TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

xứng trên mặt bằng và không bố trí lõi lệch một bên như trên hình (1.15).

Hỉnh 1.15. Các sơ đồ bố trí lõi, hộp trên mặt bằng

Việc thiết kế ống trong ống cần thoả mãn các yêu cầu sau:

–   Tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng của ống cần lớn hơn 3.

–   Khoảng cách giữa các trụ – ống ngoài chu vi không nên lớn hơn chiều cao tầng và nên nhỏ hom 3m. Mặt cắt trụ -ống ngoài cần dùng dạng chữ nhật hoặc chữ T. Diện tích của cột góc có thể dùng vách góc hình chữ L hoặc ống góc.

–   Khoảng cách giữa ống trong và ống ngoài khi không tính đến động đất không nên lớn hơn 12m, trường hợp ngược lại không nên lớn hơn 10m. Khi cần vượt qua giới hạn này cần dùng các hệ dầm sàn có độ cứng lớn và bê tông ứng lực trước, hoặc sàn bê tông I thép kết hợp.

Thông thường giữa ống trong và ống ngoài không bố trí cột để tạo thuận tiện sử dụng các không gian lớn.

Tại các góc thường bố trí các cột, ống, hoặc vách có độ cứng lớn hơn độ cứng uốn của khung, cột ống ngoài biên nhưng không nên quá 50 lần.

Chương 2

TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG

2.1.     KHÁI NIỆM CHUNG

2.1.1.     Giả thiết tính toán

Tính toán kết cấu nhà cao tầng là việc xác định trạng thái ứng suất – biến dạng trong từng hộ, từng bộ phận cho đến từng cấu kiện chịu lực dưới tác động của mọi loại tải trọng. Ở đây chúng ta chủ yếu xét đến phản ứng của hệ kết cấu thẳng đứng khung, vách, lõi dưới tác động của các loại tải trọng ngang.

Hầu như trong các loại nhà cao đến 30 tầng đều kết hợp sử dụng cả 3 hộ chịu lực khung – vách – lõi. Việc lựa chọn hệ chịu lực và giả thiết tính toán làm sao vừa phù hợp với thực tế bố trí, cấu tạo các kết cấu chịu lực còn phải thoá mãn điều kiện về sự cùng làm việc của các hệ kết cấu có hình dạng, kích thước, độ cứng khác nhau. Mỗi giả thiết thường chỉ phù hợp với từng mổ hình tính toán, không có giả thiết chung cho mọi sơ đồ tính toán. Giả thiết nào phản ánh được mối quan hệ truyền lực giữa các hệ với nhau thông qua giải pháp thiết kế, cấu tạo cụ thể trong công nghệ xây lắp sẽ được xem là phù hợp và cho ta những kết quả đáng tin cây. Cũng cần phân biệt giữa độ chính xác trong sơ đồ kết cấu với độ chính xác trong mô hình toán học, hai vấn để này không phải luôn thống nhất. Tuy nhiên có thể nêu một sô’ giả thiết thường đuợc sử dụng trong tính toán nhà cao tầng sau đây:

Giả thiết ngôi nhà làm việc như một thanh công xon có độ cứng uốn tương đương độ cứng của các hệ kết cấu hợp thành. Giả thiết này đơn giản nhưng không

Bố trí lõi – ống

–    Chiều dày vách đổ toàn khối chọn không nhỏ hom 200mm và không nhỏ hơn 1/20 chiều cao tầng.

–    Vách cứng theo phương dọc cần bố trí ở khoảng giữa đơn nguyên nhà. Khi chiều dọc nhà khá dài thì không nên bố trí tập trung vách ở hai đầu hồi nhà để giảm bớt ảnh hưởng của biến dạng nhiệt và co ngót bê tông trong quá trình thi công.

–    Vách cứng theo phương dọc nhà có thể bố trí thành nhóm hình chữ L, T, I. và hết sức tránh các vách không vuông.

–    Vách cứng theo phương dọc nhà dài có thể được chia thành nhiều đoạn độc lập được liên kết với nhau bằng hệ dầm lanh tô trên ô cửa có chiểu cao lớn.

