Tính toán kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động của động đất theo TCXDVN 3752006

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ xây dựng
Trờng đại học kiến trúc H nội





nguyễn tất tâm





tính toán kết cấu nh cao tầng bê tông
cốt thép Có TầNG CứNG chịu TáC Động của
động đất theo tcxdvn 375 - 2006





luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp







Hà nội - 2010

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ xây dựng
Trờng đại học kiến trúc H nội




nguyễn tất tâm
khóa: 2007 - 2010. Lớp: ch2007x



tính toán kết cấu nh cao tầng bê tông
cốt thép Có TầNG CứNG chịu TáC Động của
động đất theo tcxdvn 375 - 2006



luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
M số: 60.58.20


ngời hớng dẫn khoa học:
p
p
g
g
s
s
.

.
T
T
s
s
.
.


n
n
g
g
u
u
y
y
ễ
ễ
n
n


t
t
i
i
ế
ế
n

n


c
c
h
h


ơ
ơ
n
n
g
g







Hà nội - 2010

lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện Luận văn này, tác giả đợc ngời hớng dẫn khoa
học là Thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Tiến Chơng tận tình giúp đỡ, hớng dẫn cũng
nh tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn của mình. Qua đây, tác
giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy!

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô giáo, các Cán bộ của khoa
Đào tạo Sau đại học, thuộc Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ dẫn
trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện
tốt nhất cho tác giả học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những ngời bạn đã luôn
nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành tốt Luận văn này.
Do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và trình độ của tác giả có hạn, mặc
dù đã hết sức cố gắng nhng trong Luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót, tác
giả rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn
đồng nghiệp để Luận văn hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010
Tác giả Luận văn


Nguyễn Tất Tâm









lời cam đoan

Tên tôi là: Nguyễn Tất Tâm
Sinh ngày: 01 - 01 - 1979
Nơi sinh: Thạch Linh, Thạch Hà, Hà Tĩnh

Nơi công tác: Khoa Xây dựng, Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội
Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành Xây dựng công trình dân
dụng và công nghiệp với đề tài: " Tính toán kết cấu Nhà cao tầng Bê tông cốt thép
có tầng cứng chịu tác động của Động đất theo tcxdvn 375 - 2006" là Luận văn
do cá nhân tôi thực hiện. Các kết quả tính toán các Mô hình tuân thủ Tiêu chuẩn
Xây dựng hiện hành. Kết quả tính toán này không sao chép bất kỳ tài liệu nào khác.
Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010
Ngời cam đoan


Nguyễn Tất Tâm








1
Mục lục

Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Trang
Mục lục 1
Mở đầu 4
Chơng 1. Kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép và một số
giải pháp hạn chế chuyển vị ngang 7
1.1. Lịch sử phát triển nhà cao tầng 7

1.1.1. Nguyên nhân xuất hiện Nhà cao tầng 7
1.1.2. Định nghĩa và Phân loại Nhà cao tầng 7
1.1.3. Lịch sử phát triển nhà cao tầng 8
1.2. Các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng. Nguyên tắc bố trí
kết cấu chịu tải trọng ngang 9
1.2.1. Các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng 9
1.2.2. Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng 10
1.2.3. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang 11
1.3. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản 12
1.3.1. Hệ khung chịu lực (I) 12
1.3.2. Hệ tờng chịu lực (II) 14
1.3.3. Hệ lõi chịu lực (III) 15
1.3.4. Hệ hộp chịu lực (IV) 17
1.4. Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp 19
1.4.1. Hệ khung - giằng 19
1.4.2. Hệ khung - vách 21
1.4.3. Hệ khung - lõi 22
1.4.4. Hệ khung - vách - lõi 22
1.4.5. Hệ hộp - lõi 23


2
1.5. Các hệ kết cấu đặc biệt 23
1.5.1. Kết cấu có hệ dầm truyền 23
1.5.2. Kết cấu có tầng cứng và các ví dụ 25
Chơng 2. ảnh hởng của tầng cứng đến khả năng chịu tải
trọng ngang của kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép. ví
dụ tính toán 29
2.1. Sự làm việc của kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng 29
2.1.1. Kết cấu Nhà cao tầng có tầng cứng 29

