hoặc cọc khoan nhồi đường kính lớn thường được sử dụng. Giải pháp móng bè cọc được áp dụng khi tải trọng công trình cực lớn. Trong hệ thống này, tấm bè dày bằng bê tông cốt thép toàn khối sẽ liên kết tất cả các đầu cọc lại với nhau, giúp phân bố đều tải trọng lên nhóm cọc và nền đất. Điều này không chỉ tăng khả năng chịu tải tổng thể mà còn giảm thiểu đáng kể độ lún lệch giữa các khu vực của công trình, một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với ổn định tổng thể.

5.2. Các yêu cầu kỹ thuật trong việc thiết kế tầng hầm

Việc thiết kế tầng hầm cho nhà cao tầng phải giải quyết hai vấn đề chính: chịu áp lực ngang từ đất và nước, và chống thấm. Tường tầng hầm (tường vây) phải được thiết kế như một kết cấu chắn đất, chịu mô men uốn và lực cắt lớn. Trong quá trình thi công, các biện pháp như tường vây barrette, cọc xi măng đất hoặc tường trong đất (diaphragm wall) thường được áp dụng. Sàn tầng hầm, đặc biệt là sàn đáy, phải được tính toán để chịu áp lực đẩy nổi của nước ngầm. Giải pháp chống thấm cho toàn bộ kết cấu tầng hầm là yêu cầu bắt buộc, thường sử dụng các loại màng chống thấm, phụ gia chống thấm cho bê tông và băng cản nước tại các khe co giãn để đảm bảo tầng hầm luôn khô ráo và an toàn.

VI. Bí quyết Hoàn thiện Thuyết minh và Bản vẽ Đồ án Kết cấu

Sản phẩm cuối cùng của một đồ án kết cấu là bộ hồ sơ thiết kế, bao gồm thuyết minh đồ án kết cấu và các bản vẽ kết cấu nhà cao tầng. Đây là tài liệu thể hiện toàn bộ quá trình tư duy, tính toán và kết quả thiết kế của người kỹ sư. Một bản thuyết minh tốt không chỉ trình bày đầy đủ các bước tính toán mà còn phải có cấu trúc logic, lập luận chặt chẽ và viện dẫn rõ ràng các tiêu chuẩn áp dụng. Nó là cơ sở để thẩm tra và phê duyệt thiết kế. Tương tự, bộ bản vẽ kết cấu phải rõ ràng, chi tiết và đầy đủ thông tin để đội thi công có thể triển khai chính xác ngoài công trường. Việc trình bày chuyên nghiệp, từ mặt bằng kết cấu tổng thể, chi tiết các cấu kiện dầm, cột, sàn, móng, cho đến bảng thống kê cốt thép, đều phản ánh năng lực và sự cẩn trọng của người thiết kế. Đây là bước cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng để đảm bảo ý tưởng thiết kế được hiện thực hóa một cách hoàn hảo.

6.1. Cấu trúc một bản thuyết minh đồ án kết cấu chuyên nghiệp

Một bản thuyết minh đồ án kết cấu chuyên nghiệp cần được tổ chức một cách khoa học. Cấu trúc điển hình bao gồm các phần chính: (1) Tổng quan về công trình và các cơ sở thiết kế (tiêu chuẩn áp dụng như TCVN 2737:1995, TCVN 9386:2012). (2) Thuyết minh về giải pháp kết cấu được lựa chọn, nêu rõ ưu nhược điểm và lý do lựa chọn. (3) Tính toán tải trọng tác dụng lên công trình. (4) Thuyết minh về mô hình phân tích (ví dụ mô hình Etabs) và kết quả tính toán nội lực, kiểm tra chuyển vị. (5) Tính toán, thiết kế chi tiết cho các cấu kiện điển hình: sàn, dầm, cột, vách cứng, móng. (6) Kết luận và kiến nghị. Mỗi phần tính toán cần trình bày rõ công thức, số liệu đầu vào và kết quả cuối cùng, giúp người đọc dễ dàng theo dõi và kiểm tra.

