Bài giảng chuyên đề nhà cao tầng BTCT

khoa x©y dùng




bµi gi¶ng chuyªn ®Ò:


kÕt cÊu nhµ CAO tÇng
B£ T¤NG CèT THÐP





08/ 2014
1

Ch ơng 1
KHáI NIệM CHUNG Về NHà CAO TầNG
1.1. Giới thiệu chung
Hiện nay nhà nhiều tầng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói
riêng tăng nhanh về cả số l ợng và số tầng cao do sự phát triển của kinh tế, sự
gia tăng dân số đô thị và giá đất đô thị, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong
công nghiệp xây dựng.
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành Xây dựng cơ bản
đóng một vai trò hết sức quan trọng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mọi
lĩnh vực khoa học và công nghệ, ngành Xây dựng cơ bản đã có những b ớc

tiến đáng kể, nhất là trong nửa sau của thế kỷ XX. Sự xuất hiện ngày càng
nhiều của các công trình cao tầng xây dựng quy mô và hiện đại tại nhiều quốc
gia trên thế giới. Đất n ớc ta trong những năm gần đây, hàng loạt các chung
c cao tầng, các cao ốc văn phòng, khách sạn tại các thành phố lớn đ ợc xây
dựng đáp ứng nhu cầu về nhà ở, làm việc và giải trí của ng ời dân, nâng cao
về hiệu quả cảnh quan, kiến trúc đô thị.
Từ những năm 1990 , chính sách đổi mới cùng sự phát triển kinh tế đã
làm nhà nhiều tầng ở Việt Nam, đặc biệt ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh
phát triển với tốc độ nhanh ch a từng thấy. Tại Hà Nội, các công trình đáng
chú ý là Fortuna (17 tầng) trên đ ờng Láng Hạ, Hà Nội Tower (25 tầng),
khách sạn Melia Hà Nội (22 tầng) trên đ ờng Lý Th ờng Kiệt, Vietcombank
Tower (22 tầng), Habico Tower (36 tầng) trên đ ờng Phạm Văn Đồng Chức
năng chủ yếu của các công trình cao tầng này là nhà làm việc, văn phòng cho
thuê, khách sạn và nhà chung c .
2

ở Thành phố Hồ Chí Minh, việc phát triển nhà nhiều tầng đã diễn ra
mạnh mẽ hơn do có nhiều lợi thế trong việc thu hút vốn đầu t . Những công
trình đáng chú ý là Saigon Center (27 tầng) tại góc đ ờng Lê Lợi - Pasteur;
Diamond Plaza (22 tầng) tại góc đ ờng Lê Duẩn - Phạm Ngọc Thạch; Saigon
Tower (17 tầng) trên đ ờng Lê Duẩn; Saigon Sky Garden (16 tầng),
Renassance Riverside Hotel (21 tầng), Saigon Trade Center (33 tầng) trên
đ ờng Tôn Đức Thắng; Sunwah Tower (22 tầng) trên đ ờng Nguyễn Huệ; tòa
nhà Manor (30 tầng) trên đ ờng Nguyễn Hữu Cảnh
Ngoài hai trung tâm lớn là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, tại một
số thành phố khác thời gian gần đây cũng xuất hiện khá nhiều công trình
nhiều tầng với mật độ và quy mô ngày càng cao nh : tại Đà Nẵng: khách sạn
Đảo Xanh (25 tầng), Indochina Riverside Towers (24 tầng), HAGL Plaza
Hotel (23 tầng) Vĩnh Trung Plaza (18 tầng), Đà Nẵng Plaza (18 tầng); tại
Hải Phòng: Khách sạn Hữu Nghị, Harbour View Tower; tại Nha Trang:

khách sạn Lodge (13 tầng), Khách sạn Hoàn Cầu (22 tầng), Nha Trang Plaza
(40 tầng); Phú An Plaza (18 tầng) ở Cần Thơ Một số công trình cao ốc tiêu
biểu khác sẽ hoàn thành tại Việt Nam nh : Ben Thanh Twin Tower (50 tầng),
Khu Saigon Pearl (40 tầng), Times Square (45 tầng) tại Thành phố Hồ Chí
Minh; tòa nhà Hà Nội City Complex (cao 65 tầng), Keangnam Hanoi
Landmark Tower (70 tầng) tại Hà Nội; Trung tâm hành chính Thành Phố Đà
Nẵng (34 tầng), Novotel Han Riverside (33 tầng) tại Đà Nẵng
Uỷ ban quốc tế về nhà nhiều tầng đã đ a ra định nghĩa: nhà nhiều tầng
là một nhà mà chiều cao của nó ảnh h ởng tới ý đồ và cách thức thiết kế hoặc
nói cách khác tổng quát hơn: một công trình xây dựng đ ợc xem là nhiều 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 nhà thông th ờng.
Theo TCXD 198-1997: nhà cao tầng khi có chiều cao tầng > 40 m .
3




Nhà thấp tầng thiết kế kiến trúc có vai trò quan trọng hơn thiết kế kết
cấu, còn nhà cao tầng cùng với thiết kế kiến trúc, thiết kế kết cấu có vai trò
quan trọng vì nó quyết định đến khả năng chịu lực, bền vững, ổn định của
công trình.
Hình 1.1.
Một số nhà cao tầng ở Việt Nam.

