Quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng theo TCVN

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

1
T
T
H
H
I
I
Ế
Ế
T
T


K
K
Ế
Ế


K
K
Ế
Ế
T
T


C
C

Ấ
Ấ
U
U


B
B
Ê
Ê


T
T
Ô
Ô
N
N
G
G


C
C
Ố
Ố
T
T

T
T
H
H
É
É
P
P




N
N
H
H
À
À


C
C
A
A
O
O


T
T

Ầ
Ầ
N
N
G
G


T
T
H
H
E
E
O
O


T
T
C
C
V
V
N
N


MỤC LỤC
1. GIỚI THIỆU 3

1.1. Mục đích 3
1.2. Tài liệu tham khảo 3
1.3. Các yêu cầu thiết kế nhà cao tầng, cần lưu ý ngay từ đầu 3
2. QUY TRÌNH THIẾT KẾ 6
2.1. Đặc trưng vật liệu 8
2.1.1. Bê tông 8
2.1.2. Thép 9
2.2. Xác định sơ bộ tiết diện 9
2.2.1. Sàn 9
2.2.2. Dầm 12
2.2.3. Cột 13
2.2.4. Vách cứng 14
2.3. Xác định tải trọng 16
2.3.1. Tĩnh tải – DL 16
2.3.2. Hoạt tải – LL 20
2.4. Bài toán dao động riêng MODE SHAPE 20
2.4.1. Các phương pháp xác định tần số dao động riêng 21
2.4.2. Kiểm tra chu kỳ dao động riêng 24
2.4.3. Ảnh hưởng của tần số dao động riêng đến tải trọng động 26
2.4.4. Khai báo Mass source trong quá trình phân tích TSDDR bằng ETABS 27
2.5. Tải trọng gió 30
2.5.1. Gió tĩnh 30
2.5.2. Gió động 31
2.5.3. Tổ hợp tải trọng gió 36
2.6. Tải trọng động đất 36
2.6.1. Những nguyên tắc chỉ đạo trong thiết kế cơ sở 36
2.6.2. Gia tốc nền thiết kế 38
2.6.3. Cấp động đất 40
2.6.4. Các loại đất nền 42
2.6.5. Biểu diễn cơ bản của tác động động đất 44

2.6.6. Các phương pháp mô phỏng tải trọng động đất 44
2.6.7. Tổ hợp các thành phần động đất (mục 4.3.3.5.) 49
2.7. Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị 51
2.7.1. Xác định nội lực 52
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

2
2.7.2.
Tổ hợp tải trọng, nội lực và chuyển vị 52
2.8. Kiểm tra mô hình theo TCXD198-1997 56
2.8.1. Kiểm tra ổn định chống lật 56
2.8.2. Kiểm tra độ cứng 56
2.8.3. Kiểm tra dao động (nên kiểm tra, không thuyết minh) 56

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

3
1. GIỚI THIỆU
1.1. Mục đích
Xây dựng quy trình thiết kế kết cấu nhà cao tầng theo TCVN nhằm phục
vụ cho công tác thiết kế một cách chuyên nghiệp, thống nhất và hiệu quả cao.
1.2. Tài liệu tham khảo
1. TCVN 2737 – 1995: Tiêu chuẩn thiết kế về tải trọng và tác động
2. TCVN 229 – 1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió
theo TCVN 2737-1995
3. TCXDVN 375 – 2006: Thiết kế công trình chịu động đất
4. TCXDVN 356 – 2005: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chu
ẩn
thiết kế
5. TCXDVN 198 – 1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
toàn khối
6. TCXDVN 205 – 1998: Móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế.
7. Ray W.Clough and Joseph Penzien, Dynamic of Structure - McGraw-
Hill,1993.

8. Singiresu S.Rao, Mechanical Vibrations - Addison-Wesley,1990.
9. MonoGraph on Planning and Design of Tall Building-Structural design of
Tall Steel Building - American Society of C.E, 1979.
10. Phan Văn Cúc & Nguyễn Lê Ninh, Tính toán và cấu tạo kháng chấn công
trình nhiều tầng - NXB Khoa học kỹ thuật,1994.
11. Thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996.
1.3. Các yêu cầu thiết kế nhà cao tầng, cần l
ưu ý ngay từ đầu
Phân biệt lãng phí và an toàn trong công trình, đặc biệt là kết cấu
• Lãng phí là quá dư; biết là đủ, nhưng vẫn thêm và thêm tỷ lệ lớn
• An toàn là vừa đủ, đảm bảo an toàn công trình lâu dài.
Thiết kế nhà cao tầng, tất cả các bộ phận kết cấu phải an toàn, đặc biệt
là phần móng
Khi thiết kế, phải dự trù và đề xuất biện pháp thi công, dù giải pháp chưa
đạt, để
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

4
• Có cơ sở lập dự toán, tổng dự toán từ đầu, do những chi phí thiết bị, vật
tư để thi công, cần được tính đúng và đủ; đặc biệt khi chưa có suất đầu
tư chi tiết hoàn chỉnh và tình hình địa chất phức tạp dưới công trình.
• Nói lên tính khả thi của phương án thiết kế
• Có những hướng dẫn cần thiết từ đầu cho các đơn vị
đấu thầu, giám sát,
triển khai thi công, đặc biệt là đối với tầng hầm, nhiều tầng hầm.
Một ví dụ giải pháp “TOP – DOWN”

Nếu còn đất xung quanh, tầng có thể tăng diện tích (vượt khỏi diện tích
khối đế) để tăng diện tích để xe các loại, đủ bố trí hồ nước ngầm, hầm phân
(trong điều kiện Việt Nam) và bộ phận kỹ thuật (điện, nước).

