kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép

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]



22
1.4.3. Hệ khung lõi
Trong hệ kết hợp này khi tải trọng ngang tác dụng hầu nh đợc truyền vào hệ
lõi cứng còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó,
do vậy khi bố trí hệ kết cấu cần chú ý:
- Bố trí tâm cứng của hệ lõi càng gần với tâm đặt tải trọng càng tốt để hạn chế
gây mômen xoắn.
- Bố trí chu vi của hệ lõi càng lớn càng tốt để tăng khả năng ổn định tổng thể.
- Đa các hệ khung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của khung và
hình thành nên hệ khối không gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu
xoắn của công trình.
1.4.4. Hệ khung vách lõi
Đây là một hệ kết hợp khá phổ biến và hiệu quả cao trong kết cấu NCT.

khung - vách - lõi [22]

Khi bố trí hệ kết cấu khung vách lõi cần chú ý:
- Bố trí các hệ lõi đối xứng ở tâm nhà để tăng khả năng chịu uốn .
Hình 1.14. Mặt bằng tầng điển hình của công trình sử dụng hệ kết cấu

23
- Bố trí các vách phẳng kết hợp với hệ khung phẳng ở biên để vừa chịu uốn vừa
chịu cắt đồng thời tăng khả năng chống xoắn.
1.4.5. Hệ hộp lõi
Hệ hỗn hợp này đợc sử dụng ở những công trình có chiều cao lớn, mặt bằng
rộng. Khi đó hệ lõi đợc bố trí ở giữa nhà để chịu tải trọng đứng và một phần
mômen uốn và lực cắt còn hệ hộp đóng vai trò chính để chịu uốn, cắt, xoắn do tải
trọng ngang gây ra. Hình 1.15 mô tả công trình sử dụng hệ kết cấu hộp - lõi không
gian có liên kết theo phơng đờng chéo (bằng cách chèn cứng khoảng trống giữa
cột và dầm của hệ hộp biên theo phơng đờng chéo).

a). Mặt đứng
Hình 1.15 Công trình sử dụng hệ kết hợp hộp lõi [22]

1.5. Các hệ kết cấu đặc biệt [7]
1.5.1. Kết cấu có hệ dầm truyền
Trong một số trờng hợp trong các tầng dới của NCT các cột phải đợc bố trí
tha để tạo không gian rộng, các tầng trên thì lới cột đợc bố trí dày để giảm chiều
cao dầm hoặc sử dụng kết cấu tờng chịu lực. Nh vậy giữa tầng dới (có lới cột
tha) và tầng trên (có lới cột dày) cần bố trí các dầm có độ cứng lớn để truyền tải

b). Mặt bằng

24
từ các cột, tờng của các tầng trên xuống các cột tầng dới. Các dầm này đợc gọi
là dầm truyền.
Do các cột có độ cứng thay đổi đột ngột và sự có mặt của dầm truyền độ cứng
lớn làm cho hệ kết cấu trở nên phức tạp hơn so với kết cấu thông thờng. Dới tác
động của tải trọng ngang, các cột ở ngay phía dới các dầm truyền chịu các momen
rất lớn và thờng bị phá hủy tại vị trí này. Để khắc phục điều này, có thể tăng độ
cứng các cột phía dới dầm truyền hoặc tạo liên kết khớp tại liên kết cột dới với
dầm truyền để chịu đợc biến dạng xoay lớn.

ợc xây dựng tại Hồng Kông
(Nguồn: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)
Hình 1.16. Một công trình Bê tông cốt thép có dầm truyền đ

a) b) c)
Hình 1.17. Sơ đồ kết cấu có dầm truyền trong NCT [7]
a) Cột 2 nhánh, nhà ở (Berlin, Đức); b) Cột 3 nhánh, nhà ở (Berlin, Đức); c) Dầm truyền
dạng KC dàn (San Fransico)