4

Tiêu chuẩn nhà cao tầng có các yêu cầu kỹ thuật cao hơn nhà thấp tầng:
- Tiêu chuẩn phòng cháy:
+ Có tiêu chuẩn báo cháy tự động, khi có cháy thang máy ng ng

hoạt động.
+ Hệ thống báo cháy cho những ng ời ở các tầng d ới và một
hoặc hai tầng cao hơn, đối với tầng xảy ra sự cố, có xe thang thoát
hiểm.
+ Mỗi phòng đều có hệ thống báo và chữa cháy riêng.
- Tiêu chuẩn đậu xe: cứ bốn phòng có một xe con.
- Tiêu chuẩn vệ sinh: n ớc sinh hoạt phải đ ợc xử lý tr ớc khi thải ra hệ
thống thoát n ớc thành phố .
Một số tính chất và u điểm sau có thể là lý do tại sao mà các công
trình nhiều tầng ngày càng đ ợc lựa chọn nhiều hơn so với các công trình thấp
tầng:
- Trong một số tr ờng hợp cụ thể, nhà nhiều tầng là giải pháp duy nhất
đối với sự phát triển đô thị khi việc mở rộng theo ph ơng ngang gặp khó khăn
vì lý do cảnh quan môi tr ờng hoặc do sự hạn chế của đất đô thị.
- Các công trình nhiều tầng có thể là giải pháp chi phí duy nhất. Khi mà
chi phí đất đô thị cao, nhà chung c cao tầng sẽ đem lại chi phí về giá đất trên
một đơn vị xây dựng thấp hơn so với công trình thấp tầng ở cùng khu đất đó.
Nhà nhiều tầng đ ơng nhiên sẽ làm tăng giá đất đô thị ở các khu vực chung
quanh trong một nền kinh tế thị tr ờng tự do.
- Về mặt văn hoá, nhà chung c cao tầng có vẻ đ ợc a thích hơn trong
những điều kiện xã hội hoạt động chủ yếu với các cá nhân độc lập hoặc các
gia đình hạt nhân là các đơn vị xã hội thay vì các gia đình lớn nhiều thế hệ.
5

- Các công trình cao tầng th ờng có tính biểu t ợng và sức mạnh xã hội.
- Các công trình cao tầng tạo điều kiện tập trung các dịch vụ đô thị và
giao thông đô thị và do đó dẫn đến việc giảm các năng l ợng tiêu hao.
- Các công trình cao tầng th ờng là điểm nhấn trong toàn cảnh đô thị.
Nh ng các u điểm trên của nhà nhiều tầng không phải luôn luôn đúng
với tất cả các địa điểm và thời điểm mà nó đ ợc xây dựng. Và những tính chất

trên cũng có thể đối lập nhau. Các u điểm khác nhau sẽ mạnh yếu tuỳ theo
tình trạng về địa điểm, xã hội và văn hoá.
1.2. Phân loại
Đ ợc phân loại theo nhiều cách
1. Phân loại nhà cao tầng theo chiều cao:
- Loại I : từ 9 đến 16 tầng (chiều cao nhà < 50m)
- Loại II : từ 17 đến 22 tầng (chiều cao nhà H= 50-70m)
- Loại II : từ 26 đến 40 tầng (chiều cao nhà H=75-100m)
- Loại IV : siêu cao tầng >40 tầng (chiều cao nhà H>100m)
2. Theo yêu cầu sử dụng
- Nhà ở
- Nhà làm việc và các dịch vụ khác
- Khách sạn
3. Theo hình dáng
- Nhà dạng tháp
- Nhà dạng thanh
4. Theo vật liệu cơ bản
6

- Nhà bằng bê tông cốt thép
- Nhà bằng thép
- Nhà hỗn hợp thép bê tông cốt thép
5. Theo dạng kết cấu chịu lực
- Kết cấu thuần khung
- Kết cấu tấm (vách)
- Kết cấu hệ lõi
- Kết cấu hệ ống
- Kết cấu hỗn hợp

Hình 1.2.
Phân loại các nhà cao tầng trên thế giới cao > 200m
(t ơng đ ơng 50 tầng) tính đến năm 2010.
7

1. Burj Khalifa (Dubai)
2. Taipei 101 (Taipei)
3. SWFC (Shanghai)
4. ICC (HK)
5. Petronas Tower (Kuala Lumpur)
UAE Taiwan China HK Malaysia China U.S. China U.S. China
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
H×nh 1.3.
Top 10 nhµ cao tÇng nhÊt thÕ giíi (tÝnh ®Õn n¨m 2012).
6. Nanjing Greenland Financial Center (Nanjing)
7. Willis Tower (Chicago)
8. Guangzhou IFC (Guangzhou)
9. Trump International Hotel & Tower (Chicago)
10. Jin Mao Building (Shanghai)
8

1.3. Các yêu cầu khi thiết kế nhà cao tầng
Về mặt thiết kế kết cấu đối với nhà nhiều tầng xuất hiện những vấn đề
phức tạp về nền móng, kết cấu chịu lực ngang, ổn định, chuyển vị và dao động
của công trình. Bên cạnh yêu cầu đảm bảo khả năng chịu lực (đảm bảo an
toàn khi chịu sự tác động của các loại tải trọng) còn phải đảm bảo các yêu cầu
về điều kiện sử dụng (chuyển vị, gia tốc đỉnh trong giới hạn cho phép) để con
ng ời không những đ ợc an toàn mà còn cảm thấy thỏa mái khi sử dụng công
trình. Vì vậy khi thiết kế nhà nhiều tầng cần l u ý các điểm sau:

- Yếu tố hình khối nhà: đơn giản, đều đặn, đối xứng, liên tục.
- Có khả năng chịu lửa cao, thoát hiểm an toàn. Có độ bền, tuổi thọ cao.
- Nhà nhiều tầng có trọng l ợng bản thân toàn nhà lớn dần theo số tầng,
gây khó khăn cho việc xử lý móng.
- Khả năng chất đầy hoạt tải trên các tầng sẽ giảm khi số tầng tăng lên.
- Nếu chiều cao nhà lớn hơn 40m thì phải xét đến thành phần động của
tải trọng gió, do đó tổng tải trọng gió sẽ tăng lên.
- Do tính chất quan trọng của công trình và tình hình địa chấn tại từng
khu vực nên cần xét đến tải trọng động đất.
Nh vậy, tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng là yếu tố ảnh
h ởng quyết định đến hệ kết cấu của nhà và phải đ ợc l u ý từ khi bắt đầu
hình thành các ph ơng án thiết kế.
1.3.1. Giảm nhẹ trọng l ợng bản thân nhà nhiều tầng có ý nghĩa quan
trọng:
Theo sức chịu tải của nền đất, nếu giảm đ ợc trọng l ợng bản thân thì
có thể tăng thêm số tầng nhà. Khi động đất xảy ra, nếu trọng l ợng bản thân
giảm thì hiệu ứng động đất tác dụng vào công trình giảm, nội lực phát sinh
9

trong các cấu kiện giảm, giảm lực cắt của cấu kiện kết cấu. Vì vậy sẽ tiết kiệm
vật liệu, giảm giá thành, tăng không gian sử dụng.
1.3.2. Taới troỹng ngang laỡ yóỳu tọỳ chuớ yóỳu:
Công trình chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang. Đối với
nhà thấp tầng, nội lực do tải trọng ngang sinh ra nhỏ, chuyển vị ngang rất nhỏ,
thành phần chủ yếu ảnh h ởng đến ph ơng án kết cấu công trình là tải trọng
đứng. Đối với nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà tăng lên, nội lực và chuyển vị
do tải trọng ngang sinh ra tăng lên rất nhanh. Giả sử công trình nh một thanh
consol ngàm đứng đơn giản, lực dọc tỷ lệ thuận với chiều cao, momen do tải
trọng ngang sinh ra tỷ lệ thuận với bình ph ơng chiều cao, chuyển vị ngang
sinh tỷ lệ thuận với luỹ thừa 4 chiều cao. Vì vậy tải trọng ngang tác dụng vào

nhà nhiều tầng trở thành yếu tố quyết định đến hệ kết cấu.
Nếu tải phân bố đều : M=q
2
H
/2, D=q.
4
H
/8EI
1.3.3. Công trình phải đảm bảo các điều kiện ổn định:
- ổn định chống lật: d ới tác dụng của các tải trọng ngang và các tải
trọng khác, công trình có thể bị lật qua việc quay quanh mép móng. Từ các
loại tải trọng gây lật ta có thể tính đ ợc M
1
(mômen gây lật). Từ trọng l ợng
bản thân của công trình ta có thể tính đ ợc M
2
(mômen chống lật hay mômen
giữ). Để bảo đảm an toàn còn phải thoả mãn điều kiện: k
M
M
=
2
1
15,
- ổn định tổng thể: đối với nhà nhiều tầng, ngoài việc tính toán ổn định
cục bộ của các cấu kiện chịu nén, cần phải kiểm tra ổn định tổng thể của toàn
nhà.
Với mô hình thanh công sôn ngàm thẳng đứng đơn giản thì mất ổn định
của nhà có thể là mất ổn định uốn ra ngoài mặt phẳng của hai trục quán tính
chính hoặc mất ổn định xoắn (nhà bị xoay quanh trục thẳng đứng). Mục đích

10

của việc tính toán ổn định tổng thể là xác định các tải trọng tới hạn gây ra ba
dạng mất ổn định đã nói ở trên: P
x
th
, P
y
th
, P
t
th

Trong đó:
- P
x
th
- tải trọng tới hạn (thẳng đứng) ứng với mất ổn định theo ph ơng x.
- P
y
th
- tải trọng tới hạn (thẳng đứng) ứng với mất ổn định theo ph ơng y.
- P
t
th
- tải trọng tới hạn (thẳng đứng) ứng với mất ổn định xoắn.
1.3.4. Hạn chế chuyển vị:
Khi chiều cao nhà tăng thì chuyển vị tăng rất nhanh, nếu chuyển vị
ngang quá lớn sẽ làm kết cấu tăng thêm nội lực phụ (đặc biệt là trong các cấu
kiện đứng), độ lệch tâm tăng nhanh, các hệ thống điện n ớc bị nứt và phá