Khi số tầng càng cao, kết cấu thép, kết cấu liên hợp hay bê tông DUL
sẽ
hiệu quả hơn kết cấu BTCT thông thường. Hệ chịu lực của công trình sẽ do
kết cấu quyết định.
Kiến trúc, M-E, Cấp thoát nước và thang máy trong nhà cao tầng là rất
quan trọng, không kém phần kết cấu. Kết cấu ảnh hưởng đến sự bền vững
của công trình, nhưng những thiết kế chuyên ngành khác, phục vụ cho sự tiện
nghi trong sử dụng công trình… là yếu tố đảm bảo thành công trong khai thác.
Quan tâm thêm đến cách bố trí thang máy nhà cao tầng, nhà chọc trời.
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

5
Chế độ bảo trì công trình là một trong những thành phần hồ sơ thiết kế
phải nộp cho chủ đầu tư từ đầu.
Cần quy định rõ phương pháp và tiến độ phải quan trắc chuyển vị của
công trình.
Công trình cao tầng thường là khối lớn, kích thước mỗi cạnh trên mặt
bằng sẽ vượt quá giới hạn cho phép. Do vậy, cần tiên lượng trước giải pháp
về khe lún, khe nhiệt; giải pháp về phân đợt thi công, ngay từ đầu. Phân chia
công trình bằng khe co giãn, khe chống động đất và khe lún khi thiết kế nhà
cao tầng cố gắng điều chỉnh hình dáng và kích thước mặt bằng bởi các giải
pháp kết cấu và thi công để hạ
n chế việc chia cắt này sẽ dẫn đến sự bất lợi
cho kết cấu công trình; thứ nhất: vì tải trọng công trình lớn nên tại hai bên khe
lún cấu tạo móng gặp khó khăn; thứ hai: khi dao động dưới ảnh hưởng của
địa chấn dễ gây ra xô đẩy làm hư hỏng công trình. Việc chia cắt công trình
cần phải được hạn chế, song trong những trường hợp sau đây thì việc chia
cắt cần được ti
ến hành:
♦ Đối với khe co giãn: khe co giãn cần phải bố trí khi kích thước mặt bằng

công trình quá lớn (vượt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn) mà không có
các biện pháp kết cấu và thi công đảm bảo tính an toàn cho công trình.
Đối với nhà cao tầng khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn phụ
thuộc vào hệ kết cấu chịu lực công trình và kết cấu tường ngoài của
công trình. Với hệ kết cấu khung vách BTCT toàn khối nếu tường
ngoài lắp ghép thì khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn là 65m,
n
ếu tường ngoài liền khối thì khoảng cách cho phép là 45m.
♦ Đối với khe lún: Khe lún của các bộ phận công trình chênh lệch nhau có
thể làm cho công trình bị hư hỏng. Những trường hợp sau đây thì không
nên bố trí khe lún:
¾ Công trình tựa trên nền cọc, nền đá hoặc trên các nền được gia
cố đảm bảo độ lún của công trình là không đáng kể.
¾ Với việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiên độ chênh lún giữa các
bộ phận nằm trong giớ
i hạn cho phép.
♦ Đối với khe phòng chống động đất: khe phòng chống động đất được bố
trí tại các công trình được thiết kế chống động đất trong trường hợp:
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

6
¾ Kích thước mặt bằng vượt giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn.
¾ Nhà có tầng lệch tương đối lớn.
¾ Độ cứng và tải trọng của các bộ phận nhà chênh lệch nhau.
Việc tạo khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún cần tuân theo
các nguyên tắc sau:
♦ Các khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún nên bố trí trùng
nhau.
♦ Khe phòng chống động đất nên được bố trí suốt chiều cao của nhà, nếu
trong trường hợp không cần có khe lún thì không nên c

ắt qua móng mà
nên dùng giải pháp gia cố thêm móng tại vị trí khe phòng chống động đất.
♦ Khi công trình được thiết kế chống động đất thì các khe co giãn và khe
lún phải tuân theo yêu cầu của khe phòng chống động đất.
Độ rộng của khe lún và khe phòng chống động đất cần được xem xét căn cứ
vào chuyển vị của đỉnh công trình do chuyển dịch móng sinh ra. Chiều rộng tối
thiểu của khe lún và khe phòng chống động đất được tính theo công thức:
d
min
= V
1
+ V
2
+ 20mm
trong đó: V
1
và V
2
là chuyển dịch ngang cực đại theo phương vuông góc với
khe của hai bộ phận công trình hai bên khe, tại đỉnh của khối kề khe có chiều
cao nhỏ hơn hai khối.
Giảm ảnh hưởng của nhiệt độ và co ngót của bê tông: tăng thép tại nơi
nhạy cảm với nhiệt độ như sàn mái, sàn tầng dưới cùng và tường đầu hồi…
Nếu giải pháp móng sử dụng phương pháp TOP-DOWN, phải dự trù từ
đầ
u, bằng tính toán cụ thể; số lượng tầng sàn thượng tầng tối đa mà mỗi sàn
hầm khi xuống sâu hơn, có thể tiếp nhận được, cho đến khi tầng hầm được thi
công hoàn chỉnh.
Lưu ý quy ước đánh số thứ tự tầng hầm (1, 2, 3…) là đánh từ tầng hầm ở vị
trí trên cùng, trở xuống.

2. QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Đây là lưu đồ nhằm tóm tắt toàn bộ quy trình thiết kế kết cấu BTCT nhà
cao tầng.
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

7
Đ
iều chỉnh thiết kế
Lựa chọn, bố trí kết cấu phù hợp yêu cầu kiến trúc
Chọn phương án kết cấu tổng thể: khung phẳng hay 3D, cột
Xác định sơ bộ tiết diện Define section
- Mác bê tông
- Sàn, dầm, cột, vách
Xác định tải trọng Static load case
- Tĩnh tải: TLBT, hoàn thiện, tường
- Hoạt tải
Bài toán dao động riêng Mode Shape
- Khai báo Mass source
- Kiểm tra chu kỳ dao động đầu tiên T
1

- Kiểm tra dạng dao động Mode shape
Tính toán và nhập tải trọng động Dynamic Load
- Tải trọng gió
- Tải trọng động đất
Tổ hợp tải trọng Load combination
- Tổ hợp kiểm tra chuyển vị, độ võng
- Tổ hợp tính bền
Kiểm tra mô hình tính toán Check model
- Kiểm tra ổn định chống lật

- Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh (độ cứng)
- Kiểm tra gia tốc đỉnh (dao động)
Bài toán thiết kế Design
- Thiết kế sàn, dầm, cột, vách
- Kiểm tra hàm lượng
Triển khai chi tiết
- Triển khai bản vẽ thi công
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

8

2.1. Đặc trưng vật liệu
Cường độ chịu lực, độ bền mỏi, tính biến dạng, khả năng chống cháy.
Mác bê tông ≥ 300 (BTCT thường), ≥ 350 (BTCT ứng lực trước).
Dùng thép cường độ cao, có thể dùng thép hình trong kết cấu hỗn hợp
thép – BTCT.
Trọng lượng kết cấu ảnh hưởng đến tải trọng động đất.

2.1.1. Bê tông
Phân loại bê tông như sau
♦ Bê tông nặng có khối lượng riêng trung bình từ 2200 kg/m
3
đến 2500
kg/m
3
;
♦ Bê tông hạt nhỏ có khối lượng riêng trung bình lớn hơn 1800 kg/m
3
;
♦ Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng;

♦ Bê tông tổ ong chưng áp và không chưng áp;
♦ Bê tông đặc biệt: bê tông tự ứng suất.
Điều 5.1.2.6 (trang 63, TCVN 356-2005), hệ số nở ngang ban đầu của bê
tông
ν
(hệ số Poát-xông) lấy bằng 0,2 đối với tất cả các loại bê tông. Mô đun
trượt của bê tông
G lấy bằng 0,4 giá trị
b
E tương ứng. Giá trị của
b
E cho
trong bảng sau:
B 15 20 22.5 25 27.5 30
M 200 250 300 350 350 400

R
b
8.5 11.5 13 14.5 14.5 17 MPa
R
bt
0.75 0.9 0.975 1.05 1.05 1.2 MPa
E
b
23000 27000 28500 30000 30000 32500 MPa
Điều 5.1.2.1 (trang 63, TCVN 356-2005), hệ số dãn nở nhiệt
bt
α
khi nhiệt
độ thay đổi từ -40°C đến 50°C, tuỳ thuộc vào loại bê tông được lấy như sau:

♦ Đối với bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ và bê tông nhẹ cốt liệu nhỏ loại
đặc chắc:
5
1.0 10
bt
α
−
=×
( 1/
o
C);
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

9
♦ Đối với bê tông nhẹ dùng cốt liệu nhỏ loại rỗng:
5
0.7 10
bt
α
−
=×
( 1/
o
C);
♦ Đối với bê tông tổ ong và bê tông rỗng:
5
0.8 10
bt
α
−

=× ( 1/
o
C).
Trong trường hợp có số liệu về thành phần khoáng chất của cốt liệu, lượng xi
măng mức độ ngậm nước của bê tông, cho phép lấy các giá trị
bt
α
khác nếu
có căn cứ và được các cơ quan có thẩm quyền phê duyệt.
2.1.2. Thép
Loại CI, AI CII, AII
CIII, AIII (∅≥10)

R
s
, R
sn
225 280 365 MPa
R
sw
175 225 290 MPa
E
s
210000 210000 200000 MPa
Ghi chú: 1MPa = 1000 kN/m
2

2.2. Xác định sơ bộ tiết diện
Xác định sơ bộ tiết diện cho các cấu kiện của công trình như sàn, dầm,
cột, vách nhằm phục vụ cho bài toán dao động riêng. Lựa chọn tiết diện phải

thỏa mãn yêu cầu kiến trúc
và đảm bảo điều kiện của chu kỳ dao động.
2.2.1. Sàn
Nhằm thỏa mãn giả thiết kết cấu (dầm) sàn là vách cứng trong mặt
phẳng ngang (diaphragm), nghĩa là có độ cứng tuyệt đối trong mặt phẳng sàn
và mềm (biến dạng được) ngoài mép sàn, của các lý thuyết tính toán nhà cao
tầng hiện nay, dẫn đến chuyển vị ngang ở mỗi cao trình NCT là không đổi.
Sàn càng cứng, chu kỳ dao động và gia tốc dao động sẽ giảm đi,
đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép. Và thông thường, nếu cứ
“chồng” tầng lên, mà mỗi sàn được tính toán như 1 sàn độc lập, khả năng độ
cứng của giả thiết sẽ không đảm bảo tuyệt đối – công trình sẽ “rung, lắc” nhẹ,
cảm nhận được khi có gió mạnh thổi vào.
Nhà cao tầng, cần đặt sẵn những đường ống thiết bị trong nhà, cần tăng
“1 ít” chiều dày sàn.
Sàn DUL, để dễ bố trí cáp, chiều dày sàn lớn, hợp lý, vẫn có lợi.
Sàn nhà ít tầng, thông thường
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

