CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ ĐỘNG ĐẤT 1.1 Vài nét về xây dựng nhà cao tầng hiện nay 1.1 Sự hình thành và phát triển nhà cao tầng của thế giới Tốc độ đô thị hóa và sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội là động lực thúc đẩy làm thay đổi chất lượng hình ảnh không gian kiến trúc đô thị, kèm theo đó tại một số nước phát triển và đang phát triển, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn… tăng lên đáng kể, trong khi quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng làm giá đất tăng lên. Từ việc nhìn nhận: “Các công trình cao tầng là biểu tượng của một đô thị văn minh”, người ta hiểu đó như là chiến lược phát triển tất yếu và rất khoa học. Việc phát triển nhà cao tầng, nhất là các tòa nhà chọc trời tại các đô thị lớn trên thế giới là xu hướng tất yếu để tương xứng với cấu trúc đô thị đa trung tâm, linh hoạt, có sức sống và có sức cạnh tranh cao hơn ở nhiều lĩnh vực; cùng với nhiều yếu tố và các giá trị khác, chúng góp phần tạo dựng hình ảnh của một “Đô thị hiện đại”, khẳng định đẳng cấp hay thương hiệu của đô thị, biểu trưng cho một quốc gia, thậm chí một dân tộc. Việc xây dựng các công trình cao tầng và vươn lên chiều cao còn là khẳng định về trình độ khoa học, công nghệ trong lĩnh vực xây dựng nói riêng và trình độ khoa học nói chung của một quốc gia.
Chính vì điều đó việc các quốc gia đua nhau xây dựng các công trình cao tầng thể hiện sức mạnh kinh tế, trình độ khoa học. Không thể phủ nhận sức hấp dẫn của những thành phố sở hữu những tòa nhà chọc trời trên thế giới như tháp Burj Dubai (Các tiểu vương quốc ả rập thống nhất); tháp Taipe tại Đài Bắc (Đài Loan); Trung tâm tài chính Thượng Hải (Trung Quốc); tháp đôi Petronas (Kuala Lumpur - Malaysia); Trung tâm tài chính quốc tế (IFC2) Hồng Kông. Những tòa nhà này không chỉ giúp thúc đẩy kinh tế mà còn mang ý nghĩa thể hiện sự giàu có của quốc gia, tốc độ tăng trưởng cao, sự thịnh vượng và những chính trị gia xem tòa nhà cao tầng như biểu hiện cho quyền lực là những yếu tố đẩy cơn sốt cao ốc tiếp tục trong nhiều năm nữa, ngay cả những thành phố ít được biết đến trong vùng cũng có tham vọng cháy bỏng được sở hữu các kiến trúc thật độc đáo để thay đổi diện mạo của mình, sẵn sàng đưa ra nhiều ưu đãi để biến điều đó thành hiện thực.2 Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng 1.1 Định nghĩa 2 Hiện nay chưa có câu trả lời chính xác, rõ ràng và được mọi người thừa nhận về những công trình được xếp vào loại nhà cao tầng. Theo định nghĩa của ủy ban quốc tế nhà cao tầng là nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng đến ý đồ và phương pháp thiết kế được gọi là nhà cao tầng.
Hoặc nói cách khác tổng quan hơn: một công trình xây dựng được xem là nhà nhiều tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường [13]. − Phân loại theo mục đích sử dụng: 1.2 Phân loại nhà cao tầng + 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 điều cạnh, trong đó việc 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. − Phân loại theo chiều cao nhà: + Nhà cao tầng loại I : Từ 09 đến 16 tầng (cao nhất 50m). + Nhà cao tầng loại II : Từ 17 đến 25 tầng (cao nhất 75m).
+ Nhà cao tầng loại III : Từ 26 đến 40 tầng (cao nhất 100m). + Nhà cao tầng loại IV : 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng). − 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. Các nước trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà có cách phân loại khác nhau. Hiện nay nước ta đang có xu hướng theo sự phân loại của Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế. 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 có thể dưới dạng gió bão hoặc động đất. Mặc dù chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa Nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số Kỹ sư kết 3 cấu chấp nhận, đó là từ Nhà thấp tầng sang Nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi nhà chịu tải gió, động đất,… tức là vấn đề về dao động và ổn định nói chung. Thách thức đối với Kỹ sư kết cấu hiện nay là các công trình Nhà cao tầng ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với các Nhà cao tầng trong quá khứ. Các nghiên cứu trên thế giới cũng khẳng định xu hướng này trong tương lai, thông qua các kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao đồng thời cũng mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn [13].1 Tòa nhà Landmark 81 (Việt Nam) Hình 1.2 Trung tâm thương mại One World (New York) 4 Hình 1.3 Tòa tháp Burj Khalifa (Dubai) 1.2 Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng 1.1 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng 1.1 Hệ khung chịu lực Hệ khung chịu lực được tạo từ các cấu kiện thanh như cột, dầm, liên kết cứng tại các nút tạo thành các khung phẳng hoặc khung không gian, dọc theo trục lưới cột trên mặt bằng nhà.
