luận văn: thiết kế kết cấu nhà cao tầng

Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Chơng 1: Tổng quan về thiết kế nhà cao tầng
Đối với các nhà cao tầng, thiết kế kiến trúc có ảnh hởng quyết định tới thiết
kế kết cấu. Trong giai đoạn hiện nay, yêu cầu cần phải có những giải pháp thiết
kế đạt hiệu quả kinh tế. Các công trình có thiết kế kiến trúc phức tạp xuất hiện
ngày càng nhiều, yếu tố ấy dẫn tới vai trò ngời kỹ s kết cấu rất quan trọng tham
gia ngay trong giai đoạn thiết kế.
Nhiệm vụ của kỹ s kết cấu trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng là tìm ra một
giải pháp tối u với giá thành thấp nhất. Nh vậy, ngời kỹ s kết cấu cần ý thức đợc
tầm quan trọng và mối liên hệ giữa các lĩnh vực khác nhau nh kiến trúc, kỹ thuật
công nghệ và kinh tế.
I. Định nghĩa về nhà cao tầng.
Về mặt kết cấu một công trình đợc định nghĩa là nhà cao tầng khi độ bền
vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang có thể
dới dạng gió bão hoặc động đất. Mặc dù cha có một thống nhất chung nào về
đinh nghĩa nhà cao tầng, nhng có một ranh giới đợc đa số các kết cấu s chấp
nhận đó là từ nhà thấp tầng đến nhà cao tầng có một sự chuyển tiếp từ phân tích
tĩnh học sang phân tích động học.
Các công trình cao tầng sẽ ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so
với nhà cao tầng trong quá khứ. Các nghiên cứu trên thế giới khẳng định xu hớng
này thông qua các kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao sẽ
đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
II. Các yêu cầu về mặt kết cấu.
Trong thiết kế nhà cao tầng để đạt tới một thiết kế hợp lý thì cần phải phối
hợp đợc 3 điều kiện sau: về khả năng chịu lực, các yêu cầu sử dụng bình thờng
( dao động , chuyển vị) và độ ổn định. Yếu tố ảnh hởng lớn nhất là tải trọng
ngang, công trình càng cao thì ảnh hởng này đối với hình dạng kết cấu càng lớn.
Khi chiều cao công trình tăng lên thì các yếu tố sau trở nên hết sức quan trọng:
ảnh hởng của tải trọng ngang do gió và động đất

Việc xác định độ lớn của tải trong ngang đa vào thiết kế
Chuyển vị ngang tại đỉnh công trình và chuyển vị lệch giữa các mức
tầng
Gia tốc dao động
ảnh hởng của chuyển vị ngang đến các bộ phận không chịu lực
Hiệu ứng uốn dọc ( P Delta ), chuyển vị do từ biến, chuyển vị chênh
lệch giữa các kết cấu chịu tải trong thẳng đứng
ổn định tổng thể chống lật và chống trợt
Tầm quan trọng của các cấu kiện chịu kéo
Việc xét tới các tơng tác nền và công trình
III. Tải trọng:
a. Tải trọng:
Việc xác định chính xác tải trọng thiết kế là hết sức quan trọng để đảm
bảo sự dung hoà giữa hai yếu tố: độ bền vững cho kết cấu và tính kinh tế của
toàn bộ công trình. Kết cấu nhà cao tầng đợc tính toán với các loại tải trọng
chính sau đây:
+ Tải trọng thẳng đứng ( thờng xuyên và tạm thời tác dụng lên sàn ).
+ Tải trọng gió ( gió tĩnh và nếu có cả gió động ).
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
5
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
+ Tải trọng động của động đất ( cho các công trình xây dựng trong vùng
có động đất ).
Ngoài ra: Kết cấu nhà cao tầng cũng cần phải đợc tính toán kiểm tra với các tr-
ờng hợp tải trọng sau :
- Do ảnh hởng của sự thay đổi nhiệt độ.
- Do ảnh hởng của từ biến.
- Do sinh ra trong quá trình thi công.

- Do áp lực của nớc ngầm và đất.
Khả năng chịu lực của kết cấu cần đợc kiểm tra theo từng tổ hợp tải trọng,
đợc quy định theo các tiêu chuẩn hiện hành.
Riêng với tải trọng gió: Đối với nhà cao tầng thì cần kể thêm Hệ số tầm
quan trọng
b. Tính toán hệ kết cấu:
+ Hệ kết cấu nhà cao tầng cần thiết đợc tính toán cả về tĩnh lực, ổn định và
động lực.
+ Các bộ phận kết cấu đợc tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất
(TTGH 1).
Trong trờng hợp đặc biệt do yêu cầu sử dụng thì mới theo trạng thái giới
hạn thứ hai (TTGH 2).
+ Khác với nhà thấp tầng trong thiết kế nhà cao tầng thì việc kiểm tra ổn
định tổng thể công trình đóng vai trò hết sức quan trọng. Các điều kiện cần kiểm
tra gồm:
* Kiểm tra ổn định tổng thể
* Kiểm tra độ cứng tổng thể
Tải trọng và tác động đợc lấy theo TCVN 2737-1995.
IV. Hình dạng công trình và sơ đồ bố trí kết cấu:
IV.1. Sơ đồ mặt bằng, sơ đồ kết cấu :
+ Nhà cao tầng cần có mặt bằng đơn giản, tốt nhất là lựa chọn các hình có
tính chất đối xứng cao. Trong các trờng hợp ngợc lại công trình cần đợc phân ra
các phần khác nhau để mỗi phần đều có hình dạng đơn giản.
+ Các bộ phận kết cấu chịu lực chính của nhà cao tầng nh vách, lõi, khung
cần phải đợc bố trí đối xứng. Trong trờng hợp các kết cấu này không thể bố trí
đối xứng thì cần phải có các biện pháp đặc biệt chống xoắn cho công trình theo
phơng đứng.
+ Hệ thống kết cấu cần đợc bố trí làm sao để trong mỗi trờng hợp tải trọng
sơ đồ làm việc của các bộ phận kết cấu rõ ràng mạch lạc và truyền tải một cách
mau chóng nhất tới móng công trình.

+ Tránh dùng các sơ đồ kết cấu có các cánh mỏng và kết cấu dạng
congson theo phơng ngang vì các loại kết cấu này rất dễ bị phá hoại dới tác dụng
của động đất và gió bão.
IV.2 . Theo ph ơng thẳng đứng:
+ Độ cứng của kết cấu theo phơng thẳng đứng cần phải đợc thiết kế đều
hoặc thay đổi đều giảm dần lên phía trên.
+ Cần tránh sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu (nh làm việc
thông tầng, giảm cột hoặc thiết kế dạng cột hẫng chân cũng nh thiết kế dạng sàn
giật cấp).
+ Trong các trờng hợp đặc biệt nói trên ngời thiết kế cần phải có các biện
pháp tích cực làm cứng thân hệ kết cấu để tránh sự phá hoại ở các vùng xung
yếu.
IV.3. T ơng tác giữa các bộ phận trong hệ kết cấu chịu lực (hệ kết cấu
khung - giằng):
+ Với các nhà còn thấp thì hệ kết cấu khung tỏ ra u việt nhng khi chiều
cao nhà tăng lên một mức độ nhất định thì kết cấu khung cứng lại tỏ ra kém hiệu
quả (vì kết cấu này có khả năng chịu cắt kém).
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
6
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
+ Khắc phục nhợc điểm của kết cấu khung ngời ta đa vào kết cấu công
trình các vách cứng (hoặc có các giằng xiên).
Hệ kết cấu bao gồm khung cứng - vách cứng gọi là hệ kết cấu khung - giằng.
Hệ kết cấu khung giằng: Đặc điểm nổi bật là kết cấu khung chịu lực cắt
kém nhng lại có độ cứng chống uốn lớn, ngợc lại các vách cứng lại có độ cứng
chống cắt lớn hơn nhng độ cứng chống uốn tơng đối nhỏ, đặc biệt là khi chiều
cao nhà tăng lên. Do tính chất khác biệt của hai bộ phận kết cấu nói trên trong
quá trình làm việc đồng thời chịu tải trọng ngang vách cứng và khung cứng tơng

