CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ CÁC KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH TRONG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Nhà cao tầng và sự phát triển tất yếu Với tốc độ phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội là động lực làm thay đổi chất lượng hình ảnh không gian kiến trúc đô thị, do vậy 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, mà quỹ đất xây dựng lại không tang lên nên sự thiếu hụt trầm trọng làm giá đất tăng lên. Từ đó cho thấy: “Các công trình nhà cao tầng là biểu tượng của một đô thị văn minh và phát triển”, người ta xem đó như là chiến lược phát triển tất yếu và rất khoa học của xã hội. Việc xây dựng nhiều công trình cao tầng và vươn lên chiều cao còn là khẳng định về trình độ khoa học, kỹ thuật, 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 kỹ thuật.
Cụ thể như 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. Định nghĩa và phân loại Hiện nay chưa thể phân loại chính xác, rõ ràng và được mọi người thừa nhận về những công trình được xếp vào loại nhà cao tầng. Theo ủy ban quốc tế nhà cao tầng thì nhà cao tầng là nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng đến ý đồ và phương pháp thiết kế 4 được gọi là nhà cao tầng.
Hoặc nói cách khác tổng quan hơn: một công trình được xem là nhà cao 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. − Phân loại theo mục đích sử dụng: + Nhà ở tư nhân. + Văn phòng cho thuê và các dịch vụ khác. + Khách sạn.
− Phân loại theo hình dạng: + Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, vuông, đa giác đều cạnh,tam giác 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 : Có từ 09 đến 16 tầng (chiều cao không quá 50m). + Nhà cao tầng loại II : Có từ 17 đến 25 tầng (chiều cao không quá 75m).
+ Nhà cao tầng loại III : Có từ 26 đến 40 tầng (chiều cao không quá 100m). + Nhà cao tầng loại IV : Có từ 41 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. Trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà các nước có cách phân loại khác nhau. Hiện nay Việt Nam ta đang có xu hướng phân loại theo Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế. Xét về mặt kết cấu, một công trình được gọi là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định.
Tải trọng ngang này có thể ở dạng gió bão hoặc động đất. Hiện này chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa Nhà cao tầng song có một ranh giới được đa số Kỹ sư kết cấu thừa nhận, đó là từ Nhà thấp 5 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. Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng 1. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng 1.
Hệ khung chịu lực Hệ khung chịu lực được tạo từ các cấu kiện thanh như dầm, cột, liên kết cứng tại các nút tạo thành các khung hệ phẳng hoặc khung không gian, dọc theo hệ lưới trục trên mặt bằng nhà. Tải tác dụng lên khung bao gồm tải trọng theo phương đứng và phương ngang. Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm trong khung vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo và nén. Chuyển vị khung gồm 2 thành phần là chuyển vị ngang do uốn tỷ lệ này khoảng 20%.
Chuyển vị ngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do cột biến dạng khoảng 15%; còn lại là dầm biến dạng khoảng 65%). 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]. Hệ vách chịu lực Các cấu kiện chịu lực thẳng đứng của nhà là một hệ tấm 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. Do đó các vách cứng làm việc như công xon có chiều cao tiết diện lớn. Khả năng chịu lực của các vách cứng phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của vách.
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. Hệ lõi chịu lực Lõi chịu lực có dạng rỗng, tiết diện kín hoặc hở được thiết kế để chịu tải trọng đứng và ngang tác dụng lên nó. Lõi chịu lực được xem là phần cốt lõi bên trong có khả năng 6 chịu lực và giữ cho kết cấu ổn định.
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 1. Hệ hộp chịu lực Hệ hộp chịu lực còn được gọi là hệ hộp cầu chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. Nó bao gồm các thành phần hình hộp hoặc hình hộp cầu được kết hợp để tạo ra một khung chịu lực mạnh mẽ và ổn định. 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). 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…. 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. Hệ khung - lõi Trong hệ này, khung và lõi hoạt động cùng nhau để chịu lực và duy trì tính ổn định của kết cấu, 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. 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. Nhà có sơ đồ kết hợp khung-vách Sử dụng sơ đồ nhà kết hợp trong thiết kế có thể tạo ra không giản mở và linh hoạt.
Khung có thể làm từ thép, gỗ hoặc bê tông, trong khi vách có thể là kính, tường ngăn hoặc nguyên vật liệu khác 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. Tùy theo cách làm việc của hệ, có hai dạng nhà kết hợp theo phương ngang: Nhà có sơ đồ giằng là sơ đồ chịu lực của hệ hỗn hợp, khi đó toàn bộ tải trọng ngang và 1 phần tải trọng đứng do lõi vách chịu, khung chịu tải trọng đứng tương ứng với diện tích truyền tải đến.
Trong sơ đồ này tất cả các nút khung đều có cấu tạo khớp, hoặc các cột có độ cứng vô cùng bé và nhà có sơ đồ khung-giằng: là sơ đồ kết cấu hỗ hợp, khi đó khung chịu tải trọng đứng tương đương với diện tích chịu tải và một phần tải trọng ngang, một phần tải trọng ngang sẽ truyền vào cho lõi, vách chịu.