Bài giảng kết cấu thép phần nhà cao tầng

1
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
1
KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG
Hà Nội, 2013
Giảng viên: Ths. Hàn Ngọc Đức
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
NỘI DUNG CƠ BẢN
 Chương I: Đại cương về nhà cao tầng
 Chương II: Tổ hợp hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng
 Chương III: Một số nguyên lý cơ bản trong thiết kế KC nhà cao tầng
 Chương IV: Tải trọng tác dụng
 Chương V: Phân tích và tổ hợp nội lực
 Chương VI: Cấu tạo và tính toán các cấu kiện chịu lực cơ bản
 Chương VII: Cấu tạo và tính toán các liên kết cơ bản
2
2
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG I. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG
1.1. Định nghĩa và phân loại
 Một công trình xây dựng được xem là cao tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ
nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử
dụng khác với các ngôi nhà thông thường khác.
 Phân loại theo chiều cao:
- Nhóm I, bao gồm những nhà có 9 - 16 tầng (cao dưới 50 m)
- Nhóm II, bao gồm những nhà có 17 - 25 tầng (cao dưới 75 m)
- Nhóm III, bao gồm những nhà có 26 - 40 tầng (cao dưới 100 m)
- Nhóm IV, là những nhà “siêu cao tầng”, số tầng nhiều trên 40 (cao trên 100 m)
 Phân loại theo kết cấu chịu lực:
- Nhà có kết cấu chịu lực chính là hệ thanh (khung, giằng)
- Nhà có kết cấu chịu lực chính là các tấm tường, vách

- Nhà có kết cấu chịu lực chính là hệ kết hợp: tường, khung, lõi cứng cùng tồn tại
và làm việc
3
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG I. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG
1.2. Các đặc điểm cơ bản của nhà cao tầng
 Do công trình có chiều cao lớn, tác dụng của các tải trọng ngang (do gió, do động
đất), của các tải trọng lệch, của biến thiên nhiệt độ là rất đáng kể
 Sự phân bố độ cứng dọc theo chiều cao nhà ảnh hưởng đến dao động bản thân,
ảnh hưởng đến tác dụng của các tải trọng, đến nội lực, chuyển vị của hệ kết cấu
 Số lượng tầng nhiều, được phân bố trên một diện tích mặt bằng nhỏ nên trọng
lượng bản thân và tải trọng sử dụng thường rất lớn, dẫn đến các vấn đề cần giải
quyết về nền và móng
 Rất nhạy cảm với độ lún lệch của móng
 Điều kiện thi công phức tạp, quy trình thi công cần phải nghiêm ngặt và yêu cầu
độ chính xác cao
 Các yêu cầu sử dụng như vệ sinh môi trường, thông gió, cấp thoát nước, giao
thông chủ yếu là theo phương thẳng đứng; ảnh hưởng của chiều cao đến sức
khoẻ, tâm lý của người sử dụng trong các nhà cao tầng đều khác xa so với các
công trình khác
4
3
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG I. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG
1.3. Những thành tựu về nhà cao tầng trên thế giới và ở Việt Nam
 Trên thế giới, các công trình cao tầng tập trung chủ yếu ở Chấu Á và Mỹ (Ả rập,
Trung Quốc, Đài Loan, Hồng Kông, Malaysia, )
 Ở Việt Nam, các công trình cao tầng được xây dựng sau năm 1995 và phát triển
rất nhanh trong những năm gần đây, tập trung chủ yếu ở Hà Nội và TP Hồ Chí
Minh

5
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
6
Các công trình cao tầng tiêu biểu trên thế giới
4
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
7
Các công trình cao tầng tiêu biểu trên thế giới
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
8
Các công trình cao tầng tiêu biểu trên thế giới
5
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
9
Tòa nhà Buji Khalifa
cao 828m ở Dubai
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
10
Tòa tháp đôi Petronas, Malaysia
cao 452m, với chiếc cầu ở độ cao 170m
6
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
11
Trung tâm thương mại thế giới, Mỹ
cao 417m (tính cả ăng ten 526m)
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
12
Tổ hợp Keangnam 70 tầng (Hà Nội)
7
Bộ môn Công trình Thép - gỗ