2.1.2. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng ở đỉnh (x = 0; z = L) 30
2.1.3. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng cách đỉnh 0,25.L (x = 0,25.L; z =
0,75.L) 31
2.1.4. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng cách đỉnh 0,5.L (x = 0,5.L; z =
0,5.L) 33
2.1.5. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng cách đỉnh 0,75L (x = 0,75.L; z =
0,25.L) 34
2.1.6. Tính toán vị trí tối u cho tầng cứng trong Nhà cao tầng có 1 tầng cứng35
2.1.7. Tính toán vị trí tối u cho các tầng cứng trong Nhà cao tầng có 2 tầng
cứng 38
2.2. Ví dụ về công trình đã xây dựng 43
2.3. Ví dụ tính toán 44
2.3.1. Mô tả 44
2.3.2. Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình 44
2.3.3. Các trờng hợp tính toán 45
2.3.4. Kết quả tính toán 46
2.4. Nhận xét 53
Chơng 3. Kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng
cứng chịu tác động động đất. Các ví dụ tính toán 54
3.1. Các phơng pháp tính toán tác động của động đất 54
3.1.1. Phân loại theo tính chất tác động động đất lên công trình 54


3
3.1.2. Phân loại theo các đặc tính làm việc của Hệ kết cấu chịu lực của công
trình xây dựng 54
3.2. Phơng pháp Tĩnh lực ngang tơng đơng 54
3.3. Phơng pháp Phổ phản ứng 55
3.4. Tiêu chuẩn TCXDVN 375: 2006 55
3.4.1. Phơng pháp phân tích tĩnh lực ngang tơng đơng 58

3.4.2. Phơng pháp Phân tích phổ phản ứng dạng dao động 59
3.4.3. Tổ hợp các hệ quả của các thành phần tác động động đất 59
3.5. Tính toán Kết cấu Nhà cao tầng Bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động
động đất 60
3.5.1. Tính toán mô hình MH9 chịu động đất theo TCXDVN 375: 2006 61
3.5.2. Các kết quả tính toán và các Bảng so sánh 64
3.6. Tính toán vị trí tối u của tầng cứng thứ hai khi tầng cứng thứ nhất bố trí cố
định tại đỉnh công trình 83
3.6.1. Các mô hình tính toán 83
3.6.2. Kết quả tính toán 84
Kết luận và kiến nghị 87
Tài liệu tham khảo 88
Phụ lục PL1 đến PL15



4

Mở đầu
Lý do chọn đề tài
Bớc sang thế kỷ 21, việc đô thị hoá và xây dựng nhà cao tầng đang là vấn đề
thời sự nóng bỏng của nớc ta. Khi thiết kế những công trình cao tầng, ngoài các
loại tải trọng thông thờng, đòi hỏi ngời làm công tác t vấn thiết kế phải xem xét
kỹ lỡng đến sự tác động của động đất lên công trình.
Động đất thực sự là một thảm hoạ của thiên nhiên đối với sự sống của con
ngời trên trái đất, tuy nhiên không phải tất cả các công trình đều bị phá huỷ sau
động đất mà ta vẫn có thể nghiên cứu, xây dựng đợc những công trình có khả năng
chống động đất ở những cấp độ nào đó.
Để tăng độ cứng khi chịu tải trọng ngang cho công trình, các nhà cao tầng
thờng đợc bố trí thêm tầng cứng (có thể kết hợp làm tầng kỹ thuật). Là một ngời

đang làm công tác nghiên cứu và giảng dạy, tôi chọn nghiên cứu đề tài mà cho đến
nay mới chỉ đợc xem xét chủ yếu qua bài toán tải trọng tĩnh, còn bài toán tải trọng
động thì các nghiên cứu còn hạn chế. Ngoài ra, các nghiên cứu về vị trí tối u của
tầng cứng để chuyển vị đỉnh công trình khi chịu động đất là nhỏ nhất cũng cha đầy
đủ.
Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 375 - 2006 đề ra phơng pháp tính
toán công trình chịu động đất theo Phổ phản ứng, qua đề tài của mình tôi muốn tìm
hiểu các kết cấu Nhà cao tầng có tầng cứng khi chịu tác động động đất và tìm hiểu
vị trí tối u của tầng cứng.
Mục đích của đề tài
- Tìm hiểu các dạng kết cấu Nhà cao tầng, các phơng pháp hạn chế chuyển
vị ngang khi chịu tải gió bão, động đất.
- Tìm hiểu vị trí tối u của tầng cứng trong Nhà cao tầng có một tầng cứng,
có hai tầng cứng khi chịu tải trọng ngang tĩnh.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết kháng chấn, các phơng pháp xác định tải trọng
động đất tác động lên kết cấu công trình. Dựa theo Tiêu chuẩn TCXDVN 375-2006
về thiết kế công trình động đất và các tài liệu, Tiêu chuẩn nớc ngoài liên quan để
tìm hiểu ph
ơng pháp Phổ phản ứng áp dụng trong thiết kế.