–    Các lỗ cửa trên các vách cần bố trí đều đặn và thẳng hàng từ trên xuống dưới, không bố trí lệch nhau. Hiệu quả của việc bố trí các vách trên mặt bằng có thể xem trên thí dụ hình (1.13 và 1.14).

Hình 1.14. Bố trí vách trên mặt bằng hìnlì chữ nhật: a) Hầu như không có klìả năng chống xoắn; b) Ngăn càn biến dạng nhiệt và co ngót theo pliương dọc sàn ETCT đổ liền khối; c) Thoả mãn các điều kiện xoắn, biến dạng nhiệt và chịu tài trọng ngang tốt theo cà 2 phương.
a)

Trong nhà cao tầng, ở các tầng dưới thường có không gian rộng nên các vách đặc phải giảm tiết diện ở một số vị trí. Bởi vậy cần hạn chế tỷ số độ cứng của vách theo phương ngang nhà giữa tầng trên không bị giảm yếu và tầng dưới (bị giảm yếu) khi không có động đất không được lớn hơn 3 và khi nằm trong vùng động đất không được lớn hơn2.

Tỷ số này có thể xác định như sau:

ở đây:                 A = Aw + 0,12AC;

G„ Qi +1: môđun trượt của bê tông ở tầng thứ i và i+1 :

A,. A¡ + diện tích mặt cắt chịu cắt tính toán cúa vách thứ i  và                                                  i+1

được tính theo công thức (1.2;

Aw: diện tích toàn bộ mặt cắt hữu hiệu theo phương tính toán;

Ac: diện tích mặt cắt toàn bộ cột; h|, h, +chiều cao tầng thứ i và i +1.

c) Bố trí lõi – ống

Những ngôi nhà có chiều cao trên lOOm thường dùng hệ lõi, ống, ống trong ống. Vai trò khung cột, nếu có chỉ để giám khẩu độ sàn, hầu như không tham gia vào chịu các tải trong ngang. Khi hệ khung cột được bố trí dầy đặc dọc theo chu vi công trình và có độ cứng lớn đáng kể so với độ cứng của lõi tạo thành một hệ kết cấu khung không gian cùng tham gia chịu lực với lõi, ống bên trong thì ta có thể xem như hệ hộp trong hộp (hình 1.4, 1.5b). Cũng như các hệ chịu lực khung – vách, nên bố trí các lõi, hộp đối

hung có công xon

a)  Khung có công xon ngắn                  b) Khung có công xon dài

Hình 1.11. Khung có công xon

Khi thiết kế khung cần chọn độ cứng tương đối của dầm nhỏ hơn của cột nhàm tránh khả năng cột bị phá hoại trước íiầm, Điều này đậc biệt có ý nghĩa khi kết cấu chịu tải trọng động và phải làm việc ngoài giới hạn đàn hồi (hình 1.12).

b)   Bố trí vách cứng

Trừ trường hợp nhà tấm lớn, các vách cứng chịu lực bố trí kết hợp với tường ngân, tường bao che còn uong nhà khung I vách – lõi, cần tuân theo các yêu cầu sau:

–   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 đãn, đối xứng tại các vi trí gẩn 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 (chương 3) của hệ kết cấu trùng với tâm trọng lực (trọng tâm hình học mặt bằng) ngôi nhà. Trường hợp chỉ có đối xứng về độ cứng mà không đối xứng về hình học (hình 1.13) thì khi kết cấu phải làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi (xuất hiện các khớp dẻo) có thể dẫn đến việc thay đổi độ cứng và lúc này giả thiết về cùng biến dạng và chuyển vị của toàn bộ các tường cứng trong hệ không còn đúng nữa và công trình có thể bị phá hoại chủ yếu do tác động xoắn.

a) Nén chọn EJ (cột) > E.Ị (Dầm) b) Khỏng liên chọn EJ (cột) > EJ (Dầm) Hỉnh 1.12. Tương quan độ cứng giữa cột và dầm kliung

–   Độ cứng của các vách thường chiếm tỷ lệ lớn trong tổng độ cứng của toàn hê. Vì vậy, các vách nên có chiều cao chạy suốt từ móng lên mái và co độ cứng không đổi trên toàn bộ chiều cao hoặc nếu phải giảm thì giảm dân dần từ dưới lên trên.