13
Tòa nhà Bitexco 68 tầng (TP HCM)
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
14
Tòa nhà Viettinbank 68 tầng (Hà Nội)
8
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
15
Tòa nhà 169 Nguyễn Ngọc Vũ (Hà Nội)
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.1. Các cấu kiện và hệ kết cấu chịu lực cơ bản
 Các cấu kiện chịu lực cơ bản:
- Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống.
- Cấu kiện dạng tấm phẳng: vách cứng dạng tường (tấm tường bêtông cốt thép
đặc hoặc có lỗ), vách dạng giàn tạo thành từ các cột và dầm khung kết hợp với
các thanh xiên, các tấm sàn phẳng hoặc tấm sàn sườn.
- Cấu kiện không gian: lõi, hoặc hộp tạo thành từ các tấm tường hoặc hệ lưới
thanh không gian được ghép lại từ các giàn phẳng.
16
9
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.1. Các cấu kiện và hệ kết cấu chịu lực cơ bản
 Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản:
- Hệ kết cấu chỉ bao gồm một loại cấu kiện
chịu lực cơ bản: hệ thanh (I), hệ vách cứng
(II), hệ lõi (III), hệ hộp (IV)
- Hệ kết cấu được tổ hợp từ hai hoặc nhiều
loại cấu kiện chịu lực cơ bản: hệ khung-vách,

khung-lõi, khung-hộp, hệ vách-lõi, hệ lõi-hộp
 Các sơ đồ kết cấu chịu lực cơ bản:
- Sơ đồ khung
- Sơ đồ giằng
- Sơ đồ khung - giằng
17
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.2. Sơ đồ khung chịu lực
 Sơ đồ gồm khung ngang và dọc liên kết với nhau tạo thành một khung không gian
 Khung và các cấu kiện cần đủ cứng để truyền mọi tải trọng (cả tải trọng đứng và
tải trọng ngang) xuống móng
 Các nút khung cấu tạo nút cứng để bảo đảm độ cứng tổng thể cho công trình
18
a- dạng phổ thông
b- dạng hộp theo chu vi
c- dạng hộp nhiều ngăn
1- cột, 2- dầm, 3- sàn cứng,
4- chuyển vị ngang,
5- vách thành hộp ngoài,
6- vách thành hộp trong
10
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.2. Sơ đồ khung chịu lực
 Chuyển vị ngang của một khung có nút cứng gồm hai thành phần:
- Chuyển vị ngang do uốn tổng thể khung, giống như chuyển vị của một thanh
côngxon thẳng đứng (hình b), tỷ lệ này chiếm khoảng 20%.
- Chuyển vị ngang do biến dạng uốn các thanh thành phần (hình c), chiếm tỷ lệ
khoảng 80% (trong đó do biến dạng dầm khoảng 65%, do biến dạng cột khoảng

15%)
19
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.3. Sơ đồ giằng chịu lực
 Hệ hỗn hợp bao gồm các kết cấu cứng theo phương thẳng đứng (vách, lõi, hộp)
và các cột hai đầu khớp, liên kết với nhau bởi các tấm sàn tầng
 Kết cấu cột có độ cứng chống
uốn bé nên không có khả năng
chịu tải trọng ngang
 Tải trọng ngang tác dụng trực
tiếp vào hệ thống các sàn cứng
rồi truyền vào hệ thống kết cấu
cứng theo phương thẳng đứng
để truyền xuống móng
20
a- hệ vách cứng chịu lực
b- hệ lõi cứng chịu lực
c- hệ hộp cứng chịu lực
11
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.3. Sơ đồ giằng chịu lực
 Hệ vách chịu lực. Ở một số bước (hoặc nhịp)
của các cột, bổ sung thêm các thanh chống xiên
trên suốt chiều cao nhà để tạo thành những giàn
phẳng thẳng đứng gọi là giàn giằng . Các giàn
giằng này chịu phần tải trọng đứng tương ứng với
diện tích sàn mà mỗi vách, giàn phải đỡ (bình
đẳng như các cột khớp), đồng thời phải chịu toàn