5
- Xem xét ảnh hởng của tầng cứng đến công trình khi chịu tác động động
đất.
- Đề xuất vị trí tối u của tầng cứng trong Nhà cao tầng có tầng cứng khi
chịu tác động của động đất.
- Tập hợp các kết quả tính toán, từ đó đánh giá đợc ảnh hởng của vị trí
tầng cứng đến nhà cao tầng khi chịu tác động động đất.
Đối tợng nghiên cứu
- Hồ sơ thiết kế các công trình nhà cao tầng Bê tông cốt thép có tầng cứng,
đợc xây dựng trong và ngoài nớc. Nghiên cứu các công trình đã xây dựng và đang

thiết kế.
- Mô hình hóa các dạng kết cấu nhà cao tầng bằng phơng pháp phần tử hữu
hạn xác định vị trí tối u của tầng cứng cho công trình có tầng cứng chịu tải trọng
ngang tĩnh và động đất.
Phạm vi nghiên cứu
- Các công trình nhà cao tầng, kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực có
tầng cứng.
- Vị trí tối u của tầng cứng trong nhà cao tầng có một tầng cứng, nhà cao
tầng có hai tầng cứng chịu tải trọng ngang tĩnh.
- Phơng pháp phổ phản ứng trong tính toán nhà cao tầng chịu tác động động
đất.
- Vị trí tối u của tầng cứng trong nhà cao tầng có một tầng cứng, nhà cao
tầng có hai tầng cứng chịu tác động động đất.
Phơng pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết tính toán tác động của động đất lên công trình theo các
phơng pháp khác nhau.
- Tìm hiểu lý thuyết tính toán tác động của động đất theo Phổ phản ứng trong
TCXDVN 375 - 2006.
- Phân tích, tính toán các dạng dao động riêng, chu kỳ, biên độ và tải trọng
động đất tác động lên Nhà cao tầng có tầng cứng bằng phơng pháp phần tử hữu
hạn.

6
- So sánh, tổng hợp và rút ra nhận xét, kết luận.
ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- ý nghĩa khoa học: Bài toán tìm vị trí tối u của các tầng cứng trong nhà cao
tầng khi chịu tải trọng ngang tĩnh (tải gió) và Bài toán tìm vị trí tối u của các tầng
cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng ngang động (động đất) là các bài toán
khác nhau. Bài toán tìm vị trí tối u của tầng cứng khi chịu tải trọng ngang tĩnh thì
đơn giản hơn, có thể tính toán bằng thủ công (nếu chấp nhận một số giả thiết tính

toán), hoặc sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn. Còn Bài toán tìm vị trí tối u của
tầng cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng động đất thì phức tạp hơn nhiều, chủ
yếu phải sử dụng phần mềm máy tính và phải tính toán qua nhiều trờng hợp. Vậy
nếu kết quả tính theo Bài toán tĩnh mà áp dụng đợc cho Bài toán động thì sẽ rất
thuận lợi cho các công trình khi tính toán vị trí tối u của tầng cứng.
- ý nghĩa thực tiễn: Biện pháp hạn chế chuyển vị ngang của Nhà cao tầng khi
chịu tải trọng ngang là một biện pháp hữu hiệu, an toàn, ít tốn kém; các tầng đợc
bố trí thêm hệ kết cấu tăng cứng (vách, dàn, ) có thể kết hợp làm tầng Kỹ thuật
cho tòa nhà. Việc tìm vị trí tối u để giảm tối thiểu chuyển vị ngang khi tải trọng
gió, động đất tác động lên công trình nhằm tăng vai trò của các tầng cứng; giúp các
Kỹ s kết cấu, Kiến trúc s có định hớng trong bố trí tầng cứng (tầng kỹ thuật) cho
các công trình nhà cao tầng. Ngoài ra, xét ý nghĩa thời sự thì trong những năm gần
đây tại Việt Nam xuất hiện nhiều công trình nhà cao tầng, một số công trình có
chiều cao đến 345m 70 tầng (Keangnam Hanoi Landmark Tower); 262,5 m 68
tầng (Trung tâm tài chính Bitexco); 195 m 65 tầng (Hanoi City Complex), các tổ
hợp chung c 70 tầng (Khu đô thị An Khánh), có sử dụng tầng cứng để hạn chế
chuyển vị đỉnh cho thấy ý nghĩa rất thực tiễn của đề tài.