6.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với bản vẽ kết cấu nhà cao tầng

Bộ bản vẽ kết cấu nhà cao tầng là ngôn ngữ giao tiếp giữa kỹ sư thiết kế và kỹ sư thi công. Các bản vẽ phải tuân thủ các tiêu chuẩn về trình bày kỹ thuật. Một bộ hồ sơ bản vẽ đầy đủ thường bao gồm: (1) Mặt bằng định vị cọc, chi tiết móng và giằng móng. (2) Mặt bằng kết cấu các tầng hầm và các tầng điển hình, thể hiện rõ vị trí, kích thước của cột, dầm, vách và chiều dày sàn. (3) Chi tiết cốt thép cho các cấu kiện điển hình (cột, dầm, sàn, vách). (4) Mặt bằng bố trí thép sàn cho các tầng. (5) Các chi tiết liên kết quan trọng. Tất cả các kích thước, cao độ, chủng loại vật liệu (bê tông cốt thép, cấp độ bền) và chi tiết bố trí cốt thép phải được thể hiện một cách chính xác và không gây nhầm lẫn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHẦN KẾT CẤU TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CÔNG TRÌNH NGÀNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP PHẦN II : KẾT CẤU ( 50% ) GVHD : ThS. Bùi Sĩ Mƣời SVTH : Lê Đình Đức MSSV : 1151012321 LỚP : S14 – 53CXD Nhiệm vụ: - Lập mặt bằng kết cấu tầng điển hình; - Thiết kế sàn tầng điển hình (sàn tầng …) - Thiết kế khung trục 3 - Thiết kế cầu thang bộ trục 4-5, C-D Bản vẽ: - Mặt bằng kết cấu tầng điển hình: Bản vẽ KC-01 - Kết cấu khung trục: Bản vẽ KC-02 - Mặt bằng bố trí thép sàn tầng điển hình : Bản vẽ KC-03 - Kết cấu thang bộ : Bản vẽ KC-04 SVTH: LÊ ĐÌNH ĐỨC-LỚP S14-53CXD 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHẦN KẾT CẤU CHƢƠNG I: GIẢI PHÁP KẾT CẤU 1. ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG: Thiết kế kết cấu nhà cao tầng so với thiết kế kết cấu nhà thấp tầng thì vấn đề chọn giải pháp kết cấu có vị trí rất quan trọng. Việc chọn hệ kết cấu khác nhau có liên quan đến vấn đề bố trí mặt bằng, hình thể khối đứng, độ cao các tầng, thiết bị điện, đường ống, yêu cầu về kỹ thuật thi công, tiến độ thi công, giá thành công trình… 1.

Tải trọng ngang: Tải trọng ngang bao gồm áp lực gió tĩnh, động, tải trọng động đất là các nhân tố chủ yếu của thiết kế kết cấu. Nhà ở phải đồng thời chịu tác động của tải trọng đứng và tải trọng ngang. Trong kết cấu thấp tầng, ảnh hưởng của tải trọng ngang sinh ra rất nhỏ, nói chung có thể bỏ qua. Theo sự tăng lên của độ cao, nội lực và chuyển vị do tải trọng ngang sinh ra tăng lên rất nhanh.

Chuyển vị ngang: Dưới tác dụng của tải trọng ngang, chuyển vị ngang của công trình cao tầng cũng là một vấn đề cần quan tâm. Cũng như trên, nếu xem công trình như một thanh công xôn ngàm cứng tại mặt đất thì chuyển vị do tải trọng ngang tỉ lệ thuận với luỹ thừa bậc 4 của chiều cao. H4 = q  (Tải trọng phân bố đều) 8EJ Nhà cao tầng theo sự gia tăng của chiều cao, chuyển vị ngang tăng rất nhanh. Trong thiết kế, không chỉ yêu cầu kết cấu có đủ cường độ, mà còn yêu cầu kết cấu có đủ độ cứng để chịu lực ngang.

Để dưới tác động của tải trọng ngang, chuyển vị của kết cấu hạn chế trong phạm vi nhất định. Chuyển vị ngang quá lớn sẽ dẫn tới hậu quả sau: + Chuyển vị ngang của công trình làm tăng thêm nội lực phụ do tạo ra độ lệch tâm cho lực tác dụng thẳng đứng. + Làm ảnh hưởng đến tiện nghi của người làm việc trong công trình. + Làm phát sinh các nội lực phụ sinh ra các rạn nứt các kết cấu như cột, dầm, tường, làm biến dạng các hệ thống kỹ thuật như các đường ống nước, đường điện.