hỏng, kết cấu chính có thể bị nứt lớn và bị phá hỏng. Khi chuyển vị ngang
v ợt qua một giá trị nhất định, cột của khung và vách cứng sẽ nứt, t ờng chèn,
trang trí, ray thang máy bị phá hoại do chuyển vị quá lớn và kết cấu có thể bị
phá hoại.
Mặt khác, khi số tầng cao thì chuyển vị không đ ợc quá lớn để tránh
ng ời ở và làm việc có cảm giác khó chịu, bất an. Vì vậy cần khống chế
chuyển vị ngang để đảm bảo an toàn cho kết cấu chủ thể, chống nứt, phá hoại,
mất ổn định, chống lật. Khi thiết kế phải đảm bảo kết cấu có đủ c ờng độ và
đủ độ cứng chống lại lực ngang để chuyển vị ngang nằm trong giới hạn cho
phép.
Cần phải tính toán chuyển vị ngang của đỉnh nhà và chuyển vị góc
(tr ợt) do tải trọng ngang và các tải trọng khác gây ra.
Khi tính các chuyển vị ở trên cần phải kể đến phần tĩnh và phần động
của tải trọng gió.
1.3.5. Khống chế dao động của công trình:
Các công trình hiện đại th ờng nhẹ và mềm sẽ dễ bị dao động hơn so
với các công trình t ơng đ ơng tr ớc đây. Các dao động này th ờng do các
11

lực phụ thuộc thời gian nh gia tốc động đất, và tải trọng gió chu kỳ ngắn
hoặc gió giật. Các dao động trong quá trình động đất tới mức độ gây cho
ng ời sử dụng cảm thấy khó chịu là không phù hợp bởi vì ng ời sử dụng
không muốn cảm thấy lo lắng hay ghê sợ với cảm giác dao dộng. Tuy nhiên,
các quan điểm đánh giá khả năng chịu đựng cực đại của công trình đối với tải
trọng gió là khác với tải trọng động đất bởi vì gió bão xảy ra một cách th ờng
xuyên và không gây chấn động nh động đất. Do đó cần thiết phải xem xét
các vấn đề của công trình khi chịu tác động của gió với sự thoải mái của ng ời
sử dụng.
Khi xem xét khả năng dao động của công trình cao tầng chịu tải trọng
gió, cần phải xét đến tải trọng gió theo cả ph ơng thẳng và ph ơng ngang.

Chúng sinh ra do các hiệu ứng khác nhau của gió, tr ớc tiên chủ yếu là do
hiệu ứng rung gây ra bởi sự hỗn loạn của gió, tiếp đến là do gió xoáy tác dụng
theo các ph ơng. Thành phần gió ph ơng ngang ảnh h ởng cảm giác ng ời sử
dụng vì nó làm tăng gia tốc dao động đối với các công trình có độ mảnh lớn.
Tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá cảm giác của ng ời sử dụng công
trình là gia tốc cực đại đỉnh của công trình mà họ cảm nhận. Vì vậy cần phải
đánh giá đ ợc gia tốc cực đại cho cả gió theo ph ơng dọc và ph ơng ngang.
Công trình có thể dao động ở dạng các dạng sau:
H

2H/3

2H/5 2H/5

Dạng 1 Dạng 2 Dạng 3
12

Bình th ờng chỉ cần quan tâm đến dạng 1. Tr ờng hợp riêng mới quan
tâm đến các dạng khác.
ở dạng dao động 1, chu kỳ dao động T
1
tính theo:
2
1
2
3,52
i
i
Hq
T

gEJ
p
=

,
ixy
=

q/g- khối l ợng của nhà tính trên 1 đơn vị chiều cao.
Công thức T
1
ở trên rút ra từ việc tính toán công xôn có tải trọng phân
bố đều theo chiều cao.

Biên độ dao động của ngôi nhà ở dạng dao động thứ i có thể biểu diễn
nh sau (dao động điều hòa)

()sin
ii
ytyt
w
=
đ


2
i
T
p
w

=

Gia tốc dao động:

2
()sin
ii
ytyt
ww
ÂÂ
=-
đ

Giá trị lớn nhất của gia tốc dao động ứng với y
iđmax
và sin
w
t = 1. y
iđmax
là
chuyển vị ở đỉnh do thành phần động của tải trọng gió gây ra
2
maxmax
ii
yy
w
ÂÂ
=
đ

Khi trọng tâm và tâm cứng không trùng nhau thì chuyển vị ngang phải
tăng lên bằng cách nhân với hệ số uốn dọc
h
i

i
1
1
i
gh
G
G
h
=
-

2
maxmax
iii
yy
wh
ÂÂ
=
đ

Có thể biểu diễn y
iđmax
nh sau:
a
b

H ớng gió

13

max
()
i
ii
i
p
yfH
EJ
h
=
đ
đ

Do đó:
max
i
y
ÂÂ

2
4
3,52
()
ii
i
i

gEJp
fH
qHEJ
h
=
đ


2
4
2
3,52
()
.3,52()
ii
i
i
g
pfH
qH
p
gH
q
h
jh
=
=
đ
đ

P
đi
= W
đi
b - thành phần động của tải trọng gió /1m chiều cao nhà.
Gia tốc dao động không phụ thuộc trực tiếp vào độ cứng EJ
i
mà phụ
thuộc gián tiếp qua thành phần động của tải trọng gió và hệ số uốn dọc
h
i