–    Không nên chọn vách có khả nống chịu tải trọng lớn nhưng số lượng ít mà nên chọn nhiếu vách có khả năng chịu tải tương đương và phân bố đều trên mặt bằng công trình.

–    Không nên chọn khoảng cách giữa các vách và khoảng cách từ vách đến biên quá lớn. Trong nhà cao tầng sàn bê tông cốt thép đổ liên khối có thể chọn khoảng cách giữa các vách theo bảng 1.7

Bảng 1.7. Khoảng cách giữa các vách cứng

Công trình khống tính động đất Công trinh chịu động đất cấp (MSK-64)
6 và 7 8 9
< 5B và < 60m < 4B và < 50m < 3B và < 40m <2B và < 30m

 

Ghi chú: B – chiều cộng công trình.

 

Các phương án khắc phục trong nhà khung cao tầng

Bảng 1.6 Sơ đồ nguyên tắc thiết kế mặt đứng

Sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu như việc thông tầng giảm cột hoặc dạng cột hẫng dạng sàn dập 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 động.

Trong trường hợp đặc biệt phải đặt những tải trọng lớn thiết bị kỹ thuật điện nước điều không tại một số tầng trung gian phải có các biện pháp thiết kế tương ứng như tăng cường độ cứng các kết cấu tầng kỹ thuật để tránh sự phá hoại ở các vùng xung yếu.

a) Bố trí khung chịu lực

Khi thiết kế nhà khung nên chọn các khung đối xứng và có độ siêu tĩnh cao. Nếu là khung nhiều nhịp thì các nhịp khung nên chọn bằng nhau hoặc không chênh nhau quá 10 -20% chiều dài. Nếu phải thiết kế các nhịp khác nhau thì nên chọn độ cứng tiết diện dầm ngang giữa các nhịp tương ứng với khẩu độ của chúng.

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 hình 1.9. Không nên thiết kế dạng khung thông tầng.

Hình 1.9 Các phương án khắc phục trong nhà khung cao tầng

Khung bê tông cốt thép trong nhà cao tầng nếu có chèn gạch thì trước hết phải chèn các tầng dưới. Trong trường hợp phải xây chèn các tầng trên mà tầng dưới không xây thì phải chọn tiết diện cột, dầm tầng dưới có độ cứng lớn hơn độ cứng kết cấu tầng trên đó hình 1.10

Nên tránh thiết kế công xon…

Khung bê tông cốt thép cao tầng nếu có chèn gạch thì trước hết phải chèn các tầng dưới. Trong trường hợp phải xây chèn các tầng trên 13 tầng dưới không xây thì phải chọn tiết cột, dầm tầng dưới có độ cứng (hình710)

a) Sơ đồ nên chọn           bị Sơ đồ không nên chọn         c) Sơ đồ khắc phục
Hình 1.10. Sơ đồ khung chèn

Nên tránh thiết kế công xon (kể cả dầm và bản sàn công xon). Trong trường hợp cần thiết phải hạn chế độ vươn của công xon đến mức tối thiểu và phải tính toán kiểm tra với các dạng dao động theo phương thẳng đứng do các tải trọng ngang (hình 1.11).

Bố trí kết cấu theo phương thẳng đứng

tiêu chí quan trọng trong giải pháp kết cấu bởi đạt được yêu cầu này có thể tránh được những bất lợi do biến dạng xoắn mà trong tính toán cấu tạo không dễ khắc phục được.

Khi bố trí kết cấu chịu lực nhà cao tầng chịu tải trọng động đất còn cần chú ý những điều sau đây.

– Mặt bằng nên đối xứng cả hai phương trục nhà.