tác lẫn nhau. Hiệu ứng này thể hiện rõ khi chiều cao nhà tăng lên.
IV.4. Cấu tạo các bộ phận liên kết:
+ Kết cấu nhà cao tầng cần phải có bậc siêu tĩnh cao để trong trờng hợp bị
h hại do các tác động đặc biệt nó không bị biến thành các hệ biến hình.
+ Các bộ phận kết cấu đợc cấu tạo làm sao để khi bị phá hoại do các trờng
hợp tải trọng thì các kết cấu nằm ngang sàn, dầm bị phá hoại trớc so với các kết
cấu thẳng đứng: cột, vách cứng.
V. Lựa chọn vật liệu:
+ Nhà cao tầng thờng có tải trọng rất lớn, nên vật liệu xây dựng cần có c-
ờng độ cao, trọng lợng nhỏ, khả năng chống cháy tốt để tạo điều kiện giảm đợc
đáng kể tải trọng cho công trình, kể cả tải trọng đứng cũng nh tải trọng ngang do
lực quán tính.
+ Vật liệu có tính biến dạng cao: Khả năng biến dạng dẻo cao có thể bổ
sung cho tính năng chịu lực thấp.
+ Vật liệu có tính thoái biến thấp: Có tác dụng rất tốt khi chịu tác dụng
của tải trọng lặp lại (động đất, gió bão).
+ Vật liệu có tính liền khối cao: Có tác dụng trong trờng hợp tải trọng có
tính chất lặp lại không bị tách rời các bộ phận công trình.
+ Vật liệu có giá thành hợp lý.
Trong điều kiện Việt Nam hay các nớc hiện nay thì vật liệu BTCT hoặc thép là
các loại vật liệu đang đợc các nhà thiết kế sử dụng phổ biến trong các kết cấu
nhà cao tầng.
VI. Thiết kế nhà cao tầng theo ph ơng pháp đa ngành đa lĩnh vực
Thiết kế nhà cao tầng yêu cầu một sự phối hợp hết sức chặt chẽ giữa nhiều
lĩnh vực, nhiều thành phần khác nhau nh chủ đầu t, công t tài chính, công ty bất
động sản, kiến trúc s, kỹ s kết cấu, kỹ s kinh tế, kỹ s cơ điện, nhà thầu thi công
và các đơn vị kỹ thuật liên quan khác. Trớc đây công việc thực hiện bởi mỗi
thành viên tham gia thiết kế rất ít khi đợc tối u hoá.
Trong vòng thập kỹ gần đây, xu hớng đẩy mạnh sự phối hợp giữa các bên
liên quan trong quá trình thiết kế đã trở nên rất phổ biến trên thế giới. Mục tiêu

cuối cùng của việc tăng cờng hợp tác này nhằm đạt tới một giải pháp thiết kế
tổng thể có hiệu quả kinh tế cao nhất.
Một trong những ví dụ điển hình là đánh giá sự lợi ích phối hợp giữa kỹ s
kết cấu và kỹ s cơ điện trong việc thiết kế lõi cứng và hệ thống sàn. ở đây các
yếu tố quan trọng nhất yêu cầu sự kết hợp là việc quyết định chiều cao tầng, vị
trí cũng nh kích thớc của các kết cấu thẳng đứng nh lõi cứng, lõi, cột.
Trong quá trình thiết kế định hớng vai trò của ngời kỹ s cơ đIửn chỉ giới
hạn xung quanh việc cung cấp các thông số yêu cầu về không gian cần thiếtcho
phòng đặt máy, chiều cao tối thiểu cho các hệ thống ống đi ngầm trên trần và
kích thớc thang máy.
VII. Thiết kế tính đến toàn bộ thời gian sử dụng công trình
Ngoài các khía cạnh kỹ thuật còn phải đặc biệt chú ý đến các khía cạnh
kinh tế có liên quan đến giá thành công trình của nhà cao tầng.
Một công trình cao tầng thờng có thời gian sử dụng trong vòng từ 50 đến
100 năm và phải đảm bảo chức năng sử dụng trong suốt thời gian đó. Nhng do
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
7
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
gần đay có sự thay đổ nhanh chóng những nhu cầu về tiện nghi sử dụng, yêu cầu
ngày càng cao về môi trờng sống, không gian sinh hoạt và làm việc của những c
dân sống trong nhà cao tầng nên luôn có yêu cầu hiện đại hoá các nhà cao tầng
đang sử dụng.
Chính vì lẽ đó nên trong quá trình thiết kế ngời kỹ s phải lờng trớc đợc
những thay đổi có thể xảy ra trong tơng lai, chọn giải pháp kết cấu hợp lý, cho
phép thực hiện những thay đổi mà không ảnh hởng gì đến độ bền vững của công
trình và đồng thời cũng không đợc quá tốn kém. Các yếu tố cần quan tâm bao
gồm:
- Kết cấu: chọn vật liệu nào cho phép dễ thay đổi, ví dụ hệ thống sàn composite

có u thế hơn sàn ứng suất trớc.
- Tải trọng: theo kinh nghiệm thiết kế thì tại các khu công cộng hay kho chứa
nên tăng tải trọng thiết kế so với nhu cầu hiện tại để tính đến những thay đổi về
sau.
- Tầng kỹ thuật: việc bố trí tầng kỹ thuật cũng nh trọng lợng bản thân của hệ
thống kỹ thuật ( thiết bị , máy móc, ) phải đợc xác định đầy đủ.
- Kết cấu bao che: chọn loại dễ tháo lắp để thay đổi ( vì thờng có cờng độ bền
10 20 năm) ví dụ thay đổi tờng gạch pa- nen đúc sẵn với các liên kết cho phép
sửa đổi nhanh chóng.
- Kết cấu chịu lực thẳng đứng: chú ý đến tải trọng hiện tại, tơng lai và tải trọng
phát sinh trong thi công , sữa chữa (khi cần nâng thêm tầng hoặc lắp thêm các
tháp ăng teng trên nóc nhà).
- Độ bền theo thời gian: Sự suy giảm độ bền theo thời gian phải đợc kiểm soát,
quan trắc, tuy là công việc kho khăn, nhng cần thiết để thực hiện việc bảo trì
đúng thời gian yêu cầu, nhằm duy trì độ bền lâu của công trình.
Trong cơ cấu giá thành nói trên không đợc quên những chi phí cho bảo trì,
và để tính những chi phí sau xây dựng thì phơng pháp thực dụng là chuyển đổi
tất cả các chi phí cho công trình trong tơng lai về giá trị hiện tại.
Trong giai đoạn thiết kế và thi công thì việc lựa chọn giải pháp thiết kế
hợp lý , hoặc có thể chọn phơng pháp thiết kế tối u, là có ý nghĩa nhất.
Ví dụ khi chọn hệ lõi để chịu lực ngang của nhầco tầng thì những vấn đề
sau đây cần đợc xem xét kỹ.
- Giảm tối đa giá thành vật liệu: cân nhắc 3 yếu tố liên quan là khối lợng
bêtông, lợng cốt thép và cờng độ bêtông. Nh hình vẽ dới đây thể hiện, trong 3
yếu tố trên thì tăng cờng độ bêtông đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Biến thiên về giá thành và cờng độ chịu lực của vách cứng
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
8
1.0
2.0 3.0 4.0

1.0
2.0
3.0
4.0
Giá gốc
Giá vật liệu
C
Ư
ờng độ dùng
để so sánh
C
Ư
ờng độ nén trục của t
Ư
ờng
C
h
ỉ

t
ă
n
g

h
à
m

l
Ư

ợ
n
g

t
h
é
p
C
h
ỉ

t
ă
n
g

c
h
i
ề
u

d
à
y

t
Ư
ờ

n
g
C
h
ỉ

t
ă
n
g

c
Ư
ờ
n
g

đ
ộ

b
ê
t
ô
n
g
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
- Tối u hoá kích thớc hình học của lõi để lõi chịu tải trọng dọc trục theo