=> Chính vì thế, khi thiết kế công trình nhà cao tầng phải quan tâm tới chuyển vị ngang của công trình. Trọng lƣợng bản thân: Công trình càng cao, trọng lượng bản thân càng lớn thì càng bất lợi về mặt chịu lực. Trước hết, tải trọng đứng từ các tầng trên truyền xuống tầng dưới cũng làm cho thành phần nội lực lực dọc trong cột tầng dưới lớn lên, tiết diện cột tăng lên vừa tốn vật liệu làm cột, vừa chiếm không gian sử dụng của tầng dưới, tải trọng truyền xuống kết cấu móng lớn thì sẽ phải sử dụng loại kết cấu móng có khả năng chịu tải cao, do đó càng tăng chi phí cho công trình. Mặt khác, nếu trọng lượng bản thân lớn sẽ làm tăng tác dụng của các tải trọng động như tải trọng gió động, tải trọng động đất.

Đây là hai SVTH: LÊ ĐÌNH ĐỨC-LỚP S14-53CXD 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHẦN KẾT CẤU loại tải trọng nguy hiểm thường quan tâm trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng. Vì vậy, thiết kế nhà cao tầng cần quan tâm đến việc giảm tối đa trọng lượng bản thân kết cấu, chẳng hạn như sử dụng các loại vách ngăn có trọng lượng riêng nhỏ như vách ngăn thạch cao, các loại trần treo nhẹ, vách kính khung nhôm. GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH: Thiết kế kết cấu nhà cao tầng so với thiết kế kết cấu nhà thấp tầng thì vấn đề chọn giải pháp kết cấu có vị trí rất quan trọng. Việc chọn hệ kết cấu khác nhau có liên quan đến vấn đề bố trí mặt bằng, hình thể khối đứng, độ cao các tầng, thiết bị điện, đường ống, yêu cầu về kỹ thuật thi công, tiến độ thi công, giá thành công trình.

Để có thể đưa ra được một giải pháp kết cấu phù hợp cho công trình, chúng ta tiến hành phân tích các hệ kết cấu chịu lực phổ biến, ưu và nhược điểm của mỗi hệ kết cấu. Với công trình cao tầng, các giải pháp kết cấu chịu lực chính gồm có: 1. Hệ kết cấu khung chịu lực: Hệ khung bao gồm các dầm ngang liên kết với các cột dọc thẳng đứng bằng các nút cứng. Hệ có thể bao gồm cả các tường bao ngoài và tường trong.

Hệ khung này chịu lực ngang kém, tính liên tục của khung cứng phụ thuộc vào độ bền và độ cứng của các liên kết khi chịu uốn. Các liên kết này không được phép có biến dạng góc khi uốn. Độ cứng của khung phụ thuộc rất nhiều vào độ cứng của từng dầm và từng cột trong khung. Ưu điểm: + Việc tính toán thiết kế và thi công hệ khung này khá phổ biến.

+ Tạo được không gian rộng và thích hợp với các công trình nhà ở có sơ đồ làm việc rõ ràng. + Dễ bố trí mặt bằng và thoả mãn các yêu cầu chức năng. Nhược điểm: + Độ cứng ngang nhỏ, không chịu được tải trọng ngang lớn. + Chiều cao dầm sàn thường lớn nên chiều cao các tầng thường phải lớn.

+ Tỉ lệ thép trong cấu kiện thường cao. Hệ kết cấu khung vách cứng và lõi cứng: Hệ kết cấu vách cứng có thể được bố trí thành hệ thống theo một phương, hai phương hoặc có thể liên kết lại thành các hệ không gian gọi là lõi cứng. Đặc điểm quan trọng của loại kết cấu này là khả năng chịu lực ngang tốt nên thường được sử dụng cho các công trình có chiều cao trên 20 tầng. Tuy nhiên độ cứng theo phương ngang của các vách cứng tỏ ra là hiệu quả ở những độ cao nhất định, khi chiều cao công trình lớn thì bản thân vách cứng phải có kích thước đủ lớn, mà điều đó thì khó có thể thực hiện được.

