CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN. Khái niệm về nhà cao tầng 1. Nguyên nhân xuất hiện nhà cao tầng Hải Phòng là thành phố Cảng quan trọng, trung tâm công nghiệp lớn nhất phía Bắc Việt Nam, đồng thời cũng là trung tâm kinh tế, văn hóa, giáo dục, khoa học, thương mại và công nghệ của vùng duyên hải Bắc bộ. Hải Phòng là thành phố lớn thứ 3 và cũng có dân số đông thứ 3 của Việt Nam.
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. Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng a. Định nghĩa Không có một định nghĩa cố định và chính xác cho nhà cao tầng.
Một nhà có được xem là cao tầng hay không phụ thuộc vào bối cảnh thời gian và không gian cụ thể. Thí dụ một nhà cao bảy tầng được xây dựng vào những năm ba mươi của thế kỷ trước thì được xem như là cao tầng, nhưng nếu được xây dựng vào những năm ba mươi của thế kỷ này thì có lẽ không được xem là cao tầng. Tương tự như vậy, một ngôi nhà cao mười tầng ở Myanmar có thể được xem là cao tầng nhưng ở Mỹ lại không được xem là cao tầng… Tương quan giữa chiều cao của nhà với các công trình lân cận cũng là một yếu tố quan trọng để xem xét nó có phải là nhà cao tầng hay không. Một nhà cao mười tầng được xem là cao chót vót ở một miền quê yên bình của một tỉnh miền trung nước ta, nhưng lại lọt thỏm vào không gian của những công trình cao chót vót ở Hongkong.
3 Ngoài ra, tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng của nhà cũng là một yếu tố quan trọng để xem xét một nhà có thuộc loại nhà cao tầng hay không. Đôi khi ta phải áp dụng tư duy thiết kế nhà cao tầng để thiết kế một nhà chỉ có chiều cao 30 mét, nhưng lại thiết kế một nhà cao 50 mét như một nhà thấp tầng, nếu chiều rộng của nhà cao 30 mét là 5 mét và chiều rộng của nhà cao 50 mét là 100 mét. Các công trình càng thanh mảnh thì ảnh hưởng của chiều cao đến việc thiết kế, thi công và vận hành công trình càng lớn. Như vậy không có một định nghĩa hay tiêu chí nào cố định cho nhà cao tầng.
Tuy nhiên, Ủy Ban Về Nhà Cao Tầng và Nhà Ở Đô Thị đưa ra khái niệm về nhà cao tầng như sau: “Một nhà được gọi là cao tầng nếu việc thiết kế, thi công và vận hành nó chịu ảnh hưởng của các đặc điểm liên quan đến chiều cao”. Đứng trên quan điểm thiết kế kết cấu, một nhà được xem là cao tầng nếu tải trọng ngang, do ảnh hưởng của chiều cao của nó, quyết định đến việc thiết kế. Đối với công trình cao, ảnh hưởng của tải trọng ngang do gió gây ra là rất lớn. Công trình càng cao thì tải trọng này càng lớn.
Nếu tải trọng này tác dụng lên nhà lớn đến mức nó quyết định đến ý đồ và phương pháp thiết kế kết cấu thì nhà đó được gọi là cao tầng. Trong thực tế, hầu hết các thiết kế về nhà cao tầng đều bị chi phối bởi chuyển vị ngang và sự dao động do gió gây ra. Phân loại - 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). 4 + Nhà cao tầng loại II: từ 17 đến 25 tầng (dưới 80m).
+ Nhà cao tầng loại III: từ 26 đến 40 tầng (dưới 100m). + 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. Tải trọng tác động a. Tải trọng thẳng đứng - Tải trọng thường xuyên: là các tải trọng tác dụng không biến đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình. Tải trọng thường xuyên gồm có Khối lượng các thành phần và công trình, gồm khối lượng các kết cấu chịu lực và các kết cấu bao che - Tải trọng tạm thời: là các tải trọng có thể không có trong một giai đoạn nào đó của quá trình xây dựng và sử dụng.
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.
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… 5 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.
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. - 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. Sự làm việc của hệ kết cấu nhà cao tầng 1.
Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản của nhà cao tầng a. Các cấu kiện chịu lực cơ bản - Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống, thanh giằng. - Cấu kiện dạng tấm: tường (vách đặc hoặc có lỗ cửa), sàn (sàn phẳng, sàn sườn, các loại panen đúc sẵn có lỗ hoặc nhiều lớp …). - Cấu kiện không gian: là các vách nhiều cạnh hở hoặc khép kín, tạo thành các hộp bố trí bên trong nhà, được gọi là lõi cứng.
Ngoài lõi cứng bên trong, còn có các dãy cột bố trí theo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành một hệ khung biến dạng tường vây. Tiết diện cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng. Khi là những cột rỗng hình hộp vuông hoặc hình tròn sẽ tạo nên hệ kết cấu được gọi là ống trong ống. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản - Các hệ kết cấu cơ bản: kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực, kết cấu lõi cứng và kết cấu ống.
- Các hệ kết cấu hỗn hợp: kết cấu khung – giằng, kết cấu khung – vách, kết cấu ống – lõi và kết cấu ống tổ hợp. 6 - Các hệ kết cấu đặc biệt: kết cấu có tầng cứng, kết cấu có hệ dầm truyền, kết cấu có hệ giằng liên tầng và kết cấu có khung ghép. Phương pháp lựa chọn hệ kết cấu nhà cao tầng a. Lựa chọn theo chiều cao, số tầng Để đảm bảo độ cứng, hạn chế chuyển vị ngang, tránh mất ổn định tổng thể cần hạn chế chiều cao và độ mảnh (tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng công trình) lấy theo bảng sau: Bảng 1.1: Bảng chiều cao tối đa (m) và tỷ số giới hạn giữa chiều cao và chiều rộng H/B (Nguồn bảng 1.2 – Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép – PGS.
TS Lê Thanh Huấn) Trường Trường hợp có động đất cấp Hệ kết cấu hợp không 6 và 7 8 9 có động đất Nhà khung MaxH = H/B 60m 60-55m 45m 25m 5 5-5 4 2 Nhà khung MaxH = H/B 130m 130-120m 100m 50m vách và khung 5 5-5 4 3 ống Nhà vách MaxH = H/B 140m 140-120m 120m 60m 5 6-6 4 4 Nhà ống và ống MaxH = H/B 180m 180-150m 120m 70m trong ống 6 6-6 5 4 b. Bố trí mặt bằng kết cấu Để tránh được những bất lợi do biến dạng xoắn, mặt bằng nhà cần chọn hình đơn giản, có trục đối xứng ít nhất là một phương, đặc biệt là đối xứng trong cách bố trí kết cấu chịu lực. Khi bố trí kết cấu chịu lực nhà cao tầng chịu tải trọng động đất còn cần chú ý: - Mặt bằng nên đối xứng cả hai phương trục nhà. 7 - Mối quan hệ giữa chiều dài (L), chiều rộng công trình (B), độ nhô ra của các bộ phận công trình (l), vị trí các góc lõm trên mặt bằng cần thỏa mãn các yêu cầu trong bảng sau: Bảng 1.2: Bảng giới hạn của L, B, l (Nguồn bảng 1.3 – Kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép – PGS.
TS Lê Thanh Huấn) Cấp động đất L/B L/Bmax l/b 7 ≤6 ≤5 ≤2 8 và 9 ≤5 ≤4 ≤ 1. Bố trí khe co giãn nhiệt, khe lún, khe kháng chấn Khe kháng chấn phải đặt theo suốt chiều cao công trình, và có thể không phải kéo tới móng. Khe biến dạng còn được xác định trên cơ sở xác định chuyển vị lớn nhất thường ở các tầng mái công trình do các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất gây ra theo công thức: Dmin = u1 + u2 + 20mm Trong đó: u1 và u2 là chuyển vị lớn nhất theo phương nằm ngang của hai khối kết cấu kề nhau. Khi công trình nằm trong vùng có động đất thì chiều rộng khe lún, khe co dãn phải lấy bằng hoặc lớn hơn bề rộng tối thiểu của khe kháng chấn theo bảng sau: Bảng 1.