bộ tải trọng ngang tác dụng lên công trình.
21
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.3. Sơ đồ giằng chịu lực
 Hệ lõi chịu lực. Tương tự như sự tạo thành của lõi cứng
bê tông cốt thép; ở một ô (hoặc một số ô) trong mặt bằng
nhà, các giàn giằng đứng liên kết với nhau tạo thành các
giàn không gian. Không gian bên trong của các ô giằng
này thường được dùng để bố trí thang máy, thang bộ
hoặc dùng cho việc lắp đặt các đường ống kỹ thuật thông
gió, cấp thoát nước, dây dẫn điện.
22
12
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.3. Sơ đồ giằng chịu lực
 Hệ hộp chịu lực. Trên chu vi nhà, các cột hàng biên
được bố trí với bước nhỏ hơn, kết hợp với các dầm ngang
biên, tạo thành hộp có ô lưới chữ nhật bao quanh biên
ngoài của nhà . Khi bổ sung thêm các thanh chéo vào ô
lưới chữ nhật này sẽ tạo thành hộp có ô lưới tam giác, thì
hiệu quả về chịu lực sẽ lớn hơn rất nhiều. Trong hệ hộp,
các bản sàn cứng của các tầng tựa trực tiếp lên thành
hộp, các cột bên trong có thể không cần hoặc cần rất ít.
Hệ thống cứng theo phương ngang là các bản sàn; cứng
theo phương đứng chủ yếu là hộp giàn giằng quanh chu vi
nhà
23
Bộ môn Công trình Thép - gỗ

24
Cấu tạo hệ giằng đứng (dạng hộp, dạng vách) bằng thép
13
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
25
Cấu tạo hệ giằng đứng bằng thép
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.4. Sơ đồ khung - giằng chịu lực
 Hệ kết hợp gồm các khung có nút cứng và các giằng đứng (vách, lõi, hộp) liên kết
với nhau bởi các sàn cứng, tạo thành hệ không gian cùng chịu lực
 Độ cứng tổng thể của hệ được bảo đảm bởi các giằng đứng, các sàn ngang và các
khung cứng
 Độ cứng của khung bé hơn rất nhiều so với vách, lõi, nên các kết cấu giằng đứng
chịu phần lớn tác dụng của tải trọng ngang (vào khoảng 70 - 90%).
26
a- hệ khung, vách; b- hệ khung, vách, hộp ngoài; c- hệ khung, vách lõi, hộp
14
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG II. TỔ HỢP HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRONG NHÀ CAO TẦNG
2.4. Sơ đồ khung - giằng chịu lực
 Giải pháp tăng độ cứng cho khung ngang:
- Tăng cường thêm các giàn
ngang ở tầng đỉnh nhà hoặc
thêm một vài tầng trung gian
nữa, đồng thời liên kết các cột
khung với các giàn này
- Bố trí thêm các giàn ngang,
dọc để tạo thành các dải cứng,
dải này thường có chiều cao bằng

chiều cao của một tầng nhà
27
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
28
15
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
29
Tòa nhà Bitexco 68 tầng (TP HCM)
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
30
Tòa nhà Bitexco 68 tầng (TP HCM)
Mặt bằng và mặt đứng hệ giằng ổn định
16
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
31
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
32
17
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
33
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
34
18
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
35
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.1. Các nguyên lý cơ bản
 Nguyên lý về vật liệu xây dựng:
36

19
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.1. Các nguyên lý cơ bản
 Nguyên lý về hình dáng mặt bằng công trình: đơn giản, gọn, đối xứng và có độ
cứng chống xoắn tốt
- Công trình có mặt bằng hình tròn, hình vuông cho khả năng ứng xử kháng chấn
tốt nhất
- Công trình có mặt bằng phức tạp hình chữ L, H, Y cần bố trí thêm khe kháng
chấn để đưa về tổ hợp các mặt bằng đơn giản
- Công trình có mặt bằng dài cần được chia cắt thành các mặt bằng ngắn, giảm
bớt sự lệch pha khi dao động
37
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.1. Các nguyên lý cơ bản
 Nguyên lý về hình khối công trình: cân đối, đơn diệu và liên tục, đảm bảo tính
đồng điệu về dao động trong một khối công trình
 Nguyên lý về độ cứng của công trình: không thay đổi đột ngột độ cứng trên dọc
chiều cao và theo phương ngang nhà
 Nguyên lý về bậc siêu tĩnh của công trình: nhà nhiều tầng nên thiết kế với bậc
siêu tĩnh cao
 Nguyên lý về sự xuất hiện của các khớp dẻo: trường hợp cho phép xét đến sự
xuất hiện của các khớp dẻo, thì cần thiết kế sao cho các khớp dẻo xuất hiện ở
dầm trước khi xuất hiện ở cột
38
20
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.2. Nguyên tắc bố trí kết cấu trên mặt bằng