– Mối quan hệ giữa chiều dài và chiều rộng công trình độ nhô ra của các bộ phận công trình vị trí các góc lõm hình 1.7 trên mặt bằng cần thỏa mãn các yêu cầu trong bảng 1.3

Hình 1.7 các dạng mặt bằng công trình

1.2.3 Bố trí khe co dãn nhiệt khe lún khe kháng chấn

Khi gặp các mặt bằng kiến trúc phức tạp có những bộ phận chênh tầng thì trước hết nên điều chỉnh bằng cách phân chia thành những khối nhỏ kết hợp với việc bố trí các khe co dãn nhiệt khe lún hoặc khe kháng chấn bảng 1.4. Thông thường các loại khe biến dạng được kết hợp làm một.

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 tầng mái công trình do các tổ hợp tải trọng bất lợi 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.

Bảng 1.4 các giải pháp phân chia mặt bằng

Trong nhà cao tầng thường có tầng hầm nên việc bố trí các khe biến dạng nhất là khe lún gây nhiều phức tạp cho kỹ thuật chống thấm. Giữa khối cao tầng và thấp tầng có thể không bố trí khe lún hình 1.8 mà chỉ có khe co dãn nhiệt từ mặt móng trở lên một khi áp dụng các biện pháp sau:

– Sử dụng cọc chống vào tầng đá hoặc vào tầng cuội sỏi với độ sâu thích hợp đồng thời chứng minh được sự lún lệch nằm trong phạm vi cho phép:

– Tiến hành thi công phần cao tầng trước phần thấp tầng sau có xét đến độ chênh lún của hai khối

Hình 1.8 mặt cắt công trình có các tầng hầm liên tục

Khi công trình nằm trong vùng có động đất thì chiều rộng khe lún kho co dãn phải lấy mặt bằng hoặc lớn hơn bề rộng tối thiểu của khe kháng chấn theo bảng 1.5

Bảng 1.5 Bề rộng tối thiểu của khe kháng chấn (mm)

1.2.4 Bố trí kết cấu theo phương thẳng đứng

Trong nhà cao tầng cần thiết kế các kết cấu chịu lực có độ cứng đồng đều tránh sự thay đổi đột ngột theo chiều cao. Trên mặt cắt thẳng đứng kết cấu cũng cần đạt đến độ đối xứng về hình học theo phương thẳng đứng thì có thể dùng các biện pháp khắc phục như bảng 1.6

Phương pháp lựa chọn hệ kết cấu nhà cao tầng

Có hiệu quả cho các nhà có độ cao trung bình và thật lớn có mặt bằng đơn giản dạng như hình chữ nhật  hình vuông. Lõi ống có thể đặt trong và ngoài biên trên mặt bằng hình 1.4 Hệ sàn các tầng được gối trực tiếp vào tường lõi hộp hoặc qua các hệ cột trung gian. Phần trong lõi thường dùng để bố trí thang máy cầu thang và các hệ thống kỹ thuật nhà cao tầng.

Hình 1.4 HỆ khung – lõi chịu lực

d) Hệ lõi – hộp

Hộp là những lõi có kích thước lớn thường được bố trí cả bên trong và gần biên ngôi nhà. Khác với hệ khung lõi hệ hộp chịu lực toàn bộ tải trọng đứng và ngang do sàn truyền vào không có hoặc rất ít cột trung gian đõ sàn hình 1.5

Hình 1.5 Các giải pháp lõi ống trong ống

Hộp trong nhà cũng giống như lõi được hợp thành từ các tường đặc hoặc có lỗ cửa.

Hộp ngoài biên có dện tích mặt phẳng lớn được tạo thành từ các cột có khoảng cách nhỏ liên kết với nhau bởi các thanh ngang có chiều cao lớn theo hai phương ngang hoặc chéo tạo nên những mặt nhà dạng khung lưới có hình dáng phù hợp với các giải pháp kiến trúc mặt đứng. Tiết diện cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng tạo nên những dãy ống nhỏ nên còn gọi là kết cấu hộp trong hộp hay ống trong ống thường được sử dụng trong các ngôi nhà rất cao.

1.2 Phương pháp lựa chọn hệ kết cấu nhà cao tầng

1.2.1 Lựa chọn kết cấu theo chiều cao số tầng

Trong thiết kế và xây dựng nhà cao tầng việc lựa chọn hệ kết cấu chịu lực hợp lý phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chiều cao các điều kiện địa chất thủy văn bản đồ phân vùng động đất khu vực hoặc toàn lãnh thổ đất nước và các giải pháp kiến trúc công trình.