7
Chơng 1.
Kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép và một số giải pháp
hạn chế chuyển vị ngang
1.1 Lịch sử phát triển nhà cao tầng
1.1.1. Nguyên nhân xuất hiện Nhà cao tầng [5]
Sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội dẫn đến tại một số đô thị trên thế giới
dân số ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thơng
mại, khách sạn, tăng lên đáng kể, trong khi quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng
làm giá đất tăng lên. Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều
văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đẩy phát triển kinh tế, giảm chi phí

vận hành Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển của Nhà cao tầng.
1.1.2. Định nghĩa và Phân loại Nhà cao tầng
Định nghĩa [10]: Theo ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: Ngôi nhà mà chiều cao
của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với
các ngôi nhà thông thờng đợc gọi là Nhà cao tầng. Có thể định nghĩa theo cách
khác: Nhà cao tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hởng tới ý đồ và cách
thức thiết kế.
Phân loại:
Phân loại theo mục đích sử dụng:
- Nhà ở
- Nhà làm việc và các dịch vụ khác.
- Khách sạn.
Phân loại theo hình dạng:
- Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, tam giác, vuông, đa giác đều cạnh, trong đó
giao thông theo phơng đứng tập trung vào một khu vực duy nhất.
- Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo
phơng thẳng đứng.
Phân loại theo chiều cao nhà:
- Nhà cao tầng loại 1: 09 16 tầng (cao nhất 50m)

8
- Nhà cao tầng loại 2: 17 25 tầng (cao nhất 75m)
- Nhà cao tầng loại 3: 26 40 tầng (cao nhất 100m)
- Nhà cao tầng loại 4: 40 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng)
Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:
- Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép
- Nhà cao tầng bằng thép
- Nhà cao tầng có kết cấu tổ hợp bằng Bê tông cốt thép và thép.
Các nớc trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà có cách
phân loại khác nhau. Hiện nay ở nớc ta đang có xu hớng theo sự phân loại của ủy

ban Nhà cao tầng Quốc tế.
Về mặt kết cấu, một công trình đợc định nghĩa là 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 sự thống nhất chung nào về định nghĩa Nhà
cao tầng nhng có một ranh giới đợc đa số các Kỹ s kết cấu chấp nhận, đó là từ
nhà thấp tầng sang Nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân
tích động học khi nhà chịu tải gió, động đất, tức là vấn đề dao động và ổn định
nói chung.
Thách thức đối với các Kỹ s kết cấu hiện nay là các công trình Nhà cao tầng
ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với các Nhà cao tầng trong quá khứ.
Các nghiên cứu trên thế giới cũng khẳng định xu hớng này trong tơng lai, thông
qua các kết quả so sánh cho thấy các công trình có độ mảnh cao đồng thời cũng
mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
1.1.3. Lịch sử phát triển nhà cao tầng
Từ đầu thế kỉ XX, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật (nh công nghệ
vật liệu, công nghệ chế tạo máy ) đã đa thế giới vào một cuộc chạy đua xây dựng
các công trình chọc trời. Do vậy Nhà cao tầng xuất hiện và trở thành biểu tợng cho
sự phồn thịnh và phát triển mà điển hình là sự phát triển ở Mỹ: năm 1913 cao ốc
Woolworth xuất hiện (chiều cao 241m); năm 1930 cao ốc Crystler trở thành công
trình cao nhất với chiều cao 319m nhng chỉ sau vài tháng đã bị đánh bại bởi State
Emprire Building cao 344m (102 tầng). Kỷ lục này chỉ giữ đợc đến khi World

9
Trade Center ra đời cao 381m (110 tầng). ở Châu á xu hớng phát triển này cũng
bắt đầu từ những năm 70 mà điển hình là Bank of China Tower HongKong cao
269m (70 tầng); Jin Mao Tower ShangHai cao 421m (86 tầng); Petronas Tower
Malaysia cao 450m (95 tầng)
ở Việt Nam trong những năm gần đây số lợng nhà có số tầng từ 20 trở lên
tăng rất nhanh: SaiGon Plaza 33 tầng, Hanoi Tower 25 tầng, Vetcombank Tower 22
tầng, Khách sạn Melia 22 tầng, KĐT Trung Hòa 34 tầng, Chung c Sông Đà ở

Km10 Nguyễn Trãi 34 tầng; Keangnam Hanoi Landmark Tower 345m (70 tầng),
Trung tâm tài chính Bitexco 262,5m (68 tầng), Hanoi City Complex 195m (65
tầng)
Sự phát triển của nhà cao tầng tạo điều kiện cho sự phát triển các hệ kết cấu chịu
lực đặc biệt là các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang.

1.2. Các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng [10]. Nguyên
tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang
1.2.1. Các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng
Các cấu kiện chịu lực cơ bản bao gồm:
- Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm
- Cấu kiện dạng phẳng: tấm đặc hoặc tấm có lỗ
- Hệ lới thanh dạng dàn phẳng: tấm sàn phẳng hoặc có sờn.
- Cấu kiện không gian: lõi cứng, lới hộp đợc tạo thành bằng cách liên kết
các cấu kiện phẳng hoặc các thanh lại với nhau.
Các hệ kết cấu chịu lực:
Khái niệm: hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu của công
trình nhận các tải trọng và truyền xuống đất nền, chúng tạo thành từ một hay nhiều
loại cấu kiện cơ bản ở trên.
Các hệ kết cấu chịu lực đợc chia thành 2 nhóm:
- Nhóm các hệ cơ bản: hệ khung (I), hệ tờng (II), hệ lõi (III), hệ hộp (IV).
- Nhóm các hệ hỗn hợp tạo thành từ sự kết hợp hai hay nhiều hệ cơ bản trên.