hiệu ứng kéo đẩy và chịu các thành phần mômen uốn theo 2 phơng, vì vậy các
vách phía ngoài chịu tải trọng lớn hơn các vách phía trong.
- Giảm tối thiểu diện tích lõi để tăng tối đa diện tích sử dụng
- Giảm tối thiểu thời gian thi công để giảm lãi suất ngân hàng
- Giảm tối thiểu chiều cao tầng khi đặt hệ thống ống kỹ thuật đi ngầm
trong sàn.
Hiện nay có 2 xu hớng tác động đến giá thành nhà cao tầng. Một là giá
thành nhà sẽ giảm xuống đáng kể khi dùng xật liệu mới nhẹ nhng cờng độ cao,
khai thác không gian ngầm dới mặt đất nên hiệu suất 1m
2
đấtđợc tăng lên và ph-
ơng pháp thi công hiện đại đã rút ngắn thời gian xây dựng. Hai là giá thành hệ
thống thiết bị kỹ thuật (thang máy, an toàn, cháy nổ, đảm bảo điều kiện môi tr-
ờng) có xu hớng tăng hơn trớc. Do vậy, giá thành càng là bài toán có tính chiến
lợc trong phát triển xây dựng nhà cao tầng.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
9
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Chơng 2 : nghiên cứu về kết cấu nhà cao
tầng
và lựa chọn giải pháp tối u
I. Nghiên cứu kết cấu nhà cao tầng hiện đại
Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cũng nh trên thế giới, yêu cầu về
nhà cao tầng ngày một bức xúc vì nhiều lý do khác nhau xuất phát từ yêu cầu
thực tế dân số tăng và sự tiến bộ của xã hội, đi kèm theo đó là sự phát triển của
khoa học công nghệ, cơ khí và tự động hoá Để đáp ứng những yêu cầu đó và
để giải quyết thi công nhanh, nhất là đối với cao ốc có tầm cao rất lớn, giải pháp
sử dụng kết cấu thép hoặc kết cấu liên hợp thép - bê tông cho khung sờn nhà cao

tầng là phơng án rất có hiệu quả vì nhiều lý do sau đây:
* Kết cấu tơng đối nhẹ so với bê tông cốt thép, trọng lợng chỉ bằng
khoảng 60% kết cấu BTCT. Tuy đơn giá vật liệu đắt hơn, nhng theo thống kê từ
những công trình đã thi công trớc đây, giá thành xây lắp vẫn có khả năng giảm
khoảng 80%; vì phơng án nền móng có thể đơn giản, đỡ tốn kém hơn và nhịp
khung dầm có thể vợt khẩu độ lớn hơn, vì vậy có khả năng bớt đợc số lợng cột.
* Các cấu kiện đợc tiền chế trong điều kiện kiểm tra giám sát chất lợng
chặt chẽ trong nhà máy và dễ dàng cơ giới hoá khi lắp dựng, có khả năng thi
công với mức độ chính xác cao, tiết kiệm nguyên vật liệu, nhân công. Đồng thời,
khung thép vốn dĩ là những cấu kiện lắp ghép ở mức độ lý tởng, tạo điều kiện
đẩy nhanh tiến độ thi công, sớm đa công trình vào phục vụ khai thác.
* Các chi tiết trong khung thép nhà cao tầng thờng giống nhau, có thể lắp
ráp theo nhiều động tác trùng lặp. Hiện trờng công tác gọn nhẹ, điều kiện thi
công trong khô ráo cũng là nguyên nhân giảm bớt các thất thoát về vật liệu, lao
động và thời gian.
Để đạt đợc những u điểm trên và khắc phục những nhợc điểm của kết cấu
thép là giá thành cao, biến dạng lớn, thanh nén dễ mất ổn định, rất nhạy cảm đối
tải trọng động, với môi trờng xâm thực và nhất là hoả hoạn vấn đề thiết kế nhà
cao tầng bằng thép đòi hỏi phải có những nghiên cứu nghiêm túc của kiến trúc s,
kỹ s thiết kế và các nhà thầu thi công. Không những phải thông hiểu bản chất kết
cấu khung sờn thép, mà còn phải biết rõ mọi cấu kiện hoàn thiện khác lắp dựng
sau, chẳng hạn, kết cấu bao che, trang thiết bị kỹ thuật, hoàn thiện nội thất v.v
Cần phải xem kết cấu thép nh một phần của tổng thể kết cấu, phải phối hợp các
bộ phận có liên quan, đảm bảo tiêu chuẩn hoá và lặp lại tối đa. Về nguyên tắc,
mục tiêu chủ yếu vẫn là ba vần đề : kỹ thuật, kiến trúc và kinh tế.
+ Về kỹ thuật, mục tiêu hàng đầu là phải đảm bảo kết cấu khung thép nhà
cao tầng đủ chắc khoẻ, chịu đợc mọi tác động trong suốt quá trình thi công và
khai thác sử dụng công trình, kể cả các tác dụng của những tải trọng tai biến, hoả
hoạn. Vật liệu nên dùng loại có cờng độ cao, trọng lợng nhẹ và dẻo dai bền chắc.
+ Về tổ chức không gian sử dụng, kết cấu khung thép là một trong những

loại ít khống chế ngăn trở ý đồ thiết kế kiến trúc, có khả năng tạo đợc những bớc
cột rộng rãi thông thoáng, rất cần cho các đại sảnh, hội trờng, các phòng ốc cần
thoáng đãng, nhng vẫn có thể dễ dàng chia nhỏ, phục vụ cho các văn phòng làm
việc bằng các vách ngăn nhẹ nhàng.
+ Về kinh tế, nếu xét cả vốn đầu t xây lắp và hiệu quả do thi công nhanh,
mức độ công nghiệp hoá cao, khai thác sử dụng công trình sớm v.v nhiều công
trình nhà cao tầng khung thép và thép-bê tông liên hợp đã đạt mục tiêu kinh tế
tốt hơn, nhất là những siêu cao tầng.
Sau đây, giới thiệu bảng phân tích so sánh giá thành theo tỷ lệ % các công
đoạn xây dựng nhà cao tầng dùng kết cấu thép :
- Xây lắp gồm:
1 - San nền, thi công phần móng và bê tông : 11%
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
10
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
2 - Khung sờn thép, sàn tầng và phòng hoả : 10%
3 - Xây nề : 4%
4 - ốp lát trong ngoài, nhôm kính : 22%
5 - Lợp mái : 5%

- Hoàn thiện gồm:
6 - Sàn, trần : 7%
7 - Đá ốp ngoài : 5%
8 - Công việc khác : 8 %
20%
- Trang thiết bị gồm:
9 - Cứu hoả : 4%
10 - HVAC : 12%

11 - Điện : 8%
12 - Thang máy : 4%
28%
Riêng vật liệu chỉ chiếm khoảng 30-40% tổng giá thành xây lắp, 60-70% còn
lại là chi phí thiết kế, chế tạo, lắp ráp, hoàn thiện, các trang thiết bị bảo trì v.v
Cơ cấu giá thành chi tiết các bộ phận công trình của một cao ốc văn phòng
55 tầng cụ thể tại Melbourne (Australia) cũng cho thấy giá thành của riêng phần
kết cấu, bao gồm cả móng, cũng chỉ chiếm một tỷ lệ khiêm tốn khoảng 28%.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
52%
11
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Phần còn lại là chi phí chủ yếu cho kiến trúc bao gồm công tác hoàn thiện và lắp
đặt trang thiết bị, kể cả phần cơ điện (khoảng 10%) và các hệ thống phục vụ
khác (khoảng 20%).
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
12
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
II. Hệ thống nhà cao tầng khung thép và thép bêtông
liên hợp.
II.1. về ph ơng diện kết cấu
Đối với công trình nhà cao tầng bằng thép, mặc dù có nhiều u điểm nhng
về mặt kết cấu, khung thép thờng có độ mảnh lớn. Những cấu kiện chủ yếu đều
chịu nén và chịu uốn, rất dễ mất ổn định. Mặt khác, các loại tải trọng ngang nh :
gió, động đất, sẽ gây ra những tác động bất lợi. Do đó, khi nghiên cứu thiết kế hệ
thống kết cấu, đòi hỏi phải có sự lu ý đặc biệt về một số tiêu chí quan trọng,