10
(0.35 0.55)
s
d
J
J
=
÷
Sàn nhà cao tầng, nên có
(0.5 0.65)
s
d

J
J
=
÷
trong đó
s
J
là moment quán tính của sàn, ứng với chiều rộng quy ước là
min( )
3
d
a
bb
′
=+
và
2
b


a : nhịp cột (phương gió đang tác dụng và xét đến ảnh hưởng)

b: bước cột (phương trực giao với
a
)

d
b : bề rộng dầm
Kết quả tính toán cho thấy: chiều dày sàn chọn theo những quy định
thông thường của nhà ít tầng, cần được nhân thêm hệ số, xác định theo bảng

Số tầng 12 15 20 25 30 40
Sàn nấm 1.04 1.06 1.10 1.14 1.18 1.26
Sàn dầm 1.04 1.06 1.08 1.11 1.15 1.22

Khả năng chống động đất của công trình, sẽ tăng đôi chút.
Lưu ý: Cốt thép, vẫn phải được tính toán như sàn nhà ít tầng, thông thường.
2.2.1.1. Sàn nấm, sàn phẳng
Thường chọn
11
30 40
s
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

Lưu ý: Khi thực hiện những công trình nhà cao tầng, trong thời gian gần
đây, thường hay sử dụng sàn nấm DUL, không dầm. Khi xây tường ngăn
phòng, sẽ có 2 vấn đề cần quan tâm
• Tường sẽ xây không đúng (vì không có) dầm, tải loại dãy. Cần phân tích
thêm nội lực trong sàn nấm, chịu loại tải này, để tránh nội lực phân bố
không đều, dễ gây nứt sàn, thấy trước.
• Khi xây (hay lắp) tường, nếu không chèn kín khe hở m
ặt trên tường (giáp
sàn), tường mỏng; về lâu dài sẽ xuất hiện khe nứt dọc do co ngót theo
mặt tiếp giáp này, ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường công trình.
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

11

2.2.1.2. Sàn có dầm
Thường chọn
1
11
50 40
s
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠
hoặc
()
12
11
100 80
s
hLL
⎛⎞
=÷ +
⎜⎟
⎝⎠

trong đó
12
;LLlần lượt là chiều dài cạnh ngắn và cạnh dài của ô sàn.
Hàm lượng thép trong sàn
là
max
b

R
s
R
R
μξ
=
trong đó: Các giá trị
;
bs
RRtra theo bảng ở mục 2.1.1 và 2.1.2 (file này)
và
()
,
0,85 0,008 ; ; 1 0,5 .
11
1,1
bR RR R
s
sc u
R
R
ω
ω
ξαξξ
ω
σ
=− = =−
⎛⎞
+−
⎜⎟

⎝⎠

Các hệ số trên được xác định theo bảng tra sau (trích từ phụ lục E trang
245 – TCVN356 – 2005)


HÖ sè
®
iÒu kiÖn
lµm viÖc
cña bª
t«ng γ
b2

Nhãm cèt
thÐp chÞu
kÐo
Ký hiÖu
B12,5 B15 B20 B25 B30 B35 B40
0,9 BÊt kú
ω

0,796 0,789 0,767 0,746 0,728 0,710 0,692

R
ξ

0,662 0,654 0,628 0,604 0,583 0,564 0,544

CIII, A-III

(∅ 10–40)
vµ Bp-I (∅
4; 5)
R
α

0,443 0,440 0,431 0,421 0,413 0,405 0,396
CII, A-II
R
ξ

0,689 0,681 0,656 0,632 0,612 0,592 0,573

R
α

0,452 0,449 0,441 0,432 0,425 0,417 0,409
CI, A-I
R
ξ

0,708 0,700 0,675 0,651 0,631 0,612 0,593

R
α

0,457 0,455 0,447 0,439 0,432 0,425 0,417
1,0 BÊt kú
ω

0,790 0,782 0,758 0,734 0,714 0,694 0,674

R
ξ

0,628 0,619 0,590 0,563 0,541 0,519 0,498

CIII, A-III
(∅ 10–40)
vµ Bp-I (∅
4,5)
R
α

0,431 0,427 0,416 0,405 0,395 0,384 0,374
CII, A-II
R
ξ

0,660 0,650 0,623 0,595 0,573 0,552 0,530

R
α

0,442 0,439 0,429 0,418 0,409 0,399 0,390
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

12
HÖ sè
®

iÒu kiÖn
lµm viÖc
cña bª
t«ng γ
b2

Nhãm cèt
thÐp chÞu
kÐo
Ký hiÖu
B12,5 B15 B20 B25 B30 B35 B40
CI, A-I
R
ξ

0,682 0,673 0,645 0,618 0,596 0,575 0,553

R
α

0,449 0,446 0,437 0,427 0,419 0,410 0,400
1,1 BÊt kú
ω

0,784 0,775 0,749 0,722 0,700 0,808 0,810

R
ξ

0,621 0,611 0,580 0,550 0,526 0,650 0,652

CIII, A-III
(∅ 10–40)
vµ Bp-I (∅
4,5)
R
α

0,428 0,424 0,412 0,399 0,388 0,439 0,440
CII, A-II
R
ξ

0,653 0,642 0,612 0,582 0,558 0,681 0,683

R
α

0,440 0,436 0,425 0,413 0,402 0,449 0,450
CI, A-I
R
ξ

0,675 0,665 0,635 0,605 0,582 0,703 0,705

R
α

0,447 0,444 0,433 0,422 0,412 0,456 0,456

2.2.2. Dầm
Đối với các dầm thông thường h>b:
12
33
bh
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

• 1 nhịp:
11
12 10
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

• Nhiều nhịp:
11
18 12
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

• Console:
11

64
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

Lưu ý Trường hợp dầm bẹt h<b
Khi chiều cao tầng cần hạn chế lại, chiều cao dầm sẽ thường không đạt
tỷ lệ bình thường, sẽ có
11
20 14
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠
và ngược lại, chiều rộng dầm sẽ tăng.
BTCT thường, vẫn xử lý được tình huống này.
Hàm lượng thép trong dầm
là
max
b
R
s
R
R
μξ
=
(xem mục 2.2.1.2)