Ngoài ra, hệ thống vách cứng trong công trình là sự cản trở để tạo ra các không gian rộng. Trong thực tế hệ kết cấu vách cứng thường được sử dụng có hiệu quả cho các công trình nhà ở, khách sạn với độ cao không quá 40 tầng đối với cấp SVTH: LÊ ĐÌNH ĐỨC-LỚP S14-53CXD 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHẦN KẾT CẤU phòng chống động đất 7. Độ cao giới hạn bị giảm đi nếu cấp phòng chống động đất của nhà cao hơn. Hệ kết cấu khung-giằng (khung và vách cứng): Hệ kết cấu khung -giằng (khung và vách cứng) được tạo ra tại khu vực cầu thang bộ, cầu thang máy, khu vệ sinh chung hoặc ở các tường biên, là các khu vực có tường liên tục nhiều tầng.

Hệ thống khung được bố trí tại các khu vực còn lại của ngôi nhà. Hai hệ thống khung và vách được liên kết với nhau qua hệ kết cấu sàn. Trong trường hợp này hệ sàn liền khối có ý nghĩa rất lớn. Thường trong hệ thống kết cấu này hệ thống vách đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng ngang, hệ khung chủ yếu được thiết kế để chịu tải trọng thẳng đứng.

Sự phân rõ chức năng này tạo điều kiện tối ưu hoá các cấu kiện, giảm bớt kích thước cột và dầm, đáp ứng được yêu cầu của kiến trúc. Hệ kết cấu khung -giằng tỏ ra là hệ kết cấu tối ưu cho nhiều loại công trình cao tầng. Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôi nhà đến 40 tầng. Nếu công trình được thiết kế cho vùng có động đất cấp 8 thì chiều cao tối đa cho loại kết cấu này là 30 tầng, cho vùng động đất cấp 9 là 20 tầng .Hệ kết cấu hình ống: Hệ kết cấu hình ống có thể được cấu tạo bằng một ống bao xung quanh nhà gồm hệ thống cột, dầm, giằng và cũng có thể được cấu tạo thành hệ thống ống trong ống.

Trong nhiều trường hợp người ta cấu tạo ống ở phía ngoài, còn phía trong nhà là hệ thống khung hoặc vách cứng hoặc kết hợp khung và vách cứng. Hệ thống kết cấu hình ống có độ cứng theo phương ngang lớn, thích hợp cho loại công trình có chiều cao trên 25 tầng, các công trình có chiều cao nhỏ hơn 25 tầng loại kết cấu này ít được sử dụng. Hệ kết cấu hình ống có thể được sử dụng cho loại công trình có chiều cao tới 70 tầng.  Qua phân tích một cách sơ bộ như trên ta nhận thấy mỗi hệ kết cấu cơ bản của nhà cao tầng đều có những ưu nhược điểm riêng.

Với công trình này do có chiều cao không quá lớn và yêu cầu về không gian nên ta chọn giải pháp "Khung chịu lực". Với giải pháp này việc thi công đơn giản hơn nhiều so với hệ khác. GIẢI PHÁP SÀN: Do công trình có chiều cao khá lớn, hệ sàn phải tạo thành một vách cứng ngang liên kết các kết cấu với nhau và truyền tải trọng ngang về hệ vách-lõi. Việc lựa chọn phương án sàn là rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp tới sự làm việc của kết cấu.

Sau đây chúng ta sẽ phân tích một số phương án sàn thường gặp và lựa chọn giải pháp sàn cho công trình. Sàn nấm (sàn không dầm - không ƢLT) : Là loại sàn đặt trực tiếp lên cột mà không cần có dầm. Khi chịu cắt, bản sàn có thể bị phá hoại về cắt theo kiểu bị cột đâm thủng. Ưu điểm: sử dụng hệ sàn không dầm có thể tạo được không gian lớn, giảm được SVTH: LÊ ĐÌNH ĐỨC-LỚP S14-53CXD 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHẦN KẾT CẤU chiều cao tổng thể của nhà, việc làm ván khuôn khi thi công đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép.

Sàn nấm có mặt dưới phẳng nên việc chiếu sáng và thông gió dễ dàng hơn các loại sàn khác. Nếu có hoả hoạn xảy ra thì việc thoát nhiệt cũng thuận lợi. ngoài ra việc phân chia các phòng trên mặt sàn khá linh hoạt và rất thích hợp với các bức tường ngăn di động. Nhược điểm: việc tính toán phức tạp và tốn kém vật liệu.