chẳng hạn, tải trọng ngang thiết kế, điều kiện địa kĩ thuật, tiêu chuẩn về các
trạng thái giới hạn ( chuyển vị ngang, dao động, cờng độ, ổn định v.v ). Ngoài
ra, hệ thống kết cấu nhà cao tầng còn cần đợc nghiên cứu thiết kế một cách tổng
hợp, thoả mãn cả những yêu cầu phi kết cấu, ví dụ: về hình thức bề ngoài, về tỷ
lệ kích thớc và cảnh quan kiến trúc; về tổ chức không gian sử dụng; về chủng
loại vật liệu phù hợp và dễ cung ứng; về vốn đầu t và điều kiện kinh tế; về công
nghệ xây dựng và tổ chức thi công; về hệ thống trang thiết bị kĩ thuật và cấp độ
phòng hoả; về điều kiện khai thác và quản lý công trình v.v
Cao ốc với khung sờn bằng thép cũng thờng sử dụng làm nhà ở chung c,
văn phòng cho thuê, khách sạn. Một số khác còn dùng làm bệnh viện, trờng học
v.v Tuy công năng không giống nhau, nhng nguyên tắc xử lý kết cấu nói chung
không khác nhau nhiều: cấu trúc khung sờn nhà cao tầng gồm dầm và cột với
nhiều cách bố trí cấu tạo khác nhau sẽ cùng chịu lực và mọi tác động trong một
hệ kết cấu thống nhất và truyền tải trọng xuống nền móng công trình. Các bộ
phận khác nh sàn tầng, tờng ngăn và kết cấu bao che tuy chủ yếu chịu lực cục
bộ nhng rồi cũng đều truyền tải trọng lên hệ khung sờn thép.
Những siêu cao tầng hoặc nhà có độ mảnh lớn thờng rất nhạy cảm với tải
trọng gió và động đất, nh vậy cần thấu hiểu mọi trạng thái của kết cấu. Những
thông số quan trọng nhất tác động đến công trình, chẳng hạn nh biên độ dao
động giới hạn trên đỉnh lầu do gió bão gây ra không đợc ảnh hởng đến sinh
hoạt bình thờng cũng nh tác động xấu đến tâm sinh lý của những ngời c trú trên
tầng cao, đồng thời cũng không gây hậu quả bất lợi cho hoạt động của thang
máy, không làm rạn nứt kết cấu bao che và các vách ngăn, không ảnh hởng đến
kích thớc vốn chặt chẽ của khuôn cửa khi đóng mở v.v Ví dụ nh ở Hoa Kỳ chỉ
số ''lắc ngang'' tơng đối /h ( trong đó h là độ cao tính từ mặt đất) quy định
không đợc vợt quá 1,5 3%o trong gió bão 10 năm , tức là biên độ dao động
chỉ khoảng 1m khi đỉnh lầu cao 400m so với mặt đất. Nếu thiết kế với gió bão
lớn hơn nữa, ví dụ: tần suất 1/100 và 2/100 (gió bão 100 năm và 50 năm ) chỉ số
/h giới hạn khoảng 4,8%o tức là chuyển vị trên dới 2m đối với các loại nhà cao
hơn 400m. Theo tiêu chuẩn thiết kế của Vơng quốc Anh BS 5950 cũng tơng tự

nh vậy: (1/300 ~1/600)h.
Vấn đề động đất đối với nhà cao tầng nói chung cần nghiên cứu thiết kế
đặc biệt, nhất là với gia tốc nằm ngang của địa chấn. Ngoài thép bổ sung cho các
cấu kiện chịu lực, phải tăng cờng thêm các giằng chống và mối nối chịu mômen,
đồng thời cũng phải nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu phù hợp có cờng độ
cao, trọng lợng nhẹ và tính năng mềm dẻo v.v
Trong thực tế thiết kế và xây dựng nhà cao tầng, biện pháp giảm chấn cục
bộ hoặc tổng thể trong thời gian gần đây cũng đợc nghiên cứu nhiều, mục đích
tránh gây cảm giác khó chịu và bất lợi cho sinh hoạt của c dân sống trên các tầng
cao khi có gió bão hoặc động đất. Có thể bố trí bổ sung những chi tiết giảm chấn
bằng các thanh thép hình có điểm chảy thấp, hoặc bằng vật liệu có tính đàn dẻo
dễ hấp thu năng lợng dao động. Cũng có thể dùng những thiết bị giảm chấn hiện
đại có điều khiển đặt trên đỉnh (lầu thợng) hoặc dới chân móng công trình.
Khung sờn thép đợc phòng hoả bằng cách bọc bê tông, thạch cao, gốm sứ hoặc
phun phủ bằng các loại vật liệu kỵ lửa có dung trọng nhẹ. Vách ngăn, tờng bao,
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
13
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
sàn tầng thờng đợc xây cất bằng bê tông, gạch gốm, nhôm kính, thép và kim loại
cán nóng cũng nh tạo hình nguội, hoặc vật liệu compozit hiện đại
II.2. Phân loại kết cấu nhà cao tầng :
Các loại nhà cao tầng có thể phân thành nhiều cách khác nhau. Riêng về
kết cấu khung sờn chịu lực có mấy cách phân loại sau :
a. Theo cách phân loại của khan Fazlur (1966), gồm 4 loại :
Loại I : Hệ khung, gồm 2 loại: khung cứng và khung nửa cứng (thờng dùng cho
những cao ốc 15ữ18 tầng);
Loại II : Hệ khung giằng, gồm 2 loại: khung giằng có và không có dàn đai
(thích dụng đối với cao ốc 45ữ50 tầng);

Loại III : Hệ ống thanh thành mỏng, tiết diện hở, gồm 2 loại : có các vách dạng
dàn phẳng và dạng tiết diện chữ I (60ữ65 tầng);
Loại IV: Hệ ống kín, gồm 3 loại: ống có khung bên trong , ống lồng ống, kể cả
ống bó và ống có giằng chéo lớn bên ngoài ( 90, 100, 110 tầng).
b. Theo cách phân loại chi tiết của Wolgang Schueller (1976), kết cấu thông
dụng nhất trong xây dựng nhà cao tầng nh sau:
Hệ kết cấu chỉ có vách cứng song song theo một hớng (H.2a);
Hệ có lõi cứng ở giữa và vách cứng xung quanh biên (H.2b);
Hệ gồm các blốc lắp ghép theo kiểu khối xây (H.2c);
Hệ lõi cứng và các tầng sàn ngàm công-xôn xung quanh (H.2d);
Hệ khung gồm cột và các sàn tầng không dầm (H.2e);
Hệ lõi cứng và các côngxôn cao bằng một tầng, bố trí cách tầng (H.2f);
Hệ lõi cứng và các sàn treo vào dầm gánh bố trí trên tầng đỉnh (H.2g);
Hệ có các dàn cao bằng một tầng đặt so le và cách tầng (H.2h);
Hệ khung không gian nút cứng (H.2i);
Hệ lõi cứng làm việc tơng tác với khung cứng (H.2j);
Hệ vách cứng dạng dàn tơng tác với khung cứng (H.2k);
Hệ lõi cứng dạng dàn với dàn đỉnh và dàn đai (H.2l);
Hệ ống lồng ống (H.2m);
Hệ gồm nhiều ống bố trí thành cụm, thành bó ống (H.2n).
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
14
§Ò TµI : Trung t©m th¬ng m¹i vµ v¨n phßng cao cÊp
thiÕt kÕ kÕt cÊu nhµ cao tÇng
*****************************
H×nh 2
SVTH : Lª Xu©n Tïng . gvhd : gs – tskh nguyÔn tr©m .
15
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng

*****************************
c. Theo hệ kết cấu do CTBUH, group SC phân loại (1980):
Loại I : Khung chịu cắt gồm : khung nửa cứng và khung cứng;
Loại II : Hệ hỗn hợp : khung+dàn giằng và khung+dàn giằng+dàn đai;
Loại III : Hệ ống 1 phần : ống hở+dàn phẳng và ống hở+dàn chữ I ;
Loại IV : Hệ ống kín: ống ngoài; ống bó và ống ngoài có giằng chéo .
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
loại i
loại ii
loại iv
loại iii
k
h
u
n
g

n

ử
a

c
ứ
n
g
k
h
u
n
g

c
ứ
n
g
k
h
u
n
g

+

v
á
c
h

d
à
n
k
h
u
n
g
,

v
á
c
h

v
à

d
à
n

v

ơ
n
ố
n
g

h
ở

v
à

v
á
c
h

d
à
n

g
i
ữ
a
ố
n
g

h
ở

v
à

v

á
c
h

g
i

ã

c
h
ữ


I
ố
n
g

k
h
u
n
g

n
g
o
à
i

ố
n
g

b
ó
ố
n
g

n
g
o
à
i

v
à

g
i
ằ
n
g

c
h
é
o
loại i loại ii loại iii loại iv

Hình 3
d. Theo Uỷ ban về nhà cao tầng ( 1984, Falconer và Beedle ) gồm 4 cấp
Cấp A: Các hệ khung (xx): vách, lõi, khung, ống;
Cấp B : Các hệ giằng (xx,yy,z): khung giằng, khung cứng, vách, lõi giằng;
Cấp C : Các hệ khung sàn (xx): thép, bê tông, liên hợp thép-bê tông;
Cấp D : Dạng cao ốc và hệ truyền tải (xx,yy,z): dạng mặt bằng, dạng mặt đứng,
hệ truyền tải.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
16
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Hệ khung
cấp a
cấp b
Hệ giằng
Vách Lõi Khung ống
ống Kết cấu phẳng 2
Khung giằng Lõi thép giằng Nút cứng Vách giằng
Lõi BT giằng
Kết cấu phẳng 1
Kết cấu phẳng 2
Dạng cao ốc và truyền tải
Kết cấu phẳng 1
cấp d
ống
Hệ khung sàn
BTCT Thép
cấp c
Thép - BT