25
1.5.2. Kết cấu có tầng cứng và các ví dụ
Trong kết cấu hộp - lõi, mặc dù cả hộp và lõi đều đợc xem là kết cấu chịu tải
trong ngang, song các dầm sàn có độ cứng bé trong khi khoảng cách từ lõi đến hộp
lớn nên thực chất phần lớn tải ngang do lõi gánh chịu. Hiện tợng này làm cho kết
cấu hộp ngoài làm việc không hiệu quả. Để khắc phục hiện tợng này, tại một số
tầng ta tạo ra các dầm ngang hoặc các dàn có độ cứng lớn nối lõi cứng với các hộp
ngoài.
Dới tác dụng của tải trọng ngang, lõi cứng bị uốn làm cho các dầm này bị
chuyển vị theo phơng thẳng đứng và tác dụng lên các cột của hộp ngoài các lực
theo phơng thẳng đứng, mặc dù các cột có độ cứng chống uốn nhỏ song độ cứng
dọc trục lớn nên đã cản trở sự chuyển vị của các dầm cứng và kết quả là chống lại sự
chuyển vị ngang của cả công trình.
Trong thực tế các dầm cứng này đợc bố trí tại các tầng kỹ thuật và có chiều
cao bằng cả tầng nhà nên ngời ta gọi là tầng cứng (viết tắt theo Tiếng Anh là OTR
- Outrigger). Số tầng cứng trong NCT thờng là 1, 2 hoặc 3 tầng.
- Nếu bố trí 1 tầng cứng: đặt tại cao độ sát mái.
- Nếu bố trí 2 tầng cứng: 1 tầng đặt tại cao độ sát mái, 1 tầng ở giữa chiều cao
nhà.

Hình 1.18 Sơ đồ kết cấu NCT có tầng cứng [1]

26
- Nếu bố trí 3 tầng cứng: 1 tầng đặt tại cao độ sát mái, 1 tầng cách mái 1/3
chiều cao nhà và tầng còn lại cách mái 2/3 chiều cao nhà.
Tại vị trí tầng cứng, độ cứng của kết cấu bị thay đổi đột ngột. Dới tác dụng
của tải trọng ngang, nội lực trong lõi cứng, trong dầm, trong cột thay đổi có quy luật
phức tạp và nhiều khi thay đổi dạng bớc nhảy làm cho công tác thiết kế, cấu tạo
gặp khó khăn. Đặc biệt, momen uốn trong các cột tại vị trí liên kết với tầng cứng có
giá trị lớn nên dễ gây phá hủy tại vị trí này khi xảy ra động đất.
Dao động của hệ kết cấu có tầng cứng thờng là phức tạp nên việc tính toán
động lực của hệ này phải đợc tiến hành theo sơ đồ không gian và không nên sử
dụng các mô hình đơn giản nh đối với các hệ kết cấu cơ bản.
Trên Hình 1.19 a), b), c) là hình ảnh biểu đồ momen trong lõi cứng của các hệ
kết cấu hộp lõi lần lợt khi không có tầng cứng, có 1 tầng cứng và có 2 tầng cứng.
Khi có 1 tầng cứng thì momen tại chân lõi giảm đi nhng ở phần trên thì lại bị đổi
dấu; Khi có 2 tầng cứng thì ngoài sự giảm ở chân lõi, momen ở phần trên bị đổi dấu
còn có bớc nhảy ở tầng cứng ở giữa.

a) b) c)
Hình 1.19. Biểu đồ momen trong lõi cứng khi có và không có tầng cứng [5]

27
















Hình 1.
Việt Nam cao 262, trực thăng, tòa
nhà đ Nam. Mặt bằng
các tầng có hình Oval và kh
Giải pháp k T có bố trí
01 tầng cứng, tầ ở vị trí các tầng 29 và 30.
Tầng cứng là dạng hệ than
biên có bổ sung 04 vá
cứng.
Liên kết củ ợc tính toán chi

tiết để truyền đ

Hình 1.20. Phối cảnh dự án Trung tâm tài chính Bitexco tại TP Hồ Chí Minh
(Nguồn: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)

20 mô tả công trình Trung tâm tài chính Bitexco ở TP Hồ Chí Minh,
5m (68 tầng). Trên sân thợng tòa nhà có sân đỗ
ợc thiết kế hình búp sen đang nở, biểu hiện của Văn hóa Việt
ông có tầng nào giống nhau.
ết cấu của công trình: sử dụng hệ kết cấu hộp lõi BTC
ng cứng đợc tạo thành từ hai tầng nhà,
h dàn liên kết lõi với các cột biên, ở hai mặt nhà tại cột
ch cứng để liên kết với các thanh dàn và tăng độ cứng cho tầng
a thanh dàn (rộng 1,0m) vào lõi cứng (dày 0,4m) đ
ợc tải trọng ngang vào lõi.