Gọi q
0
- trọng l ợng đơn vị thể tích.
0
q
q
ab
=

3
0
0,40,5T/m
q =


00
iii
pWbW

qabqaq
==
đđđ


22
max
0
3,52()150mm/sec
iii
g
yWH
aq
jh
ÂÂ
=Ê
đ

Có thể xác định chiều rộng tối thiểu của ngôi nhà (a) ứng với các giá trị
của q
0
, gia tốc tối đa và một vùng gió nào đó. ở góc độ khống chế dao động,
cần có q
0
lớn.
Mục đích của việc tính toán dao động của ngôi nhà là khống chế gia tốc
của các sàn khi nhà bị dao động. Việc khống chế đó nhằm đảm bảo cho ng ời
sử dụng không cảm thấy khó chịu hoặc ghê sợ khi có tải trọng ngang tác
động. Theo tài liệu của Liên Xô, gia tốc dao động phải nhỏ hơn 150mm/s
2

Gia tốc dao động tỷ lệ thuận với thành phần động của tải trọng gió, tỷ lệ
nghịch với bề rộng của ngôi nhà và tỷ lệ nghịch với trọng l ợng trên một đơn
vị thể tích (q kG/m
3
) của ngôi nhà. Để giảm dao động nên tăng bề rộng, tăng
14

trọng l ợng thể tích của nhà. Ng ời ta có thể dùng cốt thép ứng lực tr ớc để
giảm gia tốc dao động của nhà mà không làm cho hệ móng tăng lên giống nh
khi tăng trọng l ợng thể tích của nhà.
1.3.6. Yêu cầu thiết kế chống động đất:
Khi thiết kế nhà nhiều tầng nằm trong vùng động đất phải xét thêm tải
trọng do động đất gây ra. Phải thiết kế kết cấu có tính dẻo tốt, có thể hấp thu
năng l ợng do động đất gây ra, kết cấu có thể duy trì sức chịu tải nhất định.
Phải có giải pháp kết cấu hợp lý và giải pháp cấu tạo đúng cho dầm cột,
khung, vách, lõi Trong thiết kế kháng chấn, thiết kế cấu tạo rất quan trọng.
Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại :
- Khi động đất mạnh nhất xảy ra, kết cấu không bị sụp đổ, chấp nhận
các h hại xảy ra với kết cấu. Bảo đảm kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong
miền đàn hồi.
- Tránh sự h hỏng của kết cấu chịu lực và hạn chế sự h hỏng của kết
cấu không chịu lực sau các trận động đất có thể xảy ra một hoặc hai lần trong
thời gian sử dụng kết cấu. Bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng
l ợng khi động đất xảy ra, thông qua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép .
1.3.7. Các điểm cần l u ý khác:
Nhà nhiều tầng th ờng có một vài tầng tầng hầm, có tác dụng:
- Tăng diện tích sử dụng: làm chỗ đậu xe
- Giảm chiều cao nhà
- Giảm chuyển vị ngang của nhà

- Giảm dao động
- Tăng ổn định về lật.
Hiệu quả của việc thiết kế tầng hầm là rất cao, tuy nhiên việc thiết kế và
thi công tầng hầm phải có ông nghệ cao, phải có biện pháp thi công thích hợp
15

để trách hậu quả có thể xảy ra khi thi công tầng hầm nên phải nghiên cứu kỹ
giải pháp chống thấm, giải pháp móng và các giải pháp kỹ thuật khác.
Biến dạng từ biến theo thời gian của bê tông, xảy ra trong bê tông trong
thời kỳ dài từ khi bắt đầu chịu lực. Chất l ợng bê tông và lớp bảo vệ là yếu tố
quan trọng quyết định độ lớn của từ biến. Sự co ngót của vật liệu là nguyên
nhân cơ bản làm thay đổi thể tích bê tông, để khắc phục cần giảm l ợng n ớc
trong vữa bê tông và dùng phụ gia hoá dẻo.
Phân tích kết cấu đúng, thi công xây dựng theo đúng quy phạm.
L u ý điều kiện địa chất nơi xây dựng. Tuỳ điều kiện cụ thể để chọn
giải pháp kết cấu hợp lý, an toàn và hiệu quả.

16


Ch ơng 2
Nguyên lý thiết kế và cấu tạo
nhà cao tầng
2.1. hệ kết cấu nhà cao tầng
Hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu của công
trình nhận các loại tải trọng và truyền chúng xuống nền đất. Nó đ ợc tạo
thành từ một hoặc nhiều loại cấu kiện cơ bản trên. Có thể phân loại các hệ kết
cấu chịu lực của nhà nhiều tầng thành hai nhóm chính:
- Nhóm các hệ cơ bản: Hệ khung (I), hệ t ờng (II), hệ lõi (III) và hệ hộp
(IV).
- Nhóm các hệ hỗn hợp: tạo thành từ hai hoặc nhiều hệ cơ bản trên.
IV
I
II
III
I-II II-III
II-IV
I-III
I-IV III-IV