Tải lên khung bao gồm tải trọng theo phương đứng và phương ngang. Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo, nén. Chuyển vị 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%).
Khung có độ cứng ngang bé, khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng khoảng 6-9m, chỉ thích hợp cho nhà không quá 30 tầng [11].4 Khung bê tông cốt thép 1.2 Hệ vách chịu lực Các cấu kiện chịu lực thẳng đứng của nhà là một hệ tấm gương phẳng. Theo cách bố trí tường có các sơ đồ sau: tường dọc chịu lực, tường ngang chịu lực, tường ngang và tường dọc cùng chịu lực. Tường chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng. Tải trọng ngang được truyền đến các tấm tường chịu tải thông qua hệ các bản sàn (các bản sàn xem là cứng tuyệt đối trong mặt phẳng của chúng).
Do đó các vách cứng làm việc như công xon có chiều cao tiết diện lớn. Khả năng chịu tải của các vách cứng phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của chúng. Hiện nay vật liệu để xây dựng và cấu trúc tấm tường cũng đa dạng. Ngoài việc xây bằng gạch đá, hệ lưới thanh tạo thành các cột đặt gần nhau liên kết qua các dầm ngang, xiên cũng được xem là loại kết cấu này.
Hệ tường chịu lực thích hợp cho các loại nhà cần phân chia không gian bên trong (nhà ở, nhà làm việc, khách sạn, bệnh viện…), cho các công trình chiều cao dưới 40 tầng [13].5 Kết cấu vách chịu lực 1.3 Hệ lõi chịu lực Lõi có dạng hộp rỗng, tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tác dụng lên công trình sau đó truyền xuống đất nền. Không gian bên trong của các ô giằng này thường để bố trí thang máy, thang bộ hoặc cho việc lắp đặt hệ thống kỹ thuật [11].6 Kết cấu lõi thang máy 7 1.4 Hệ hộp chịu lực Hệ hộp chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. Các bản sàn được gối lên các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngoài mà không cần các kết cấu trung gian khác bên trong. Hệ hộp với giải pháp lưới không gian có các thanh chéo thường dùng cho các nhà có chiều cao lớn (trên 40 tầng) [11].2 Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng Về mặt cấu tạo kết cấu được cấu tạo từ sự kết hợp giữa 2 hay nhiều hệ đã nêu trên: khung-vách, khung-lõi, khung-hộp, khung -vách-lõi….1 Hệ khung-vách Hệ này thường được sử dụng cho những nhà có mặt bằng chữ nhật kéo dài, chịu lực chủ yếu theo phương ngang nhà.
Các vách cứng được bố trí chủ yếu dọc theo phương ngang nhà. Kết cấu khung-vách thường được sử dụng phổ biến hơn cả vì hệ này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng [13].2 Hệ khung-lõi Trong hệ này khi tải trọng ngang tác dụng hầu như được truyền vào hệ lõi cứng còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó. Đưa các hệ khung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của khung và hình thành nên hệ khối không gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu xoắn của công trình [13].3 Nhà có sơ đồ vách Kết cấu chịu lực chính là các vách cứng (tường). Sàn chịu tải trọng đứng gối tường lên trên.
Ưu điểm các tấm tường vừa có tác dụng chịu lực vừa là kết cấu bao che; khả năng cơ giới hóa cao trong quá trình thi công. Nhược điểm là bố trí mặt bằng không linh hoạt; khó tạo được không gian lớn [13].4 Nhà có sơ đồ kết hợp khung-vách − Sử dụng sơ đồ nhà kết hợp dựa vào sự làm việc hợp lý của kết cấu. − Kết hợp theo phương đứng: Hệ thống khung không gian lớn ở tầng dưới đỡ vách cứng bên trên, biện pháp này đáp ứng được yêu cầu không gian tương đối lớn ở các tầng dưới, đồng thời khả năng chịu tải trọng ngang cũng lớn. − Kết hợp theo phương ngang: Bố trí mặt bằng gồm khung và các vách cứng, vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang.
Biện pháp này có thể thấy lợi thế của cái này bổ sung cho cái kia, công trình vừa có không gian theo yêu cầu vừa có khả năng chịu tải trọng cao.