28


H×nh 1.21. MÆt b»ng bè trÝ tÇng cøng c«ng tr×nh “ Trung t©m tµi chÝnh Bitexco”
(Nguån: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)



H×nh 1.22. MÆt ®øng tÇng cøng c«ng tr×nh “ Trung t©m tµi chÝnh Bitexco”
(Nguån: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)

29
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
2.1. Sự làm việc của kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng
2.1.1. Kết cấu Nhà cao tầng có tầng cứng [22]
Xét một kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng ở đỉnh chịu tác dụng của tải trọng
gió trên suốt chiều cao công trình. Độ cứng của kết cấu chịu tải trọng đứng và ngang
đợc coi là không đổi trên suốt chiều cao. Công trình làm việc trong giai đoạn đàn
hồi tuyến tính.
Mặc dù kết cấu có các dầm biên liên kết và giằng các cột biên lại với nhau, tuy
nhiên có thể coi ảnh hởng của các cột biên này đợc thay thế bởi hai cột tơng
đơng tại hai đầu của tầng cứng. Lúc này các cột biên sẽ chịu kéo hay nén tùy theo
chiều tác dụng của tải trọng. Có thể quan niệm tầng cứng nh một liên kết đàn hồi
có độ cứng đợc xác định từ điều kiện chuyển vị đơn vị của lõi cứng.

Hình 2.1 Sơ đồ làm việc của NCT có 1 tầng cứng [22]

30
Coi khoảng cách từ tâm của lõi cứng đến cột biên là
2
d
thì biến dạng (kéo hoặc
nén) của cột biên sẽ là
2
d

ì
, trong đó

là góc xoay của lõi cứng. Từ đó tính đợc
lực dọc trong các cột biên sẽ là:
2
A
Ed
P
L
=ì
, trong đó:
P lực dọc trong cột biên;
A diện tích tiết diện cột biên;
E mô đun đàn hồi của vật liệu;
d khoảng cách giữa các cột biên;
L chiều cao nhà.

2.1.2. Kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng ở đỉnh (x = 0; z = L) [22]

Sơ đồ tính toán trờng hợp này đợc trình bày ở hình 2.2. Góc xoay của lõi
cứng khi vị trí tầng cứng tại đỉnh công trình:
Lws


=
(2.1), trong đó:
w

- góc xoay của công trình dới tác dụng của tải trọng ngang phân bố đều
W, tính theo radian;
s

- góc xoay của tầng cứng (đầu cuối của thanh consol), đợc coi nh liên
kết đàn hồi (spring) tại z = L, tính theo radian; Dấu thể hiện góc xoay của tầng
cứng có hớng ngợc lại với góc xoay của công trình khi chịu tải trọng ngang.

L

- góc xoay thực tế của tầng cứng tại đỉnh, tính theo radian.
Với kết cấu công trình dạng con sol, có momen quán tính I không đổi, momen
đàn hồi E không đổi chịu tác dụng của tải trọng ngang phân bố đều W thì ta có:
3
6
w
WL
E
I

=

(2.2)
Nếu
coi
1
M
và là momen và độ cứng của liên kết đàn hồi tại đỉnh công
trình, ta có (2.1) nh
1
K

sau:

3
1
1
6
1
M
LM
WL
EI EI K
=
(2.4) và
3
1
1
1
WL
M
KLEI

=
+
(2.5);

31















Hình 2.2 Sơ đồ tính toán NCT có 1 tầng cứng ở đỉnh [22]

Chuyển vị tại đỉnh công trình:
2422
1
1 1
()
8224
load spring
MLWL L WL

M
EI EI EI
= = =
(2.6)

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) [22]
Sơ đồ tính toán trình bày ở Hình 2.3. Phơng trình chuyển vị của một thanh
consol khi chịu tải trọng ngang phân bố đều có thể diễn tả nh sau:

43 4
(4 3
24
W
yxLx
EI
=+
)L
(2.7), với giá trị x đợc tính từ đỉnh công trình.
Đạo hàm (2.2) theo biến x ta có độ dốc của consol:

33
(
6
dy W
)
x
L
dx EI
=

(2.8)