17

Hình 2.1. Sơ đồ các hệ kết cấu chịu lực
2.1.1. Các hệ cơ bản:
a. Hệ khung chịu lực (I):
Đặc điểm: Hệ này đ ợc tạo thành từ các thanh đứng (cột) và ngang
(dầm) liên kết cứng tại chỗ giao nhau giữa chúng (nút). Các khung phẳng lại

liên kết với nhau qua các thanh ngang tạo thành khối khung không gian có
mặt bằng vuông, chữ nhật, tròn, đa giác Hệ khung chịu lực thuần túy có độ
cứng chống uốn thấp theo ph ơng ngang nên hạn chế sử dụng trong nhà nhiều
tầng có chiều cao trên 40m.
- Dầm: do lực dọc ở dầm không lớn nên việc tính toán khung đ ợc u
tiên cho tính chịu uốn.
- Cột: đa số cột của khung cứng là t ơng đối dễ bị uốn. Chúng tiếp nhận
lực dọc và momen uốn lớn. Mô men phụ phát sinh do chuyển vị của cột theo
ph ơng vuông góc mặt phẳng khung. Khi chịu uốn ngang trong các cột phát
sinh những momen phụ do lực dọc.
D ới tác động của tải trọng ngang và đứng, khung chịu lực đ ợc nhờ
khả năng chịu cắt và uốn của các thanh. Ngoài khả năng chịu tải riêng biệt của
các cấu kiện thanh, độ cứng của liên kết tại các nút khung có một ý nghĩa hết
sức quan trọng. Chuyển vị ngang của một khung cứng bao gồm hai thành
phần: chuyển vị ngang do uốn khung nh một thanh consol thẳng đứng (20%)
và chuyển vị ngang do uốn các thanh thành phần (chiếm khoảng 80% trong đó
65% do biến dạng của dầm và 15% do biến dạng cột). Xét về tổng thể, biến
dạng ngang của khung cứng thuộc biến dạng cắt.
Hệ khung chịu lực đ ợc sử dụng rất phổ biến với các u điểm :
- Có khả năng tạo không gian lớn, linh hoạt, sơ đồ làm việc rõ ràng.
- Biện pháp thi công đơn giản, phù hợp với mọi trình độ thi công.
Các loại hệ khung chịu lực:
18

- Hệ khung không gian: Với hệ kết cấu loại này cột đ ợc bố trí theo 2
ph ơng theo suốt chiều ngang và dọc của nhà. Hệ này có nh ợc điểm là tất cả
các cột đều chịu uốn theo 2 ph ơng, các cột biên có thể bị nhổ, hạn chế trong
việc bố trí mặt bằng. Hệ này th ờng dùng trong các kết cấu có chiều cao thấp
hoặc trung bình.
- Hệ khung chu vi: Với hệ kết cấu loại này, lực ngang do các cột biên

chịu, các cột trong dùng để truyền lực thẳng đứng. Hệ này cho phép tăng
khoảng cách cột, bố trí kiến trúc linh hoạt, có tr ờng hợp giảm chi phí xây
dựng. Các cột góc có thể bị nhổ, để hạn chế có thể bố trí mặt bằng dạng tròn.
- Hệ khung lắp ghép: Hệ này có u điểm xây lắp nhanh, giảm chi phí
ván khuôn, có thể áp dụng công nghiệp hoá, chất l ợng các cấu kiện có độ tin
cậy cao không bị ảnh h ởng của thời tiết. Nh ợc điểm của hệ này khó đảm
bảo độ dẻo và tính liên tục của liên kết. Th ờng dùng cho các công trình d ới
20 tầng.
- Hệ khung bê tông ứng suất tr ớc: Hệ kết cấu loại này có độ cứng lớn
nên cho phép xây dựng đ ợc các công trình có nhịp lớn và thanh mảnh cao.
Tuy vậy cấu kiện dễ bị mỏi và phá hoại dòn do luôn phải chịu lực căng tr ớc.
- Hệ khung t ờng chèn: Với hệ khung t ờng chèn, độ cứng của nhà
tăng lên rất lớn, độ dẻo của kết cấu giảm. Khi động đất t ờng chèn gây bất lợi
cho kết cấu. Nếu bố trí t ờng không liên tục trên các tầng dẫn đến phân phối
trọng l ợng không đều và sẽ làm tăng lực động đất tại các tầng đó. Do t ờng
chèn có độ cứng không đồng nhất với hệ khung nên sẽ dao động độc lập, vì
vậy t ờng chèn dễ tách ra và sập đổ. Cần có biện pháp neo giữ các t ờng chèn
khi thiết kế.
Hệ kết cấu khung có độ cứng ngang kém, kém hiệu quả khi chiều cao
công trình lớn. Để tăng độ cứng theo ph ơng 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 đ ợc tạo thành sẽ làm việc nh một vách cứng thẳng đứng. Nếu thiết
19

kế thêm các hệ dàn ngang (ở tầng trên cùng và một số tầng trung gian) liên
kết các bộ phận khung còn lại với kết cấu dàn đứng thì hiệu quả chịu tải của
hệ có thể tăng thêm khoảng 30%. D ới tác động của tải trọng ngang, các dàn
ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực dọc giữa các khung cột, cản trở chuyển vị
xoay của hệ và giảm momen uốn ở phần d ới khung.
Khi thiết kế các kết cấu dùng hệ khung cần l u ý:

- Hệ này phù hợp với các công trình có tỷ lệ H/B nhỏ hơn 4. Nếu tỷ lệ
lớn hơn có thể gây nhổ, đặc biệt là các cột góc.
- Khi thiết kế không đúng, nếu xảy ra động đất hệ này th ờng bị sập
hoàn toàn, th ờng từ các liên kết dầm và cột do đây là nơi tập trung ứng suất.
- Do độ cứng của kết cấu loại này th ờng không lớn nên những công
trình nhiều tầng có thể có biến dạng ngang lớn, cần l u ý khoảng cách khe
kháng chấn.