3.2.1. Bố trí lưới cột
 Lưới cột cần đơn giản, tuân
theo các yêu cầu về định hình
cấu kiện, theo mô-đun thống
nhất
 Bước cột thường 5-6 m đối với
sơ đồ khung; 9-12m cho các
sơ đồ khung-lõi, khung-vách.
Với các hệ kết hợp khung-hộp
hoặc vách-hộp thì khoảng cách
của các cột có thể lớn hơn
39
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.2. Nguyên tắc bố trí kết cấu trên mặt bằng
3.2.2. Bố trí kết cấu giằng
 Cần có ít nhất ba hệ giằng cứng (vách đứng) không cùng song song hoặc không
cắt nhau trên cùng một điểm
40
a,b,c,d,e - các phương án bố trí giằng hợp lý
f,g,h - các phương án bố trí giằng không hợp lý
21
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.2. Nguyên tắc bố trí kết cấu trên mặt bằng
3.2.2. Bố trí kết cấu giằng
 Trọng tâm hình học của mặt bằng nhà trùng hoặc gần trùng với tâm cứng
 Các vách đứng nên phân bố đều trên mặt bằng nhà và càng xa trọng tâm mặt
bằng càng tốt
 Với nhà có mặt bằng dài thì khoảng cách giữa các vách giằng không vượt quá

30m; khoảng cách từ vách giằng đầu tiên đến trục biên không lớn hơn 12m
41
Công trình có độ cứng chống xoắn lớn Công trình có độ cứng chống xoắn nhỏ
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.2. Nguyên tắc bố trí kết cấu trên mặt bằng
3.2.3. Lựa chọn hệ kết cấu sàn
 Sàn sườn (sàn phổ thông) kết hợp dầm cao, dầm bẹt
 Sàn ô cờ
 Sàn không dầm
- Sàn nấm
- Sàn ứng lực trước
- Sàn bóng
 Sàn liên hợp thép - bê tông
42
22
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
43
Hệ dầm sàn phổ thông
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
44
Hệ sàn ứng lực trước
23
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
45
Hệ sàn bóng
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
46
Hệ sàn liên hợp thép - bê tông
24

Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG III. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG
3.3. Nguyên tắc tổ hợp kết cấu theo phương đứng
 Nhà có dạng thon dần về chiều cao sẽ cho hiệu quả cao về phân phối khối lượng
dao động, giảm đáng kể các tác dụng của tải trọng ngang
 Trong nhà cao tầng bằng thép, giằng đứng thường là các giàn phẳng hoặc tổ hợp
để tạo thành giàn không gian mà thanh cánh của giàn chính là các cột khung
 Các giàn ngang thường đặt ở tầng đỉnh hoặc các tầng kỹ thuật
47
a- sơ đồ thường dùng; b,c- sơ đồ dùng cho công trình có chiều cao lớn
d- sơ đồ dùng cho công trình yêu cầu độ cứng lớn
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG IV. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG
4.1. Tải trọng thường xuyên
 Trọng lượng bản thân các kết cấu chịu lực
 Trọng lượng các chi tiết cấu tạo kiến trúc
 Trọng lượng các thiết bị kỹ thuật
4.2. Tải trọng tạm thời (hoạt tải)
 Tải trọng sử dụng trên sàn, mái (tồn tại hệ số giảm tải  xét đến xác suất đồng
thời xuất hiện tải trọng ở toàn bộ các ô sàn trong một tầng là nhỏ)
 Tải trọng sửa chữa
48
25
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG IV. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG
4.3. Tải trọng gió (TCVN 2737-1995)
 Gió là sự chuyển động của luồng không khí từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp
suất thấp
 Tải trọng gió là tải trọng tạm thời, phụ thuộc vào:
- Thông số về tính chất luồng không khí: vận tốc, áp lực, hướng, dạng địa hình

- Thông số bản thân công trình như: hình dáng, kích thước, độ nhám bề mặt, đặc
tính dao động riêng
 Tác động của gió lên công trình gồm có 2 thành phần: thành phần tĩnh và thành
phần động
49
Bộ môn Công trình Thép - gỗ
CHƯƠNG IV. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG
4.3. Tải trọng gió
4.3.1. Thành phần tĩnh của tải trọng gió
 Công thức xác định thành phần tĩnh của tải trọng gió :
W = W
o
kC (daN/m
2
)
- W
o
là giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió phụ thuộc vào địa điểm xây dựng
- k là hệ số địa hình phụ thuộc vào cao độ và dạng địa hình, lấy theo bảng 5 TCVN
2737-1995
- C là hệ số khí động, phụ thuộc vào hình khối công trình và hình dạng mặt đón
gió, lấy theo bảng 6 TCVN 2737-1995
-  là hệ số vượt tải của tải trọng gió, =1.2
50