(XX)
(XX, YY, Z)
(XX)
e. Theo các tác giả Trung Quốc về kết cấu gồm 4 loại :
- Kết cấu khung;
- Kết cấu tờng chịu cắt ( vách cứng );
- Kết cấu hỗn hợp khung-tờng chịu cắt;
- Kết cấu ống (lõi): ống trong, ống ngoài, ống lồng, ống bó và ống tổ hợp .
f. Riêng về chung c cao tầng mới đây (tháng 4 năm 2002) ở Nhật bản phân loại
gồm 4 dạng kết cấu khác nhau:
Kết cấu khung có nút cứng chịu mômen (H.5a là ví dụ cao ốc 38 tầng);
Kết cấu khung và tờng chịu cắt (H.5b là ví dụ cao ốc 25 tầng);
Kết cấu ống (lõi) lồng ống (H.5c là ví dụ cao ốc 25 tầng);
Kết cấu ống lồng và vách nh ống thứ 3 (H.5d là ví dụ cao ốc 32 tầng).
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
17
Hình 4
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************


III. Sự làm việc của kết cấu thép nhà cao tầng :
Cấu kiện chịu lực chủ yếu của nhà cao tầng khung thép cũng gồm những
cấu kiện cột, dầm, sàn tầng tạo thành khung không gian và các hệ thống giằng
tạo thành các vách cứng, lõi cứng hoặc các loại dầm dàn ngang (dàn đỉnh, dàn
đai, dầm vơn ). Những cấu kiện này về mặt chịu lực có thể phân loại thành 2
nhóm chính :
1/ Hệ chịu tác động của tải trọng thẳng đứng. Bao gồm hệ dầm thép đỡ
các sàn tầng nằm ngang, chịu toàn bộ tải trọng đứng tác dụng trên sàn, liên kết

với hệ thống cột hoặc vách, lõi cứng cấu tạo dới dạng các dàn tờng thẳng đứng
và truyền tải xuống nền móng theo nguyên tắc truyền tải trọng thẳng đứng thông
thờng.
2/ Hệ chịu tác động của tải trọng nằm ngang. Bao gồm cột và dầm thép,
nối cứng với nhau tạo thành một hệ khung cứng trong không gian hoặc gồm hệ
các thanh giằng chéo phối hợp với cột và dầm tạo thành những dàn đứng đợc gọi
là các vách hoặc lõi cứng (các thanh giằng chéo bố trí trong các ô chữ nhật bao
quanh bởi các phần tử cột và dầm). Các phần tử của sàn tầng liên kết chặt chẽ
với nhau trong mặt phẳng ngang cũng tạo ra những bản ngăn cứng chịu tải trọng
ngang. Ngoài ra, các ''tầng cứng'' đợc tạo ra từ những dầm hoặc dàn có chiều cao
bằng độ cao của cả một hoặc hai ba tầng nhà, có độ cứng rất lớn, vơn từ lõi giữa
ra tới hàng cột biên nên đợc gọi là các dầm vơn (outriggers), cũng cải thiện đáng
kể tình hình chịu lực ngang của cao ốc.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
18
Hình 5
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Ngoài giải pháp sử dụng khung sờn chịu lực hoàn toàn bằng thép, nhất là
trong các trờng hợp siêu cao tầng, đối với các loại cao ốc có tầm cao trung bình
(khoảng trên 20 tầng), phơng án đợc dùng nhiều nhất là kết cấu thép-bêtông liên
hợp, vì kết cấu bêtông với cốt thép thông thờng cũng sẽ không hợp lý: hoặc kích
thớc tiết diện cấu kiện quá lớn, hoặc là hàm lợng cốt thép vợt quá giới hạn à
max
trong điều kiện tính toán kết cấu BTCT.
Ưu điểm của kết cấu thép-bêtông liên hợp đã đợc thử nghiệm trong nhiều
nhà cao tầng ở nhiều nớc, cụ thể là:
Nếu so với kết cấu thép, u điểm nổi bật của loại hình kết cấu này là có khả
năng bảo vệ thép chống xâm thực của môi trờng, tăng cờng độ cứng, do đó tăng

khả năng ổn định cho kết cấu thép thanh mảnh và nhất là tăng khả năng chống
cháy nổ cho công trình.
Nếu so với kết cấu BTCT, kết cấu thép-bêtông liên hợp có biến dạng lớn
hơn, do đó chịu các tải trọng ngang tốt hơn, nhất là đối với tác động của địa
chấn. Kết cấu cho phép không sử dụng đà giáo đúc sàn, dễ dàng dùng ván khuôn
trợt trên hệ khung thép để thi công vách và lõi cứng, đẩy nhanh tiến độ xây
dựng.Với kích thớc tiết diện cột khá nhỏ so với kết cấu BTCT, nên hiệu suất sử
dụng mặt bằng các sàn tầng sẽ kinh tế hơn.
III.1. Sàn tầng :
Chiều cao cấu trúc sàn tầng tuỳ theo chiều dày của các lớp cấu tạo từ trên
xuống dới gồm : Lớp lát, tấm sàn BTCT, dầm thép, khoảng trống dành cho các đ-
ờng ống kỹ thuật và cáp điện, dới cùng là trần treo (Hình .6).
Dầm vát
Đ ờng ống có áp
ống kỹ thuật (ống cấp)
ống kỹ thuật (ống thải)
Trần treo
Đèn trần
Hình 6
Nói chung, chiều cao này có thể lớn hơn tấm sàn không dầm BTCT đúc
tại chỗ khoảng 100-200mm (Hình .7). Tuy nhiên, nếu bố trí hợp lý các đờng ống
kỹ thuật trong khoảng trống giữa tấm trần treo và sàn tầng cũng có thể khắc phục
đợc yếu điểm này, đặc biệt là nếu dùng kết cấu liên hợp thép-bê tông. Bản thân
dầm thép còn có thể giảm bớt chiều cao nếu đợc liên kết cứng hoặc liên kết nửa
cứng vào cột, vì mômen âm xuất hiện ở hai đầu dầm sẽ làm giảm mô men dơng
ở giữa nhịp. Cũng có thể dùng thép có cờng độ cao hơn hoặc các loại vật liệu
mới, hiện đại khác.

SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
19

Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************

Riêng bản sàn, nếu chọn quá mỏng, độ cứng chống uốn nhỏ, độ võng của
sàn không bảo đảm, ảnh hởng đến điều kiện sử dụng, khả năng cách âm và mỹ
quan công trình, nhất là gây ra những bất lợi do rung động khi đi lại trên sàn,
đồng thời cũng kém hiệu quả khi toàn bộ kết cấu khung sờn thép chịu tải trọng
ngang. Nếu chọn bản sàn quá dày, không những trọng lợng bản thân tăng mà còn
ảnh hởng trực tiếp đến chiều cao, nền móng và giá thành công trình.
Dầm sàn thép thờng bao gồm các cấu kiện tiền chế tiêu chuẩn, tạo thành
những mạng dầm điển hình hoá với các bớc cột nhất định, phù hợp với công
năng của từng loại cao ốc. Tuy nhiên, kết cấu sàn thép thờng chịu lực theo một
hớng, bởi vậy cần lu ý thiết kế mạng dầm sàn sao cho phù hợp, để tải trọng phân
bố hợp lý và hiệu quả nhất. Ô sàn giữa các cột có dạng hình chữ nhật sẽ có hiệu
quả hơn các ô sàn hình vuông. Dầm chính chịu lực lớn sẽ bố trí theo nhịp ngắn
( theo chiều rộng ). Dầm phụ có nhịp dài, bố trí tơng đối dày, kê vào dầm chính
và bảo đảm cho bản sàn BTCT kề lên có chiều dài nhịp phù hợp (khoảng
2,5ữ3,0m, nh hình .8).
24-30m24-30m 24-30m 24-30m
D
ầ
m

p
h
ụ
Dầm chính
không hiệu quả tốt hơn
Dầm chính

D
ầ
m

p
h
ụ
Hình 8
Cấu tạo của sàn tầng thờng ảnh hởng lớn tới các chỉ tiêu đơn giá của công
trình nhà cao tầng. Do đó, cần nghiên cứu thiết kế tổng thể cả hệ mạng lới dầm
sàn, nhất là chiều dầy toàn bộ của hệ, bảo đảm các yêu cầu kinh tế-kỹ thuật, dựa
trên cơ sở chiều cao tầng nhà quy định, chiều dài nhịp (bớc cột), cách bố trí đờng
ống và các trang bị kỹ thuật, công nghệ thi công ,vì đối với nhà cao tầng, tích
luỹ những gia số về chiều dày cấu tạo hệ dầm sàn của nhiều tầng sẽ là một con
số đáng kể và kéo theo hàng loạt vấn đề về tải trọng ngang (gió, địa chấn ), kích
thớc của những cấu kiện thẳng đứng (cột, vách ), nền móng, khối lợng vật liệu
và giá thành công trình v.v
Hình .9 giới thiệu khái quát về phạm vi chiều dài nhịp của ô sàn (theo
đơn vị dùng ở Hoa Kỳ) tơng ứng với một số dạng loại kết cấu dầm sàn thờng
dùng thép hình cán nóng, loại tiết diện chữ I cánh rộng (hoặc chữ H).
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
20
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Mặt cắt A-A
( tốt hơn )
1
8