10

Hình 1.1 Các hệ hỗn hợp trong Nhà cao tầng [10]

Một số dạng thờng gặp của Hệ hỗn hợp: Hệ khung - tờng (I-II); Hệ khung
lõi (I-III); Hệ khung hộp (I-IV); Hệ hộp lõi (III-IV); Hệ tờng hộp (II-IV),
Nh vậy, về mặt lý thuyết số lợng các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng là
rất lớn. Sau đây ta chỉ giới thiệu các hệ kết cấu phổ biến nhất hiện nay cho các công
trình xây dựng.
1.2.2. Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng
Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng có hai sơ đồ chính, bao gồm:
Sơ đồ giằng: khung chỉ chịu tải trọng đứng còn toàn bộ tải trọng ngang do vách
cứng chịu. Nút khung có thể cấu tạo khớp hoặc độ cứng chống uốn của cột bé vô
cùng.
Sơ đồ khung - giằng: hệ khung chịu cả tải trọng đứng và ngang, nút khung phải
là nút cứng.

11
Nhận thấy: tất cả các hệ chịu lực cơ bản và hỗn hợp tạo thành từ các tờng, lõi
và hộp chịu lực đều thuộc sơ đồ giằng. Hệ khung chịu lực đợc xếp vào sơ đồ khung
- giằng.

Hình 1.2 Các sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng [10]
a). Sơ đồ giằng b). Sơ đồ khung - giằng

1.2.3. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang [4]
Dới tác dụng của tải trọng ngang trong công trình có thể xuất hiện ba dạng
nội lực chính: mômen uốn, lực cắt ngang, mômen xoắn (xuất hiện khi tải trọng
ngang đặt lệch với tâm cứng của công trình).
Do sự bố trí của hệ kết cấu, đặc biệt là bố trí trên mặt bằng, mà các nội lực này
đợc phân phối cho các kết cấu thành phần khác nhau. Chính vì vậy việc bố trí kết
cấu trên mặt bằng sao cho phù hợp là hết sức quan trọng.
Để có thể bố trí một cách hợp lý, trớc hết phải thấy đợc ảnh hởng của các
nội lực lên các kết cấu:
Đối với mômen uốn: các kết cấu vuông góc với mặt phẳng uốn và cách xa trục
uốn có xu hớng chịu tải trọng lớn, nhất là các kết cấu ở biên. Ngoài ra các kết cấu
nằm trong mặt phẳng uốn có mômen quán tính lớn cũng có tác dụng chống uốn theo
phơng đó tốt. Bởi vậy, để tăng khả năng chống uốn do tải trong ngang gây ra, nên
bố trí các kết cấu có tiết diện ngang lớn ra càng ra gần biên vuông góc với mặt
phẳng uốn càng tốt và bố trí một số kết cấu có kích thớc theo phơng mặt phẳng
uốn đợc kéo dài. Đồng thời liên kết các hệ kết cấu biên thành một hệ liên tục để có
độ cứng chống uốn tổng thể cao.

12
Đối với lực cắt ngang: các kết cấu có diện tích tiết diện ngang lớn, kết cấu càng
nằm ở tâm công trình có khả năng phải tiếp nhận tải trọng lớn. Các kết cấu có dạng

dải sẽ phát sinh ứng suất tập lớn ở giữa dải. Do đó, khi công trình phải chịu lực cắt
lớn thờng cấu tạo các kết cấu dạng tổ hợp để có tiết diện ngang lớn, các kết cấu
dạng dải theo phơng của tải trọng ngang. Bên cạnh đó theo phơng mặt phẳng
thẳng đứng cấu tạo các hệ liên kết để tăng khả năng chịu cắt.
Đối với mômen xoắn: trớc hết cần bố trí sao cho xuất hiện mômen xoắn càng
nhỏ càng tốt. Muốn vậy trên mặt bằng, các kết cấu thành phần cần phải bố trí sao
cho càng đối xứng càng tốt, tâm cứng của toàn bộ hệ kết cấu càng gần với tâm khối
lợng, và điểm đặt của hợp lực tải trọng ngang. Trên suốt chiều cao công trình cần
hạn chế sự thay đổi độ cứng cục bộ để hạn chế sự phát sinh các mômen xoắn phụ
giữa các phần của công trình. Mômen xoắn tác dụng vào hệ kết cấu sẽ đợc phân
thành những cặp ứng lực cắt ngợc chiều trong các kết cấu thành phần. Trong
trờng hợp này các kết cấu biên thờng tiếp nhận ứng lực cắt rất lớn. Vì vậy, để chịu
mômen xoắn thờng cấu tạo các kết cấu cứng ở biên và các kết cấu có khả năng
kháng xoắn lớn nh các kết cấu có dạng không gian kín, kết cấu hộpNgoài ra còn
có thể tăng khả năng chịu xoắn tổng thể của cả công trình bằng cách liên kết hệ kết
cấu biên theo phơng đứng thành khối không gian.