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

13

Hàm lượng thép trong dầm hợp lý
(1 1.5)%
μ
=
÷ .
2.2.3. Cột
Kích thước tiết diện cột thường chọn theo diện tích truyền tải từ dầm
(sàn) lên, phân đều theo các phương, mỗi tầng. Trên cơ sở đó, xác định được
lực nén và từ lực nén (có gia tăng hệ số để xét thêm ảnh hưởng của Moment),
sẽ tính được tiết diện cột (vuông, chữ nhật, tròn…). Về nguyên tắc, khi truyền
tải không đổi theo chiều cao thì theo “Tính toán tiết diện cộ
t BTCT” – GS
Nguyễn Đình Cống – NXB xây dựng –Hà Nội 2006 / trang 21
s
s
N
mqF
=

trong đó
s
F
diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét

s
m là số sàn phía trên tiết diện đang xét (kể cả sàn mái)

q là tải trọng tương đương tính trên mỗi mét vuông sàn, trong đó
gồm tải trọng thường xuyên và tạm thời trên bản sàn, trọng lượng dầm,
tường, cột đem tính ra phân bố đều trên sàn. Giá trị q được lấy theo kinh
nghiệm thiết kế
♦
Với nhà có bề dày sàn là bé (10cm -> 14cm) kể cả các lớp cấu tạo mặt
sàn), có ít tường, kích thước của dầm và cột thuộc loại bé,
(10 14)q =÷
kN/m
2
(11.4÷ T/m
2
)

♦
Với nhà có bề dày sàn trung bình (15cm -> 20cm), tường, dầm và cột là
trung bình hoặc lớn,
(15 18)q
=
÷ kN/m
2
(
1.5 1.8
÷
T/m
2
)

♦
Với nhà có bề dày sàn khá lớn (trên 25cm), dầm và cột đều lớn, q có thể

đến 20 kN/m
2
(2T/m
2
) hoặc hơn nữa.

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

14
Kích thước tiết diện cột
0
A
được tính
0
t
b
kN
A
R
=

t
k là hệ số xét ảnh hưởng khác như Moment uốn, hàm lượng cốt thép,
độ mảnh của cột. Xét sự ảnh hưởng này, theo sự phân tích và kinh nghiệm
của người thiết kế, khi ảnh hưởng của moment là lớn, độ mảnh cột lớn (l
0
lớn)
thì lấy
t
k lớn 1.3 1.5

t
k
=
÷ (cột biên và cột góc). Khi ảnh hưởng của moment là
bé, thì lấy
1.1 1.2
t
k =÷ (cột giữa).
Trong trường hợp thiết kế kết cấu chịu động đất thì kích thước của cột
tuân theo điều kiện hạn chế về tỉ số nén trang 72, mục 5.1.2 TCVN375-2006
0
1
0.1
c
bt
N
n
RA k
==>
(rõ ràng với
c
n thì phải tăng
t
k lên)
Tổng hàm lượng thép dọc trong cột
• Kết cấu thường:
max
5%
μ
=

• Có xét động đất:
max
4%
μ
=


Tiết diện cột có nên thay đổi hay không???
Kiến nghị
Cột biên và cột góc không thay đổi tiết diện(ảnh hưởng lớn của moment).
Cột giữa
thì thay đổi theo các quan điểm: độ cứng của cột tầng trên
không nhỏ hơn 70% độ cứng của cột tầng dưới liền kề. Nếu 3 tầng giảm độ
cứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50% (mục 2.5.4 - TCXD198-
1997).
2.2.4. Vách cứng
Vách cứng được định nghĩa trong mục 5.1.2 trang 72 TCVN375-2006
có
tiết diện với
4
w
w
l
b
≥ (trong đó,
w
l là chiều dài vách, còn
w
b là bề rộng vách)

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

15
Không tính, khi số tầng không lớn, không cần vách mà nên thay bằng cột.
Xin nhắc lại, theo Taranath B.S, đối với nhà cao tầng chịu lực bằng BTCT

Sơ bộ xác định diện tích vách cứng
0.015
wall
F
S
=
× , trong đó S là diện
tích một sàn tầng.(mục 3.4
TCXD 198-1997).
Chiều dày vách cứng
150thk ≥ mm. Nếu “an tâm”, chịu lãng phí, chiều
dày tối thiểu của vách (lõi) cứng sẽ là
• khi vách không tham gia chịu lực:
11
25 22
thk H
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

• khi vách tham gia chịu lực:
11
20 15

thk H
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠
, với H là chiều cao tầng
Tổng
hàm lượng thép dọc trong vách tại mục 3.4.2 – TCXD 198-1997
• Thép thẳng đứng:
max
3.5%
μ
=
;
min
0.4%
μ
=
(động đất yếu);
min
0.6%
μ
=

(động đất trung bình và mạnh).
• Thép ngang:
min
0.25%
μ
= (động đất yếu);

min
0.4%
μ
=
(động đất trung
bình và mạnh); (không áp dụng
min
1
3
μ
=
hàm lượng thép dọc).
Theo TCVN375-2006, vách kép
gồm hai hay nhiều các vách đơn, được
liên kết một cách đều đặn bằng các dầm có độ dẻo kết cấu thích hợp (“dầm
liên kết”), có khả năng làm giảm được ít nhất 25% tổng moment uốn ở chân
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

16
đế của các vách riêng rẽ nếu làm việc tách rời nhau.(mục 5.1.2 trang 72
TCVN375-2006).