Hình 2.2. Các loại sơ đồ hệ khung chịu lực
20

b. Hệ vách cứng chịu lực (II):
Đặc điểm: hệ vách cứng chịu lực gồm t ờng trong và t ờng ngoài, vừa
chịu tải trọng đứng và ngang, đồng thời là t ờng bao ngăn của các phòng. Hệ
này loại đ ợc vấn đề tập trung ứng suất tại các liên kết dầm cột. Các vách có
khả năng chịu uốn tốt, đối với vách có độ mảnh lớn thì độ dẻo lớn, giảm chấn
tốt. Đối với vách dày khả năng chịu lực rất cao và chịu tải động đất tốt. Tải
trọng ngang tác dụng lên công trình đ ợc truyền qua các vách cứng chịu lực
thông qua hệ bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng. Các vách
cứng làm việc nh dầm consol có chiều cao tiết diện lớn. Khả năng chịu tải
của vách cứng phụ thuộc phần lớn vào hình dạng tiết diện ngang. Ngoài ra
vách cứng th ờng bị giảm yếu do có các lỗ cửa. Số l ợng, kích th ớc, vị trí
các lỗ cửa này trên vách cứng ảnh h ởng đến sự làm việc của nó. Các vách
liên kết với nhau hình chữ U, L để tăng khả năng kháng uốn và kháng xoắn.
Ưu điểm:
- Loại bỏ đ ợc hiện t ợng tập trung ứng suất tại các liên kết dầm cột.
- Có độ cứng kháng xoắn lớn.
- Thích hợp cho các công trình cần phải phân chia các khoảng không
gian bên trong nhà và cao đến 20 tầng.
Nh ợc điểm:

- Bố trí mặt bằng kém linh hoạt tuy nhiên có thể dùng hệ kết cấu hỗn
hợp để loại bỏ hạn chế này.
- Tải trọng ngang phân phối vào vách nên khi một vách nào đó bị hỏng
thì xác xuất công trình bị sập đổ sẽ cao hơn, móng các vách phải làm việc
nặng hơn.
c. Hệ kết cấu lõi (III):
Đặc điểm: hệ kết cấu vách cứng có thể liên kết với nhau thành các hệ
không gian khép kín gọi là lõi. Đặc điểm quan trọng của loại kết cấu này là
khả năng chịu lực ngang và khả năng chống xoắn rất tốt. Lõi có dạng vỏ hộp
21

rỗng, tiết diện kín hoặc hở, nó là bộ phận nhận toàn bộ tải trọng đứng và
ngang tác động lên công trình và truyền xuống nền đất. Phần không gian bên
trong lõi bố trí các thiết bị vận chuyển theo ph ơng đứng (thang máy, cầu
thang ), các đ ờng ống kỹ thuật (cấp thoát n ớc, điện )
Hình dạng, số l ợng, cách bố trí các lõi cứng chịu lực trong mặt bằng
nhà rất đa dạng:
- Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác (kín hoặc hở).
- Nhà có một lõi hoặc nhiều lõi.
- Lõi nằm trong nhà, theo chu vi nhà hoặc ngoài nhà. Lõi cứng có thể
xem nh một dầm consol lớn thẳng đứng. Trong lõi sẽ phát sinh ra các ứng
suất do uốn, cắt và xoắn t ơng tự thành hộp kín. Phản ứng của lõi cứng khi
chịu tải trọng ngang phụ thuộc vào hình dáng, độ cứng và mức độ đồng nhất
của nó cũng nh h ớng tác dụng động lực. Dọc theo chiều cao lõi có nhiều lỗ
cửa, kích th ớc các lỗ cửa quyết định tính chất biến dạng tổng thể của lõi.

Hình 2.3. Hệ lõi chịu lực
d. Hệ hộp chịu lực (IV):
Hệ kết cấu này đ ợc dùng cho các công trình có chiều cao lớn và cực
lớn (trên 40 tầng). Hiện nay các nhà cao tầng nhất trên thế giới dùng giải pháp

kết cấu này. Hệ hộp chịu lực, các bản sàn đ ợc gối vào các kết cấu chịu tải
nằm trong mặt phẳng t ờng ngoài mà không cần các gối trung gian khác bên
trong. Có nhiều giải pháp kết cấu khác nhau cho các bức t ờng chịu tải ngoài
của vỏ hộp:
- Giải pháp l ới ô vuông tạo thành từ các cột đặt ở khoảng cách bé với
dầm ngang có chiều cao lớn.
22