1.3. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản [10]
1.3.1. Hệ khung chịu lực (I)
Hệ này đợc tạo thành từ các thanh thẳng đứng (cột) và ngang (dầm) liên kết
cứng tại các chỗ giao nhau giữa chúng (nút). ở nhà khung, các khung phẳng lại liên
kết với nhau qua các thanh ngang tạo thành khối khung không gian có mặt bằng
hình vuông, chữ nhật, tròn, đa giác (Hình 1.3). Khoảng cách giữa các cột thờng từ
4-8m, khoảng cách giữa các dầm bằng chiều cao tầng (2,8-4m).





13

Hình 1.3 Nhà có Hệ khung chịu lực [10]

Hệ kết cấu khung sử dụng hiệu quả cho công trình có không gian lớn, bố trí
nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại công trình. Tuy nhiên Hệ khung có khả
năng chịu cắt theo phơng ngang kém, ngoài ra hệ thống dầm thờng có chiều cao
lớn nên ảnh hởng đến không gian sử dụng và làm tăng độ cao của công trình.











Hình 1.4 Tháp Bảo tàng The Museum Tower, Los Angeles [22]
(a) Tổng thể công trình; (b) Hệ kết cấu chịu lực

14
Chiều cao nhà thích hợp cho Kết cấu BTCT là không quá 30 tầng. Nếu trong

vùng có động đất từ cấp 8 trở lên thì chiều cao khung phải giảm xuống. Chiều cao
tối đa của ngôi nhà còn phụ thuộc vào số bớc cột, độ lớn các bớc, tỷ lệ chiều cao
và chiều rộng nhà.
Hình 1.4 mô tả công trình The Museum Tower ở Los Angeles cao 73m (22
tầng) sử dụng kết cấu bê tông cốt thép với hệ kết cấu chịu lực là hệ khung không
gian bớc cột 3,96m chiều cao tầng 2,7m.

1.3.2. Hệ tờng chịu lực (II)
Là một hệ tấm tờng phẳng vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng, vừa là hệ
thống chịu tải trọng ngang và là tờng ngăn giữa các phòng. Căn cứ vào cách bố trí
các tấm tờng chịu tải trọng thẳng đứng chia làm 3 sơ đồ:
- Tờng dọc chịu lực.
- Tờng ngang chịu lực.
- Tờng dọc và ngang cùng chịu lực.
Hình 1.5 Hệ tờng chịu lực [10]

Trong các nhà mà tờng chịu lực chỉ đặt theo một phơng, sự ổn định của công
trình theo phơng vuông góc đợc đảm bảo nhờ các vách cứng. Nh vậy, vách cứng
đợc hiểu theo nghĩa là các tấm tờng thiết kế để chịu tải trọng ngang. Trong thực
tế, đối với nhà cao tầng, tải trọng ngang bao giờ cũng chiếm u thế nên các tấm
tờng chịu lực đợc thiết kế để vừa chịu tải trọng ngang vừa chịu tải trọng đứng. Các
tấm tờng đợc làm bằng BTCT có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt nên đợc gọi
là vách cứng.
Để đảm bảo độ cứng không gian cho công trình nên bố trí vách cứng theo cả
hai phơng dọc và ngang nhà. Số lợng vách theo mỗi phơng xác định theo khả
năng chịu tải trọng theo phơng đó. Ngoài ra, vách cứng cũng nên bố trí sao cho
công trình không bị xoắn khi chịu tải trọng ngang.

