Kết cấu nhà cao tầng

KẾT CẤU:
Trên cơ bản, kết cấu đồng nghóa với chống đỡ, cho nên tồn tại với tất cả
kiến trúc. Cụ thể: kết cấu là coat, là bản hoặc là tổ hợp cột bản. Kiến
trúc sư sử dụng kết cấu một cách có ý thức để thực hiện các loại cấu tự.
Với ý nghóa đó, có thể căn cứ vào tiết tấu, mô thức, tính giản lược, tính
quy luật, tính tùy ý, tính phức tạp để thiết kế cột, tường, dầm. Cho nên
kết cấu có thể xác đònh không gian, hình thành đơn nguyên, liên kết lộ
tuyến giao thông, chỉ thò phương hướng vận động , để tổ hợp và điều
chỉnh.
Chính vì vậy, không thể thiếu kết cấu trong mối liên hệ các yếu tố của
quá trình sáng tạo kiến trúc, trong mối liên hệ với phẩm chất và sự tinh tế
của kiến trúc. Kết cấu có thể làm sáng tỏ thêm các hạng mục phân tích:
chiếu sáng tự nhiên, quan hệ từ đơn nguyên đến tổng thể, hình kỉ hà, giao
thông đến không gian sử dụng, tính đối xứng, cân bằng và đẳng cấp khối.
KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG
I/ ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG:
1/ Sơ lược lòch sử phát triển nhà cao tầng:
Những công trình cao cổ xưa như:Kim tử tháp Ai Cập, đền Mayan ở
Tikal, Guatemala, và đền Kutab Minar ở Ấn Độ là một trong những công
trình chứng tỏ có tính lôi hút con người nghó đến việc xây dưng công trình
cao tầng.
Với tốc độ đô thò hoá và phát triển dân số, nhà cao tầng phục vụ nhà ở ra
đời.
Để đảm bảo vấn đề thẩm mỹ, giải pháp kỹ thuật cho nhà cao tầng có thể
được cải tiến nhanh chóng, nhiều vật liệu kết cấu mới ra đời để tạo ra các
bộ mặt kiến trúc bên ngoài và tăng hiệu quả sử dụng không gian kiến
trúc bên trong.
Một toà nhà được xem là nhà cao tầng nếu chiều cao của nó quyết đònh
các điều kiện thiết kế, thi công và sử dụng khác so với ngôi nhà thông
thường thấp khác.
Khoa học kó thuật xây dựng ngày nay đã có những tiến bộ nhanh chóng,

cho nên ngay từ những năm cuối thế kỷ 19, Mỹ đã xây dựng những ngôi
nhà cao từ 10 đến 20 tầng bằng khung thép –gang.Từ đầu thế kỷ 20 đến
thập niên 50, hàng loạt các ngôi nhà cao từ 20 đến 100 tầng ra đời , chủ
yếu ở Mỹ.Từ những năm 60 đến nay ở hàng loạt các nước Châu Âu, Nam
Mỹ, Nhật, Hồng Kông, Thượng Hải…đã xây dựng hàng trăm hàng nghìn
ngôi nhà cao tầng( 30 đến hơn 100 tầng).Có thể một vài ngôi nhà cao
tầng điển hình:
• Sears Tower: 109 tầng, cao 443m, Chicago, Mỹ gồm 102 thang
máy.
• Ngân hàng Trung Hoa ở Hồng Kông: 100 tầng, cao 315m.
• Toà nhà tháp đôi “Petronas” 88 tầng, cao 452m ở Kualampua,
Malaysia, hiện nay được coi là toà nhà cao nhất thế giới.
• Ở Việt Nam đã xây dựng được các ngôi nhà cao tầng đến 33
tầng(trung tâm thương mại Sài Gòn), cao ốc Sài Gòn Center,
Diamon Plaza, Sài Gòn Tower…
2/Đặc điểm kết cấu nhà cao tầng:
So với các nhà thông thường khác, nhà cao tầng có những đặc điểm cơ
bản sau:
Số lượng tầng nhiều nên trọng lượng bản thân và tải trọng sử dụng
thường rất lớn, lại được phân bố trên một diện tích mặt bằng nhỏ.
Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng, ảnh hưởng đến nhiều trạng
thái ứng suất và biến dạng của công trình vốn có siêu tónh cao.
Để giảm giá trò hệ lực quán tính sinh ra khi toà nhà dao động, phải tìm
cách phân bố khối lượng hợp lý theo chiêu cao nhà.Do đó cần ưu tiên sử
dụng các vật liệu nhẹ làm kết cấu bao che, dùng vật liệu cường độ cao để
chòu lực. Đặc biệt thép cường độ cao.
Do công trình có chiều cao lớn; tác động các loại tải trọng ngang(do gió,
động đất) là rất đáng kể.Việc chọn giải pháp kết cấu nhà cao tầng có ảnh
hưởng khá nhiều đến độ bền và ổn đònh công trình, dao động bản thân do
gió động, tính chống lật của công trình…