- Giải pháp l ới không gian với các thanh chéo. Các thanh chéo làm
tăng độ cứng ngang và độ cứng chống xoắn của công trình, cũng nh khắc
phục tính dễ biến dạng của các dầm ngang.
2.3.1. Các hệ hỗn hợp:
a. Hệ khung - vách chịu lực (I+II):
Kết cấu khung vách cứng là tổ hợp của hai hệ kết cấu: kết cấu khung và
kết cấu vách cứng. Tận dụng u việt của mỗi loại, vừa có thể cung cấp một
không gian sử dụng t ơng đối lớn đối với bố trí mặt bằng kiến trúc lại có tính
năng chống lực ngang tốt.
Biến dạng của kết cấu khung vách là biến dạng uốn cắt. Biến dạng của
kết cấu khung là dạng cắt, biến dạng t ơng đối của các tầng bên trên nhỏ, bên
d ới lớn. Biến dạng của vách cứng là biến dạng uốn cong, biến dạng t ơng đối
của các tầng bên trên lớn, bên d ới nhỏ.
Đối với kết cấu khung vách do điều tiết biến dạng của hai loại kết cấu
cùng làm việc tạo thành biến dạng uốn cắt, từ đó giảm tỷ lệ chuyển vị t ơng
đối giữa các tầng của kết cấu và tỷ lệ chuyển vị của đỉnh điểm, làm tăng độ
cứng bên của kết cấu. Tải trọng ngang, chủ yếu do vách cứng đảm nhiệm.
Từ đặc điểm chịu lực có thể thấy: độ cứng bên của vách cứng lớn hơn
nhiều so với độ cứng bên của khung trong kết cấu khung vách d ới tác động
của tải trọng ngang. Nói chung vách cứng đảm nhận 80%, vì vậy lực cắt của
tầng mà kết cấu khung phân phối d ới tác động của tải trọng ngang, đ ợc
phân bố đều theo chiều cao, mômen uốn cột dầm các tầng t ơng đối bằng

nhau, có lợi cho việc giảm kích th ớc dầm cột thuận lợi cho thi công. Kết cấu
khung - vách có khả năng chống động đất t ơng đối tốt.
23

Nhà nhiều tầng nên tránh dùng kết cấu thuần khung, dùng kết cấu
khung - vách có lợi đối với việc hạn chế chuyển vị ngang, giảm nội lực dầm
cột của khung, tiết kiệm vật liệu.
Trong bố trí mặt bằng vách cứng nên phân bố đều, độ cứng các mảng
t ờng nên t ơng đ ơng. Vách cứng nên bố trí trong mặt phẳng trục dầm cột,
vách cứng dọc và ngang liền nhau nên nối liền nhau thành hình chữ L, T để
tăng độ cứng và khả năng chống xoắn. Lỗ trên vách cứng nên bố trí ở phần
giữa tiết diện, vách cứng nên chạy suốt toàn chiều cao công trình, chiều dày
của vách giảm dần dọc chiều cao, tránh thay đổi chiều dày đột ngột làm độ
cứng cũng thay đổi đột ngột. Nếu tầng trên và d ới đều mở lỗ, vị trí trên d ới
nên chỉnh đều, tránh bị lệch. Dầm cột trong kết cấu khung - vách phải đạt
đ ợc cột khoẻ dầm yếu, không cho phép cột xuất hiện khớp dẻo và phá hoại
cắt .

Hình 2.4. Sơ đồ hệ kết cấu khung - vách
Trong tính toán và cấu tạo hệ khung vách chịu lực nhà nhiều tầng,
ng ời ta phân ra nhà có sơ đồ giằng và nhà có sơ đồ khung giằng.
- Sơ đồ giằng: Có thể có các kết cấu cơ bản là lõi, vách và khung, trong
đó lõi vách và khung đều tiếp nhận tải trọng đứng, nh ng khung không tiếp
nhận tải trọng ngang do khung có độ cứng ngang quá bé so với vách và lõi
hoặc có thể khung cấu tạo khớp với cơ chế không tiếp nhận tải trọng ngang.
24

Khi các liên kết cột và dầm là khớp, khung chỉ chịu một phần tải trọng đứng
t ơng ứng với diện tích truyền tải của nó, còn toàn bộ tải trọng ngang do hệ
vách chịu.

- Sơ đồ khung giằng: Khi các cột liên kết cứng với dầm, khung tham gia
chịu tải đứng và ngang cùng với vách. Do tính liền khối tốt, độ cứng lớn, biến
dạng ngang nhỏ. Hệ vách liền khối tạo thành kết cấu hộp nhiều vách ngăn có
độ cứng ngang lớn, biến dạng ngang nhỏ d ới tác động của gió và động đất.
Khoảng cách các vách không quá lớn nên việc bố trí và sử dụng không gian
kiến trúc bị hạn chế nhất định khó đáp ứng các công trình đòi hỏi không gian
lớn nh các công trình công cộng. Loại kết cấu này phù hợp cho nhà ở, văn
phòng, khách sạn có không gian vừa và nhỏ. Nếu công trình có các tầng d ới
cần không gian lớn thì có thể cho một số vách cứng liên tục xuống móng còn
một số dùng khung đỡ vách cứng trên cao (kết cấu khung đỡ vách cứng). Tuy
nhiên cần có giải pháp kết cấu hợp lý để đảm bảo an toàn cho hệ kết cấu này.

Hình 2.5. Sơ đồ giằng và khung giằng
Kết cấu khung vách th ờng đ ợc sử dụng khá phổ biến vì hệ kết cấu
này phù hợp với hầu hết các giải pháp kết cấu nhà cao tầng.