"

(
d
ầ
m

g
i
ó
)
18 wf 96
18 wf 96
25' - 8"
2
8
'

-

0
"
25/8" ( sàn tầng )
1' - 6"
Phun phủ phòng cháy
1' - 0" Phần
để bố trí đ ờng ống
Trần giả.3"
fin floor
5/2" ( bê tông )

3
'

-

4
"
8' - 2" ( Chiều cao trần )
1
8

"

(
d
ầ
m

g
i
ó
)
1
8

"

(
d
ầ

m

g
i
ó
)
1
8

"

(
d
ầ
m

g
i
ó
)
Hình 9
Bản thân kết cấu sàn trong khung thép nhà cao tầng cũng rất đa dạng và có
thể phân loại nh sau :
III.1.1/ Sàn thép :
Chiều dài nhịp tốt nhất của sàn thép vào khoảng 3m. Ưu điểm của loại sàn
này là không cần sử dụng côp pha, đà giáo và cây chống. Lớp bêtông đúc tại chỗ
trên mặt sàn thép khá mỏng và không cần cốt thép . Kết cấu sàn nh vậy sẽ tơng
đối nhẹ và cũng có ảnh hởng tích cực đến sự chịu lực của khung sờn và nền
móng công trình. Ngoài ra, cấu kiện sàn thép dễ gia công, vận chuyển, lắp ráp
đơn giản, tốc độ thi công nhanh; phòng hoả tốt, có khả năng chịu lửa đến 2 giờ

không cần bảo vệ đặc biệt và 4 giờ nếu có bọc thêm lớp phòng cháy. Khi thiết kế
sàn loại này tốt nhất là cho lớp bêtông trên mặt cùng chịu lực liên hợp với sàn
thép, loại tấm tôn gấp nếp, để giảm bớt chiều dày và trọng lợng sàn đến mức tối
đa.

III.1.2/ Sàn BTCT lắp ghép :
Các tấm sàn đúc sẵn lắp ghép trong khung thép nhà cao tầng thờng có
nhịp dài tới 6-8m. Nh vậy, số lợng dầm đỡ sẽ giảm đáng kể. Cũng nh loại trên,
sàn lắp ghép không cần đà giáo; thời gian thi công khá nhanh. Tuy nhiên, các
tấm panen sàn khó làm việc liên hợp đợc với dầm thép ở dới. Vì vậy, tính chất
toàn khối của ô sàn cũng bị hạn chế. Do đó, kết cấu sàn thờng nặng nề (hình .
11a). Để giảm bớt khối lợng, tốt nhất là dùng các loại panen rỗng, panen ứng lực
trớc. Cũng có thể dùng kết cấu sàn BTCT bán lắp ghép để nâng cao tính toàn
khối và giảm bớt trọng lợng cẩu lắp của các tấm đúc sẵn (hình.11b) vốn đã đợc
sản xuất hàng loạt trong các bãi đúc hoặc trên bệ căng ứng lực trớc, có điều kiện
công nghiệp hoá cao và sản phẩm đợc kiểm tra chất lợng chặt chẽ.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
21
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Mấu neo
Btct đổ tại chỗ
Tấm đúc sẵnSàn lắp ghép
Vật liệu hoàn thiện
Sàn lắp ghép
Hình 11
III.1.3/ Sàn BTCT đúc tại chỗ:
Ưu điểm của sàn đúc tại chỗ là dễ toàn khối hoá với dầm sàn thép bằng
các mấu neo trong một kết cấu liên hợp, tạo điều kiện giảm bớt chiều cao và

khối lợng thép cho dầm (Hình .12). Trờng hợp chiều dài nhịp bản sàn không lớn,
khi đúc bêtông sàn có thể dùng ván khuôn tháo lắp, gá tựa ngay vào cánh dầm
thép, không cần đà giáo. Muốn cấu tạo bản sàn BTCT có độ dày tối thiểu, cần
chọn lựa khoảng cách hợp lý giữa các dầm thép. Có thể chọn kích thớc sàn và hệ
dầm theo lý thuyết tối u hoá kết cấu, thoả mãn mọi rằng buộc thiết kế, để đạt đợc
các hàm mục tiêu, chẳng hạn, về khối lợng vật liệu thép, hoặc về trọng lợng bản
thân, hoặc gía thành xây lắp là nhỏ nhất.
1
0
0

-

2
0
0

m
m
>
2
0
0
m
m
Thông thờng, để xác định gần đúng có thể tham khảo các số liệu sau:
(Hình .13).
Hình 13
Bản sàn BTCT đúc sẵn, lắp ghép trên dầm thép đơn giản thờng dùng với
nhịp sàn L 11m.

SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
22
Hình 12
0 5 10 15 20
sàn btct đúc sẵn (lg)
sàn thép liên hợp
dầm kê độn
dầm liên hợp
dầm vát, lục lăng
Nhịp (m)
1
2
3
4
5
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Bản sàn thép gấp nếp liên hợp với bê tông đúc tại chỗ có thể dùng trong
phạm vi nhịp khoảng 3m.
Đa số các sàn BTCT làm việc liên hợp với dầm thép thờng có độ cứng uốn
tơng đối lớn, do đó có khả năng chỉ gây ra những dao động với biên độ nhỏ khi
có ngời đi lại trên sàn tầng. Những nghiên cứu gần đây cho thấy các nhịp ngắn L
7,6 m cũng nh nhịp rất dài L 13,7m, các sàn tầng liên hợp thép-bê tông
không gây cảm giác chấn động cho ngời sử dụng bình thờng. Do đó, cần đặc biệt
chú ý với những chiều dài nhịp của bản sàn liên hợp trong phạm vi từ 9,1m đến
10,7m.
III.2. Hệ dầm:
Trong các nhà cao tầng khung sờn thép, thờng hệ dầm sàn đợc cấu tạo bởi
các dầm hoặc dàn thép liên hợp cùng chịu lực với bản sàn BTCT dới dạng các

tiết diện liên hợp chữ T và chủ yếu chịu uốn dới tác dụng của tải trọng thẳng
đứng. Nh vậy, bản sàn BTCT ở phía trên dầm sẽ chịu nén và dầm thép chịu kéo,
phù hợp với bản năng chịu lực của 2 thành phần vật liệu nói trên. Ngoài ra, hệ
liên hợp ở đây còn có khá nhiều u điểm khác, chẳng hạn vợt đợc các nhịp dài,
tạo đợc các khoảng không gian lớn, thông thoáng; giảm đợc chiều dày cấu tạo
của hệ dầm sàn, đẩy nhanh tiến độ thi công; giảm nhẹ đợc khối lợng công trình
tác động trực tiếp đến các vấn đề về nền móng và giá thành xây lắp. Mặt khác,
hệ dầm thép-bê tông liên hợp còn tạo ra các điaphắc nằm ngang có độ cứng khá
lớn, giúp cho công trình cao tầng đợc ổn định tổng thể dới tác dụng của tải trọng
ngang.
Dầm thép và sàn bê tông cốt thép có thể cùng chịu lực trong một kết cấu
liên hợp theo nhiều cách cấu tạo khác nhau.
Sau đây giới thiệu nguyên tắc cấu tạo của một số loại dầm sàn liên hợp
thép-bê tông thờng gặp :
3.2.1/ Dầm thép bọc bê tông ( hình 14a) :
Dầm sàn thép đợc bao bọc hoàn toàn trong bê tông và làm việc liên hợp
phụ thuộc chủ yếu vào sự dính kết trực tiếp do tác động hoá học và ma sát cơ học
giữa thép và bê tông . Dầm đợc phun phủ các lớp vữa xi măng hoặc bả các vật
liệu phòng cháy trớc khi bọc bê tông.
a) b) c) d)
Hình 14
III.2.2/ Dầm thép liên hợp trực tiếp với bản sàn bêtông cốt thép đáy phẳng,
đúc tại chỗ trên dầm :
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
23
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Trờng hợp này dầm thép chỉ liên kết với bản sàn ở mặt cánh trên thông
qua lực dính kết trực tiếp đợc tăng cờng bằng những mấu neo. Có thể dùng các