Thực tế, thang máy
có tải không lớn; vận tốc có lớn thì cũng không ảnh
hưởng đến sức chịu tải của nhà cao tầng. Tải xung của thang, trong cấu tạo
hiện nay, sẽ truyền đều dần lên hệ chịu lực quanh thang. Do vậy, nếu vách, lõi
cứng được bố trí quanh thang máy là quá tốt.
2.3. Xác định tải trọng
Tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng hiện nay bao gồm:
- TĨNH TẢI – DL

- HOẠT T
ẢI – LL
- GIÓ – W
- ĐỘNG ĐẤT – E
2.3.1. Tĩnh tải – DL
Tĩnh tải bao gồm
- Trọng lượng bản thân
- Tải trọng lớp hoàn thiện
- Tải trọng tường
2.3.1.1. Trọng lượng bản thân
Phần mềm ETABS tự tính theo công thức sau
- Dầm, cột:
bt
gnbh
γ
=
- Sàn, vách:
bt b
gnh
γ
=
trong đó
;bh là các kích thước của dầm cột, còn
b
h là bề dày của sàn,
vách (nhập trong phần Define Frame sections và Wall/Slab sections)

2.5
γ
=

T/m
3
, nhập trong Define material (Weight per unit volume)

1.1=n ; nhập trong phần Define Static load cases (Self Weight
multiplier). (hệ số vượt tải trong phần tổ hợp).
2.3.1.2. Tải trọng các lớp cấu tạo sàn (hoàn thiện)
Chiều dày của các lớp cấu tạo sàn căn cứ vào bản vẽ kiến trúc; hệ thống
kỹ thuật đường ống, thiết bị điện, hệ thống lạnh căn cứ vào bản vẽ M&E; hệ
số tin cậy căn cứ theo TCVN 2737 – 1995. Tùy thuộ
c vào công năng sử dụng
của từng ô sàn, tĩnh tải sàn được chia làm các loại tải trọng như sau:
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

17
Báng 1: Sàn văn phòng căn hộ
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số

n
Tính toán
(kN/m
2
)
Lớp gạch lát nền 1 20 0.2 1.1 0.22
Lớp vữa lót gạch 4 18 0.72 1.3 0.936
Lớp vữa trát trần 1.5 18 0.27 1.3 0.351
Hệ thống kỹ thuật 0.300 1.1 0.330
Tổng tĩnh tải sàn
1.490 1.837
Báng 2: Sàn phòng họp, siêu thị
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng
γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m

2
)
Lớp gạch lát nền 1 20 0.200 1.1 0.220
Lớp vữa lót gạch 4 18 0.720 1.3 0.936
Lớp vữa trát trần 1.5 18 0.360 1.3 0.468
Hệ thống kỹ thuật 0.500 1.1 0.550
Tổng tĩnh tải sàn
1.690 2.057
Báng 3: Sàn khu vệ sinh
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng
γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m
2
)
Lớp gạch lát nền 2 20 0.4 1.1 0.44

Lớp vữa lót, chống
thấm tạo dốc
5 18 0.9 1.3 1.17
Lớp vữa trát trần 1.5 18 0.27 1.3 0.351
Hệ thống kỹ thuật 0.3 1.1 0.33
Tổng tĩnh tải sàn
1.87 2.291

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

18
Báng 4: Cầu thang
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m
2

)
Lớp đá granit 2 27 0.54 1.1 0.594
Lớp vữa lót 3 18 0.54 1.3 0.702
Lớp vữa trát 1.5 18 0.27 1.3 0.351
Bậc thang đổ BT 10 25 2.50 1.1 2.750
Tổng tĩnh tải sàn
3.85 4.397
Báng 5: Sàn mái sân thượng
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m
2
)
Lớp gạch chống
nóng
3 22 0.660 1.2 0.792

Lớp vữa lót tạo dốc 3 18 0.540 1.3 0.702
Lớp chống thấm 3 22 0.660 1.2 0.792
Lớp vữa trát trần 1.5 18 0.270 1.3 0.351
Hệ thống kỹ thuật 0.300 1.1 0.330
Tổng tĩnh tải sàn
2.430 2.967
Báng 6: Sàn đáy hồ nước ngầm
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m
2
)
Lớp gạch lát 2 20 0.440 1.1 0.484
Lớp vữa lót - lớp
chống thấm
5 16 0.900 1.3 1.170

Tổng tĩnh tải sàn
1.340 1.654
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

19
2.3.1.3. Tải trọng tường gạch, kính nhôm
Tải trọng tường gạch xây đặc
tiêu chuẩn ngắn gọn theo công thức sau
- Gạch 100mm:
100
1.8
t
gH=
(kN/m) (hệ số vượt tải n=1.1)
- Gạch 200mm:
200
3.3
t
gH= (kN/m)
trong đó
H
là chiều cao tường gạch tính từ cao trình sàn tầng dưới tới mép
dưới của dầm hoặc sàn tầng trên.
Trong trường hợp, tường có cửa sổ hoặc cửa đi
thì có thể tính toán
nhanh như sau (không cần tính toán chi tiết)
rong dac
tt
ggn
=