15
Tải trọng ngang đợc truyền đến các tấm tờng chịu tải thông qua hệ các bản

sàn đợc xem là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng. Do đó các vách cứng
làm việc nh những dầm công xon có chiều cao tiết diện lớn. Khả năng chịu tải của
các vách cứng phụ thuộc nhiều vào hình dáng và kích thớc tiết diện ngang của nó.
Các vách cứng thờng bị giảm yếu do có các lỗ cửa, số lợng, vị trí, kích thớc lỗ
cửa ảnh hởng quyết định đến khả năng làm việc của chúng.
- Các vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phơng ngang
lớn.
- Khả năng chịu động đất tốt: kết quả nghiên cứu thiệt hại do các trận động đất
lớn gây ra, ví dụ trận động đất vào tháng 2 năm 1971 ở California (Hoa Kỳ), tháng
12 năm 1972 ở Nicaragua, năm 1977 ở Rumania cho thấy rằng: các công trình có
vách cứng bị h hỏng tơng đối nhẹ, trong khi các công trình có kết cấu khung bị h
hỏng nặng hoặc sụp đổ.
- Hệ vách cứng có trọng lợng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất
tác động lên công trình có giá trị lớn. Đây là đặc điểm bất lợi cho công trình thiết kế
chịu động đất.
- Hệ kết cấu này thích hợp cho các công trình mà có không gian bị ngăn chia
bên trong nh nhà ở, khách sạn, bệnh viện và cho các công trình có chiều cao
dới 40 tầng.
1.3.3. Hệ lõi chịu lực (III)
Lõi có dạng vỏ hộp rỗng tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tác
dụng lên công trình và truyền xuống đất nền. Lõi có thể xem là sự kết hợp của nhiều
tấm tờng theo các phơng khác nhau. Trong lõi có thể bố trí hệ thống kỹ thuật,
thang bộ, thang máy Sau đây là một số cách bố trí thông dụng.
- Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác (kín hoặc hở).
Hình 1.6 Hình dạng các Vách cứng [10]

Các đặc điểm cơ bản của Hệ tờng chịu lực:

16
- Nhà có một lõi hoặc hai lõi

- Lõi nằm trong nhà hoặc theo chu vi nhà hoặc có một phần nằm ngoài.
Hình 1.7 Hệ lõi chịu lực [10]

Trờng hợp nhà có nhiều lõi cứng thì chúng đợc đặt xa nhau và các sàn đợc
tựa lên hệ thống dầm lớn liên kết với các lõi. Các lõi cứng đợc bố trí trên mặt bằng
















Hình 1.8 Tháp Miglin - Beiler, Chicago [22]
nhà sao cho tâm cứng của công trình trùng với trọng tâm của nó để tránh bị xoắn khi
dao động.



17
Lõi cứng làm việc nh một consol lớn ngàm vào mặt móng công trình, lõi có
tiết diện kín, hở hoàn toàn hoặc nửa hở, tuy nhiên thực tế lõi cứng thờng có tiết

diện hở hoặc nửa hở.
Đây là hệ kết cấu đợc sử dụng khá phổ biến, có thể sử dụng cho những công
trình có số tầng lên đến 60-70 tầng.
Hình 1.8 mô tả công trình The Miglin-Beiler Tower ở Chicago (Hoa Kỳ) có
phần kết cấu thân không kể tháp thép ở trên cao 443,2m sử dụng hệ kết cấu lõi chịu
lực, trong đó ở giữa công trình đặt một lõi bê tông cốt thép chịu lực chính có bề dày
giảm dần từ 0,91m đến 0,46m, ngoài ra xung quanh đợc bố trí thêm một số cột
thép rỗng nhồi bê tông và một số dàn thép ở biên để tăng độ cứng tổng thể.
1.3.4. Hệ hộp chịu lực (IV)
Xuất phát từ sự phát triển của vật liệu bê tông cốt thép, nhiều công trình có
chiều cao lớn đã đợc xây dựng. Sau một thời gian thực tế đã chứng minh rằng với
những công trình quá cao (trên 30 tầng) thì việc sử dụng hệ kết cấu khung là không
kinh tế do kích thớc của dầm và cột quá lớn ảnh hởng nhiều đến không gian sử
dụng, kết cấu móng. Nếu sử dụng các hệ vách, lõi ở bên trong công trình thì thờng
công trình không đủ độ cứng, độ ổn định tổng thể cần thiết. Từ đó hệ kết cấu hộp
xuất hiện nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra cho công trình siêu cao tầng.
Hệ kết cấu gồm các cột đặt dày đặc trên toàn bộ chu vi công trình đợc liên
kết với nhau nhờ hệ thống dầm ngang gọi là kết cấu hộp (còn gọi là kết cấu ống).
Hệ hộp chịu tất cả tải trọng đứng và tải trọng ngang. Các bản sàn đợc gối lên
các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tờng ngoài mà không cần các kết cấu
trung gian khác bên trong. Khi các cột đặt tha nhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ
khung, khi các cột đặt kề nhau và hệ dầm có độ cứng lớn thì dới tác dụng của tải
trọng ngang kết cấu làm việc nh một consol. Trong thực tế, khoảng cách giữa các
cột biên đặt theo một mức độ cho phép cho nên kết cấu ống, thực chất nằm trung
gian giữa sơ đồ biến dạng consol và sơ đồ khung.
Các giải pháp kết cấu cho vỏ hộp:
- Dùng các lới ô vuông tạo thành từ các cột đặt cách nhau ở khoảng cách bé
với các dầm ngang có chiều cao lớn. Hệ kết cấu này rất phù hợp với bản chất toàn