loại dầm hình, cán nóng, tiết diện chữ I , hoặc ghép tổ hợp từ thép tấm. Vì cánh
trên gần trục trung hoà của tiết diện liên hợp khi chịu uốn, nên hiệu quả nhất vẫn
là sử dụng các loại tiết diện không đối xứng. Một số giải pháp có thể tiết kiệm
vật liệu triệt để hơn nh :
1) Thu nhỏ cánh trên (Hình 14b);
2) Thay đổi cả chiều dày và chiều rộng cánh trên (Hình 14c);
3) Dùng các loại thép cờng độ thấp hơn cho cánh trên ;
4) Dùng thép cán nóng tiết diện chữ T ngợc ( ) hàn với thép tấm tạo thành
cánh trên có chiều rộng nhỏ hơn và bằng loại thép cờng độ thấp hơn (Hình 14d)
v.v
III.2.3/ Dầm thép liên hợp với bản sàn BTCT bán lắp ghép (Hình 15a).
Hệ dầm sàn loại này đợc toàn khối hoá bởi lớp bê tông tơi, liên kết toàn
bộ các dầm thép với bản bê tông lắp ghép. Có thể không cần ván khuôn, vì lớp
bêtông tơi đợc đúc tại chỗ trên mặt và những chỗ giáp nối giữa các bản bêtông
tiền chế, đã lắp sẵn trên dầm. Mặt đỉnh cánh trên của dầm thép cũng bố trí hàng
mấu neo để khắc phục lực cắt trợt giữa các thành phần của dầm sàn.
(a) (b)
Mấu neo
Btct đổ tại chỗ
Tấm đúc sẵn
Mấu neo
Btct đổ tại chỗ
Sàn thép
Mấu neo
Sàn thép
Hình 15
III.2.4/ Dầm thép liên kết với sàn thép và lớp BT đổ tại chỗ (hình 15b).
Cũng nhằm mục đích gia tăng cờng độ và giảm thiểu độ võng cho dầm.
Trờng hợp này các mấu neo đợc hàn lên cánh trên của dầm sau khi xuyên thủng
qua bản thép sàn. Sau đó dùng bêtông loại thờng hoặc bêtông nhẹ đổ trực tiếp

lên sàn thép. ở đây sàn thép vừa có tác dụng nh ván khuôn vĩnh cửu cho bê tông
tơi (có thể cũng không cần cây chống, đà giáo), vừa nh cốt thép chịu kéo của bản
sàn liên hợp. Các đờng gân gấp nếp của tấm sàn thép mỏng, cán hoặc dập nguội,
vừa để tăng cờng cho độ cứng khi đổ bêtông, vừa để bố trí gài móc các tấm trần
treo. Những đờng gấp nếp của tấm thép sàn có thể đặt song song hoặc thẳng góc
với hệ dầm sàn. Từ những năm 60 của thế kỷ 20 cho đến nay, loại ván khuôn
thép cố định, bỏ lại và cho liên hợp chịu lực cùng với bản sàn bêtông nói trên, đã
đợc sử dụng rất phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng, đặc biệt ở Hoa kỳ và Nhật
bản.
Hình 16 giới thiệu quan hệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao của dầm tơng
ứng với các chỉ tiêu khống chế chủ yếu, chẳng hạn chỉ tiêu về chiều cao tối
thiểu, chỉ tiêu về cờng độ, về độ võng, cũng nh về dao động v.v của dầm sàn.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
24
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
c ờng độ
min
0
5
l (m)
10 15 20
dao động
độ võng
500
1000
h (mm)
Chiều cao tối thiểu của dầm nhịp nhỏ ( l < 5m ) thờng liên quan đến kích
thớc cần thiết tối thiểu để đủ đảm bảo bố trí các mối nối liên kết. Nhịp càng lớn,

chiều cao dầm chủ yếu do cờng độ chịu uốn khống chế. Đối với nhịp lớn hơn
nữa ( l > 10m ), để đảm bảo cho dầm sàn ổn định, không bị võng quá hoặc rung
động nhiều khi chịu hoạt tải, thì độ cứng của dầm thờng là nhân tố quyết định
chiều cao của dầm sàn.
Đối với nhịp dới 10ữ12m các dầm I cán nóng ''vạn năng'' thờng đợc dùng
phổ biến vì lý do kinh tế. Tuy nhiên, phạm vi chiều dài nhịp khi sử dụng loại
dầm này còn có thể kéo dài tới 15m.
Đối với các nhịp lớn hơn, dầm tổ hợp tỏ ra rất lợi hại, đặc biệt khi chịu tải
nặng và tổng chiều dày của dầm sàn bị hạn chế.
Các loại dầm thép có tiết diện không thay đổi suốt chiều dài nhịp, tuy cấu
tạo đơn giản, nhng có nhợc điểm là :
+) Cấu kiện thờng thiết kế để chịu mô men lớn nhất ở giữa nhịp, do đó sẽ
thừa khả năng chịu uốn tại hai đầu dầm hoặc ngợc lại;
+) Phải bố trí các đờng ống kỹ thuật ra ngoài phạm vi chiều cao dầm, nếu
không sẽ phải đục lỗ rỗng ở bản bụng, gây nhiều tốn kém khi gia công khoan cắt
và gia cờng miệng lỗ bằng các nẹp bản thép hay thép góc.
Vì vậy đã có nhiều phơng án cấu tạo dầm để giải quyết những tồn tại trên
nh sau :
*/ Dầm vát :
Loại dầm này có thể gia công và tổ hợp từ thép tấm hoặc cắt xén các dầm
hình để thay đổi chiều cao từ trị số lớn nhất ở giữa nhịp đến trị số nhỏ nhất ở 2
đầu. Các đờng ống kĩ thuật và phục vụ trong nhà cao tầng có thể dễ dàng bố trí
gần sát cột. Loại này phù hợp cho các dầm thép chịu lực theo sơ đồ đơn giản,
mômen hai đầu triệt tiêu hoặc khá nhỏ. Nh vậy, có thể gia công chế tạo theo ba
phơng án với các dạng cánh dới khác nhau :
- Dạng cánh dới vát chữ V (Hình 17a);
- Dạng vát hình thang (bụng cá) (Hình 17b);
- Dạng cắt khấc vuông góc với các nẹp gia cờng (Hình 17c).
Cũng có thể gia công theo các đờng cắt khấc nhiều bậc thẳng góc. Những
dầm này có thể dùng hai loại thép trong một tiết diện, trong đó cánh dới dùng

các loại thép có cờng độ cao hơn.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
25
Hình 16
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
a)
b)
c,d)
Hình 17
*/ Dầm hông :
Độ vát của dầm hông ngợc chiều với mái vát của những loại dầm nói trên.
Do đó chiều cao của dầm cũng thay đổi, nhng theo chiều ngợc lại và các đờng
ống kỹ thuật phải bố trí trong phạm vi giữa nhịp. Đó là trờng hợp rất hay gặp
trong các cao ốc văn phòng. Loại này phù hợp với các dầm chịu lực theo sơ đồ
ngàm hai đầu. Chiều dài nhịp tối u của dầm có thể từ 10ữ18m (Hình .18).
l =10m - 18m
Hình 18
*/ Dầm ô rỗng lục lăng ( hoặc bát giác ) :
Dầm thép có thể cải tiến, gia công từ các dầm hình, cắt dọc bản bụng theo
đờng răng ca hình thang, rồi hàn chồng hai nửa dầm đó, nhng lệch đi nửa bớc
răng. Nh vậy sẽ hình thành một loại dầm mới, có các ô rỗng 6 cạnh ở bụng dầm.
Kết quả là đã tăng cờng thêm đợc chiều cao và khả năng chịu uốn của cấu kiện
dầm, đồng thời tạo đợc nhiều khoảng trống, dễ dàng bố trí các đờng ống kỹ thuật
trong phạm vi chiều cao dầm (Hình 19b). Muốn tạo ra đợc những dầm cao hơn,
với ô rỗng lớn hơn, có thể ghép chèn thêm các bản thép nhỏ hình chữ nhật, hàn
đối đầu với các đỉnh răng ca (Hình 19c).
Các loại dầm này thờng hay dùng ở các nớc Châu Âu. Vơng quốc Anh th-
ờng sử dụng những dầm có các ô rỗng đã đợc tiêu chuẩn hoá và điển hình hoá. ở