×
trong đó
n là hệ số được tính theo bảng sau

Hệ số n
Loại
1 cửa
(sổ/đi)
2 cửa
(sổ+đi)
Tường 100 0.9 0.8
Tường 200 0.8 0.7
Tải trọng kính khung nhôm – thép được cho như bảng sau
Cửa kính khung
nhôm - thép
Chiều dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ
(kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m

2
)
Kính + nhôm (thép) - - 1.0 1.1 1.1

Ghi chú
Khi tải (tường, hồ nước inox…) đặt trực tiếp trên sàn
, không nên quy đổi
tải trọng lên toàn bộ ô sàn, mà mô phỏng bằng dầm ảo, sàn ảo (NONE)
.
Tải trọng cầu thang, bể nước, ramp
được quy đổi thành tải trọng tập
trung hoặc phân bố để nhập vào kết cấu mà nó tác dụng lên.







TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

20
2.3.2. Hoạt tải – LL

2.4. Bài toán dao động riêng MODE SHAPE
Khi công trình chịu tác dụng của tải trọng động, nó sẽ thực hiện các
chuyển động. Nếu các chuyển động của công trình được lặp lại trong một
khoảng thời gian nào đó thì chuyển động đó được gọi là dao động.

Phương trình dao động chủ đạo của hệ kết cấu nhiều bậc tự do như sau

[]
[
]
[
]
() () () ()
M
Xt CXt KXt Pt++ =
 

trong đó:
[][][]
;;
M
CK lần lượt là ma trận khối lượng, cản và độ cứng
STT Công năng sử dụng Hoạt tải tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Hoạt tải tính toán
(kN/m
2
)
1
Sàn văn phòng, phòng
học, bệnh viện …
2.00 1.2
2.4

2 Sàn nhà ở, KTX, chung cư 1.50 1.3
1.95
3 Sàn vệ sinh 2.0 1.2
2.4
4 Cầu thang 3.0 -> 4.0 1.2
3.6 -> 4.8
5 Hành lang 3.0 1.2
3.6
6 Ban công 3.0 -> 4.0 1.2
3.6 -> 4.8
7 Tầng hầm – ram dốc 5.0 1.2
6.0
8 Sàn kỹ thuật 7.5 1.2
9.0
9 Sàn café – sân vườn 4.0 1.2
4.8
Sàn nhà kho sách lưu trữ 4.8 /1m cao 1.2
5.76
Sàn nhà kho sách thư viện 2.4/1m cao 1.2
2.88
Sàn nhà kho giấy 4.0/1m cao 1.2
4.8
10
Sàn nhà kho lạnh 5.0/1m cao 1.2
6.0
11
Sàn mái bằng BTCT có sử
dụng
3.0 1.2
3.6

12
Sàn mái bằng BTCT
không sử dụng
0.75 1.3
0.975
13 Sàn mái tole, ngói 0.30 1.3
0.39
14 Sàn nắp tầng hầm 10 1.2
12
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

21
(); (); (); ()Xt Xt Xt Pt
 
lần lượt là vectơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị và
tải trọng nút.
Tần số góc
ω
được xác định theo phương trình sau
[
]
[
]
() () 0MXt KXt
+
=


Hệ có n bậc tự do thì sẽ có n tần số dao động riêng. Quan hệ giữa chu kỳ
dao động riêng

T ; tần số dao động riêng
f
và tần số góc
ω
được biểu diễn
21
;2Tf
T
π
πω
ω
=
==
Tần số dao động riêng (TSDĐR) của hệ kết cấu phụ thuộc vào
• Khối lượng
[
]
M
của hệ (khối lượng tăng thì TSDĐR giảm và ngược lại)
• Khối lượng
[
]
K của hệ (khối lượng tăng thì TSDĐR tăng và ngược lại).
Đối với công trình xây dựng, TSDĐR còn phụ thuộc
• Loại đất dưới chân công trình
• Khả năng giảm chấn của công trình.
2.4.1. Các phương pháp xác định tần số dao động riêng
Nếu xét trên phương diện thực tế tính toán, thiết kế có thể dùng các cách
sau để xác định TSDĐR của công trình như sau
2.4.1.1. Dùng các công thức thực nghiệm, gần đúng trong tiêu chuẩn, tài liệu

chuyên môn
Căn cứ vào số tầng nhà, dạng kết cấu và dạng nền (TCXD229-1999)
TN
α
=

trong đó
N là số tầng nhà

α
là hệ số phụ thuộc vào kết cấu và dạng nền: đối với nền móng
có biến dạng trung bình thì
• 0.064
α
= nếu nhà là khung BTCT toàn khối
• 0.08
α
= nếu nhà là khung thép chèn gạch hoặc bê tông nhẹ.


TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

22
Căn cứ kích thước của nhà và dạng kết cấu (TCXD229-1999)
.
H
T
D
μ
=

trong đó H là chiều cao công trình tính bằng (m)

D
là bề rộng mặt đón gió tính bằng (m)

μ
hệ số phụ thuộc dạng kết cấu
• 0.09
μ
= nếu nhà bằng BTCT
•
0.1
μ
=
nếu nhà bằng thép.
Đối với công trình có khối lượng phân bố đều, khối lượng không đổi
(TCXD229-1999), công thức giải tích xác định TSDĐR như sau
2
2
.
2
i
i
EJ h
f
Hm
α
π
=
trong đó

m là khối lượng tập trung mỗi tầng (kN)

EJ là độ cứng chống uốn công trình (kN/m
2
)

H
là chiều cao công trình tính bằng (m)
h là chiều cao mỗi tầng tính bằng (m)
1,2,3
1.875; 4.694; 7.86
α
= ứng với các tần số
123
;;
f
ff.
2.4.1.2. Dùng phần mềm tính toán kết cấu (SAP2000, ETABS…)
Có hai phương pháp
• Sử dụng khối lượng tập trung (Lumped Mass): kết quả gần chính xác
trong các trường hợp kết cấu có các vật nặng đặt sẵn tại các nút.
• Sử dụng khối lượng tương thích (Consistent Mass): kết quả sẽ chính xác
nếu các dạng dao động thực có thể biểu diễn dưới dạng hàm
[]
N
. Tuy
nhiên, các hàm dạng này thường là các hàm dạng khi phân tích tĩnh
nên sự phân bố theo cách này cũng chỉ là gần đúng. Mặc dù vậy, dùng
phương pháp Consistent Mass vẫn đáp ứng được yêu cầu chính xác
hầu hết các bài toán thực tế (Ray W.Clough and Joseph Penzien,

Dynamic of Structure - McGraw-Hill,1993 và Singiresu S.Rao,
Mechanical Vibrations - Addison-Wesley,1990).

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

23
Khảo sát các cách tính TSDĐR thông qua ví dụ sau: Tính TSDĐR của
công trình 25 tầng bằng BTCT cao 100m, mỗi tầng 4m. Mặt bằng kích thước
56mx28m, tiết diện kết cấu chính như sau dầm 1000x700; sàn 200; cột
1000x1000 và vách 500
mÆt b»ng t Çng ®iÓn h×nh

Theo công thức thực nghiệm
100
. 0.09 1.2
56
H
Ts
D
μ
== =
Theo công thức giải tích
2
2
.
2
i
i
EJ h
f

Hm
α
π
=
thay các giá trị
19290m = (kN);
10
3.33 10EJ =×(kN/m
2
); 100H = (m); 4h
=
(m);
1,2,3
1.875; 4.694; 7.86
α
= vào được
123
0.145; 0.911; 2.555fff
=
==(Hz)
Dùng phần mềm SAP
• Sử dụng khối lượng tập trung (Lumped Mass): theo phương y
123
7.75 ; 2.13 ; 1.05TsTsTs===
• Sử dụng khối lượng tương thích (Consistent Mass): theo phương y
123
2.77 ; 0.75 ; 0.36TsTsTs===.

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

24
Bảng so sánh kết quả các cách tính TSDĐR
Tần số dao động công trình
Phương pháp xác định
1
f
(Hz)

2
f
(Hz)
3
f
(Hz)
Công thức thực nghiệm 0.83
Công thức giải tích 0.14 0.9 2.56
Khối lượng tập trung 0.12 0.46 0.95
Phần mềm SAP
Khối lượng tương thích 0.36 1.33 2.77
Từ bảng trên, nhận thấy rằng các phương pháp xác định TSDĐR khác
nhau cho kết quả khác nhau và chênh lệch rất lớn
. Đây chính là điều đặc biệt
cần lưu ý khi xác định TSDĐR của công trình cao tầng.
2.4.2. Kiểm tra chu kỳ dao động riêng
Thực tế TSDĐR của công trình nhỏ hơn so với tính toán lý thuyết:
• Độ cứng thực tế của công trình nhỏ hơn so với lý thuyết vì sự đơn giản
hóa trong quá trình tính toán và công trình xuất hiện vết nứt trong quá
trình sử dụng.
• Liên kết giữa đất và công trình thực tế không phải là liên kết ngàm vì nền
đất có biến dạng (Phan Văn Cúc & Nguyễn Lê Ninh, Tính toán và cấu

tạo kháng chấn công trình nhiều tầng - NXB Khoa học kỹ thuật,1994).
Khoảng biến thiên của chu kỳ dao động riêng của công trình cao tầng
thông thường (MonoGraph on Planning and Design of Tall Building-Structural
design of Tall Steel Building - American Society of C.E, 1979 và Thiết kế và thi
công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996):
(
)
1
0.04 0.1TN=÷ ;
21
11
53
TT
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠
;
31
11
75
TT
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠


trong đó
N

là số tầng của công trình.

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

25
Theo tài liệu Trung Quốc, phương pháp tải trọng ngang giả
10
1.7T
α
=
Δ
trong đó
Δ (m) là chuyển vị ngang nhà khi lấy trọng lượng G
j
các tầng làm
lực ngang tập trung tại các mức sàn

0
α
(m) là hệ số giảm chu kỳ do ảnh hưởng của tường gạch chèn

Theo TCXD 375-2006
, khi nhà cao H <40m, công thức 4.6 trang 49
3
4
1
t
TCH=

Với kết cấu có vách cứng,

t
C được lấy như sau
0.075
t
c
C
A
= ; với
2
0.2
wi
ci
l
AA
H
⎛⎞
=×+
⎜⎟
⎝⎠
∑

trong đó
c
A
(m
2
) là tổng diện tích hữu hiệu các vách cứng ở tầng đầu tiên

i
A

(m
2
) là diện tích tiết diện ngang hữu hiệu vách cứng thứ i theo
hướng đang xét ở tầng đầu tiên.

wi
l (m) là chiều dài vách cứng ở tầng đầu tiên theo hướng song
song lực tác động, với
0.9
wi
l
H
≤

Theo TCXD 375-2006
, một cách khác, công thức 4.9 trang 50
1
2Td=
trong đó
d (m) là chuyển vị đàn hồi tại đỉnh nhà do các lực trọng trường
tác dụng theo phương ngang gây ra.