18

khối của kết cấu bê tông cốt thép. Tuỳ thuộc vào chiều cao và kích thớc mặt bằng
công trình mà khoảng cách giữa các cột có thể từ 1,5m đến 4,5m, chiều cao của dầm
từ 0,6 đến 1,2m. Dùng cho nhà cao từ 40-60 tầng.
- Dùng lới không gian với các thanh chéo: tạo thành lới ô vuông từ cột và
dầm, tạo thành ô lới quả trám có hoặc không có thanh ngang. Dùng cho nhà có
chiều cao cực lớn trên 80 tầng. Tác dụng của thanh chéo: làm tăng độ cứng ngang và
chống xoắn của công trình, khắc phục tính biến dạng của dầm ngang. Các thanh
chéo không chỉ tạo ra một hệ giàn phẳng mà còn hoạt động tơng hỗ với các giàn
trong mặt phẳng vuông góc tạo thành hình chữ X giữa các cột góc trên mặt đứng.












ới những công trình cao
chọc trời dạng tháp (Tower).
Hình 1.10 mô tả công trình JinMao Tower ở Thợng Hải cao 421m (87 tầng)
sử dụng hệ kết cấu hộp giàn không gian, trong đó giữa nhà bố trí một lõi bê tông cốt
thép bề dày giảm dần từ 0,84m đến 0,46m, và một hệ giàn thép bao bên ngoài công
trình liên kết các hệ cột ở biên.


Hình 1.9 Hệ hộp chịu lực [10]

Nhìn chung hệ hộp là hệ kết cấu đợc sử dụng chính v

19













(b) Mặt bằng


(a) Mặt đứng

Hình 1.10 Tháp JinMao, Thợng Hải [22]

1.4. Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp [7]
1.4.1. Hệ khung giằng
Để tăng độ cứng ngang của khung, có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một số
nhịp trên suốt chiều cao của nó. Phần kết cấu dạng dàn đợc tạo thành sẽ làm việc
nh một vách cứng thẳng đứng, cột và dầm làm việc nh các phần tử chịu uốn còn
các thanh giằng chịu lực theo phơng dọc trục.

Sự tham gia chịu lực của hệ giằng chéo không chỉ làm giảm momen, lực cắt
trong cột mà còn làm tăng độ cứng theo phơng ngang của công trình một cách
đáng kể. Nhợc điểm của hệ kết cấu khung giằng là sự cản trở của hệ giằng chéo
đến công năng sử dụng của ngôi nhà, xét về chịu lực thì hệ giằng có dạng chữ X là
hệ quả nhất; tuy nhiên trong thực tế có thể dùng một số loại giằng khác mặc dù




20
không hệ quả bằng hệ chữ X, nhng u điểm của những hệ này là trên các ô đặt
giằng có thể mở cửa sổ, cửa đi

Hình 1.11 Một số dạng giằng xiên trong NCT [7]

Nếu thiết kế thêm các dàn ngang ở tầng trên cùng hoặc tầng trung gian liên kết
các bộ phận khung còn lại với các dàn đứng này thì hiệu qủa chịu tải trọng của hệ sẽ
tăng thêm đến 30%.


Hình 1.12 Nhà có Vách cứng dạng dàn [10]

21
Dới tác dụng của tải trọng ngang, các dàn ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực
dọc giữa các cột khung, cản trở chuyển vị xoay của cả hệ và làm giảm mômen uốn ở
phần dới khung.
1.4.2. Hệ khung vách
Kết cấu khung có độ cứng chống uốn tốt nhng độ cứng chống cắt kém, còn
kết cấu vách có độ cứng chống cắt tốt nhng độ cứng chống uốn kém. Khi chịu tải
trọng ngang khung có xu hớng chịu biến dạng do cắt còn vách cứng có xu hớng

chịu biến dạng do uốn nên hai hệ này sẽ bổ sung cho nhau khi chịu uốn cắt đồng
thời, do vậy:
- Các vách cứng thờng đợc bố trí thành các dạng tổ hợp chữ C, I để tăng khả
năng chống uốn.
- Kéo dài các vách theo phơng mặt phẳng uốn.
- Bố trí các vách phẳng sao cho tâm cứng của hệ vách trùng với tâm đặt tải
trọng và hạn chế bố trí nhiều hơn 3 vách đồng quy (vì giảm khả năng chống xoắn).
- Đa các khung và một số vách phẳng ra biên để chịu lực cắt và mômen xoắn.















Hình 1.13 Mặt bằng tầng điển hình của công trình có hệ KC khung - vách [22]