Hoa Kỳ loại dầm này ít đợc sử dụng vì các lý do về chế tạo phức tạp, giá thành
gia công tăng và trong thực tế những ô rỗng cũng không đủ kích thớc để bố trí
các đờng ống kỹ thuật lớn trong các cao ốc hiện đại. Ngoài ra, những dầm tiêu
chuẩn cỡ lớn thuộc dạng này cũng không đủ chiều dài nhịp để vợt các khẩu độ
rất rộng trong các sàn tầng và đồng thời cũng vẫn lãng phí vật liệu thép hơn so
với các loại dàn kiểu nhẹ.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
26
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
a) b) c)
Hình 19
*/ Dầm kiểu dàn nhẹ :
Trờng hợp dầm sàn cần vợt các nhịp dài hơn, chẳng hạn khi cần ''trốn cột''
đỡ dới, để tạo không gian lớn. Nh vậy, dầm không những có nhịp khá dài mà còn
phải chịu các lực tập trung của những cột tầng trên. Phơng án tốt nhất là sử dụng
dàn thép nhẹ hoặc dầm bê tông ứng lực trớc .
Hình 20 giới thiệu các loại dàn thép nhẹ, liên hợp chịu lực với bản sàn
bêtông cốt thép dùng phổ biến cho nhà cao tầng ở Bắc Mỹ. Để giảm gía thành,
dầm thép đợc thiết kế với các thanh cánh có tiết diện chữ T và thanh bụng là các
cặp thép góc hàn chồng trực tiếp lên bụng thanh cánh, không cần sử dụng bản
mã. Đờng ống kỹ thuật có thể dễ dàng bố trí xuyên qua những khoang rỗng của
dàn nhẹ. Nếu cần có những khoang rộng hơn, có thể bố trí thay thế một hai
khoang tam giác bằng một khoang panen chữ nhật (kiểu Vierendeel) ở khoảng
giữa nhịp dàn. Chiều cao của dàn thép thờng khá lớn, nên các đờng ống kỹ thuật
phục vụ chỉ đợc lắp đặt trong phạm vi chiều cao dàn. Trần treo cũng bố trí trực
tiếp ngay mép dới của dạ dàn thép.
7
8

7
m
m
Đ ờng ống
Thanh bụng
Vách
Cột thép
Thanh cánh
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
27
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************
Hình 20
Các dàn thép thờng đặt cách nhau tơng đối dày, với chiều dài nhịp kinh tế
khoảng trên 9m. Để đảm bảo tính kinh tế, không nên dùng nhiều loại dàn thép
khác nhau trong các sàn tầng, vì cùng một kích cỡ dàn nếu sản suất hàng loạt
trong xởng kết cấu thép mới bảo đảm sử dụng vật liệu, thiết bị máy móc và nhân
công một cách hiệu quả hơn. Các thanh bụng trong dàn nhẹ chủ yếu là những
thanh chéo, cấu tạo thành dàn tam giác. Những thanh đứng chỉ sử dụng khi độ
mảnh tính toán của các thanh cánh chịu nén quá trị số giới hạn. Ngoài ra, có thể
bố trí các khoang chữ nhật không có thanh chéo ở những miền có lực cắt nhỏ,
chẳng hạn ở giữa nhịp dầm (chỗ đó cũng rất phù hợp để bố trí các đờng ống kĩ
thuật trong cao ốc văn phòng). Góc của thanh chéo làm với thanh cánh có thể lấy
khá nhỏ để giảm bớt số lợng thanh chéo cũng nh các mối hàn. Tuy nhiên nếu góc
xiên nhỏ quá, chiều dài thanh sẽ lớn, lực dọc trục trong thanh sẽ tăng, thanh nén
sẽ kém ổn định. Nh vậy, yêu cầu phải cấu tạo thêm bản mã, vừa tăng chi phí gia
công chế tạo, vừa làm hẹp thêm độ rỗng ở bụng dàn, ảnh hởng đến vấn đề bố trí
các đờng ống kỹ thuật. Do đó, chiều dài các khoang dàn chỉ nên lấy gần đúng
bằng hai hoặc ba lần chiều cao.

Tiết diện thanh cánh thờng dùng các loại thép hình (tiết diện chữ T hoặc
thép góc đơn (chữ L); các thanh bụng của dàn nhẹ có thể là một hoặc hai thép
góc, hàn chồng trực tiếp lên bụng thanh cánh.
Các loại tiết diện ống vuông hoặc hai thép góc cũng đợc dùng cho các
thanh cánh của dàn nhịp lớn, nhng đối với nhịp nhỏ thờng ít sử dụng hơn, vì phải
dùng mối nối có bản mã kém hiệu quả. Cánh trên của dàn thép nhẹ thờng liên
kết chặt với sàn BTCT và làm việc trong một tiết diện liên hợp nhờ các mấu neo
(Hình 21).
Hình 21
*/ Hệ dầm ghép chồng :
Những năm 1970, ở các nớc Bắc Mỹ, để vợt qua khẩu độ gian từ 10m đến
14m, ngời ta đã dùng một loại dầm liên hợp đặc biệt, gồm: dầm chữ I cánh rộng
làm thanh cánh dới, đỡ các dầm phụ tiết diện chữ I cánh hẹp đặt cách nhau 3m,
thẳng góc với dầm thanh cánh dới. Giữa các khỏang hở của dầm phụ, lại hàn
thêm các đoạn thép I ngắn, đặt dọc trên thanh cánh dới, tạo ra sự liên tục để đỡ
bản sàn tầng. Toàn bộ hệ dầm sàn này liên hợp chịu lực nh một sàn kiểu dầm
Vierendeel (hình .22). Nhợc điểm của hệ là khi thi công phải dùng cây chống, đà
giáo trớc lúc đổ bê tông sàn tầng, vì thanh cánh bên dới khá yếu khi phải chịu
toàn bộ tĩnh tải của dầm và sàn trớc khi làm việc liên hợp với bản sàn BTCT.
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
28
3000 3000 30003000
Đoạn thép
Thanh d ới
1
1
dầm phụ
thanh cánh d ới
mặt cắt 1 - 1
Dầm chính

Đoạn dầm
Bản sàn
Dầm phụ
Đ ờng ống kỹ thuật Đ ờng ống kỹ thuật
Đề TàI : Trung tâm thơng mại và văn phòng cao cấp
thiết kế kết cấu nhà cao tầng
*****************************

*/ Dầm có điều chỉnh nội lực khi thi công.
Một phơng án khác cũng đã đợc sử dụng cho các nhịp khá lớn là dầm thép
có chiều cao tối thiểu, với mục đích giảm bớt độ cao cấu trúc của sàn tầng, tức là
khoảng không gian giữa dạ trần và mặt sàn tầng trên. Đó cũng là biện pháp có
tác dụng làm giảm thấp toàn bộ chiều cao của toà nhà, do tích luỹ giữa các tầng
(chỉ cần giảm chiều dày mỗi sàn khoảng 10cm thì cao ốc 30 tầng cũng đã giảm
bớt chiều cao đợc 3m, tức là xấp xỉ khoảng một tầng).
Để khắc phục độ võng do tĩnh tải, ngời ta đã tạo ra độ vồng trớc khi đổ bê
tông sàn liên hợp, bằng cách uốn nguội dầm thép cho vồng ngợc ở giữa nhịp,
hoặc kích dầm ở vị trí các thanh chống (bố trí chống xiên hoặc thẳng đứng) tại
sàn tầng dới, sau khi đã hàn cố định hai đầu dầm thép vào cột (Hình 23) :
bản sàn đổ tại chỗ
sau khi xả kích
sàn tầng d ới
dầm
kích ( tăng đơ )
sàn tầng d ới
SVTH : Lê Xuân Tùng . gvhd : gs tskh nguyễn trâm .
29
Hình 22