Có thể lựa chọn hợp lý hệ kết cấu chịu lực theo số tầng như trên đồ thị hình 1.6

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 1.2

Hình 1.6 Sơ đồ lựa chọn hệ kế cấu theo số tầng

Bảng 1.2 Chiều cao tối đa và tỷ số giới hạn giữa chiều cao và chiều rộng H/B

1.2.2 Bố trí mặt bằng kết cấu

Mối quan hệ giữa các giải pháp kiến trúc và kết cấu nhà cao tầng phải được xem xét một cách khoa học hợp lý trong suốt quá trình thiết kế trên cơ sở các quy phạm chỉ dẫn kĩ thuật. Cần đạt tới sự thống nhất và hợp lý trong các giải pháp kiến trúc và kết cấu cũng như những giải pháp kỹ thuật khác.

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 các kết cấu chịu lực.

Sơ đồ gây ứng lực trước trong hệ kết cấu khung – vách lắp ghép IMS

dụng các cấu kiện đúc sẵn tại công xưởng rồi lắp ghép. Khung BTCT lắp ghép khó thực hiện các liên kết cứng, đòi hỏi độ chính xác cao trong lắp ghép và đều được xét đến trong quá trình tính toán.

Hình 1.2 Sơ đồ gây ứng lực trước trong hệ kết cấu khung – vách lắp ghép IMS

– Hệ khung chịu lực thuần túy có độ cứng uốn thấp theo phương ngang nên bị hạn chế sử dụng trong nhà có chiều cao trên 40m. Trong kiến trúc nhà cao tầng luôn có những bộ phận như hộp thang máy, thang bộ, tường ngăn hoặc bao che liên tục trên chiều cao nhà có thể sử dụng như lõi, vách cứng nên hệ kết cấu khung chịu lực thuần túy trên thực tế không tồn tại.

– Các hệ khung bê tông cốt thép lắp ghép có thể được thực hiện bằng công nghệ căng sau các cấu kiện bê tông ứng lực trước theo cả hai phương và được sử dụng có hiệu quả trong vùng có động đất (chương 6)

b) Hệ khung – vách

Hệ kết cấu 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 ngôi nhà. Trong các kiểu nhà lắp ghép tấm lớn nhiều tầng có thể xem các tấm tường liên kết với nhau tạo thành một hệ tường cứng ngang dọc liên tục. Các mô hình tính toán phụ thuộc nhiều vào cấu tạo các mạch lắp ghép tường với tường và tường với sàn.

Kết cấu khung – vách thường sử dụng phổ biến hơn cả vì hệ này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng. Hệ kết cấu này tạo điều kiện ứng dụng linh hoạt các công nghệ xây dựng khác nhau như vừa có thể lắp ghép vừa đổ tại chỗ các kết cấu bê tông cốt thép. Có thể chỉ đổ tại chỗ các vách cứng bằng công nghệ dùng ván khuôn trượt, còn phần khung cột dầm sàn lắp ghép thậm chí với các liên kết khớp giữa cột với cột và dầm sàn với vách cứng. Với công nghệ xây dựng lắp ghép bán lắp ghép cho phép sử dụng hệ kết cấu chịu lực một cách hợp lý và đem lại những hiệu quả kinh tế kỹ thuật nhất định.

Có thể lắp ghép toàn bộ các cấu kiện khung cột dầm tường cứng bằng công nghệ gây ứng lực trước bằng phương pháp căng sau cho toàn bộ hệ dầm dọc theo 2 phương như hệ kết cấu IMS. Hệ kết cấu này có xuất xứ từ CHLB NAm Tư trước đây và được nhiều nước ứng dụng đặc biệt ở Cu Ba. Hệ kết cấu này có khả năng tiếp thu tốt các tải trọng gió và động đất (hình 1.2)

c) Hệ khung – lõi

Hệ khung lõi chịu lực thường sử dụng