Điều kiện thi công phức tạp(do mặt bằng thi công hẹp, hướng thi công
chủ yếu theo chiều cao.Qui trình thi công cần nghiêm ngặt và yêu cầu độ
chính xác cao khó thực hiện. Do vậy trình độ kỹ thuật, máy móc thiết bò,
điều kiện tổ chức thi công đòi hỏi cao và đặc biệt hơn so với công trình
thường.
Điều kiện sử dụng, vệ sinh môi trường, thông gió, cấp thoát nước, giao
thông chủ yếu theo phương thẳng đứng, ảnh hưởng đến sức khoẻ, tâm lý
con người…
Với những đặc điểm phức tạp trên, công việc thiết kế chọn giải pháp cần
sự hợp tác ngay từ ban đầu của nhiều ngành ở nhiều lónh vực khác nhau:
kỹ thuật, kinh tế, xã hội, môi trường…
3/Phân loại nhà cao tầng
Theo số tầng và chiều cao: gồm 4 loại :
• Loại I: 9-16 tầng(chiều cao nhà H<50m)
• Loại II:17-25 tầng(H=50-70m)
• Loại III: 26-40 tầng(H=75-100m)
• Loại IV: loại siêu cao tầng với số tầng lớn hớn 40 tầng(cao hơn
100m).
Theo mục đích sử dụng:cao ốc văn phòng, khách sạn, nhà ở, trung tâm
thương mại, ngân hàng…
Theo hình dạng mặt bằng: vuông, đa giác, chữ nhật, bẻ góc, chữ I,L…
Theo vật liệu xây dựng:nhà BTCT, thép hình hoặc BTCT kết hợ thép…
Theo sơ đồ kết cấu: nhà khung, nhà tường, nhà hộp, khung –tường kết
hợp…
II/ YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG(NCT):
Khi thiết kế NCT, kiến trúc sư, kỹ sư phải xem xét toàn diện mọi vấn đề
kiến trúc, kết cấu và các kỹ thuật khác kể cả biện pháp thi công.Trong đó
phương án chòu lực kết cấu công trình phải được chú trọng ngay từ lúc
phác thảo phương án.
Những vấn đề dưới đây cũng phải cân nhắc khi tìm toi phương án kiến

trúc:
• Đòa chất công trình quyết đònh số tầng và chiều cao ngôi nhà khi
kinh phí đầu tư bò hạn chế.
• Kỹ thuật xây khu dân cư hiện hữu.
• Tầng hầm, tổ chức lưu thông.
• Hệ thống kỹ thuật hạ tầng cơ sở: điện cấp thoát nước, cứu hỏa,
thang máy, thoát hiểm, cấp nhiệt, hơi, điện lạnh…
• Điều kiện tổ chức, phương pháp kỹ thuật thi công…
• Công năng, tổ chức quản lý công trình…
• Riêng về mặt kết cấu công trình cần đảm bảo sao cho ngôi nhà làm
việc được dưới mọi tải trọng và tác động.
• Vật liệu bao quanh công trình cầu chòu được sự thay đổi về nhiệt độ
và độ ẩm,…
• Khi ngôi nhà có tầng hầm phải lưu ý tới tác động của đất, nước
ngầm làm đẩy nổi tầng hầm…
Các nguyên lý cơ bản:
Vật liệu xây dựng công trình(CT):
Sử dụng vật liệu có cường độ cao, trọng lượng nhẹ để giảm giá trò của hệ
lực quán tính sinh ra khi CT dao động, nhưng vẫn đạt được hiệu quả cao
nhất về khả năng chòu lực của tiết diện.
Sử dụng vật liệu có tính biến dạng lớn nhằm tăng cường khả năng phân
tán năng lượng khi CT dao động.
Sử dụng vật liệu có khả năng chòu mỏi lớn để chòu các tải trọng lặp, đổi
chiều.
Vật liệu cần có tính đồng nhất, đẳng hướng nhằm hạn chế sự tách thớ làm
giảm tiết diện cấu kiện khi chòu tải trọng lặp.
Vì vậy thép là vật liệu hoàn toàn hợp lý để làm kết cấu NCT.
-Hình dáng công trình:
Nội lực, chuyển vò nhà cao tầng bò ảnh hưởng rất lớn bởi dao động bản
thân.Vì vậy, khi chọn hình dáng, hình khối của công trình cần tìm cách

giảm nhiều nhất các ảnh hưởng của dao động.Cụ thể là:
Hình dạng mặt bằng cần đơn giản, gọn, đối xứng và có độ cứng chống
xoắn lớn. Các nhà có mặt bằng hình chứ L, H, Y cần bố trí thêm các khe
kháng chấn để biến chúng thành tổ hợp của các mặt bằng đơn giản hình
chữ nhật. Khi dao động phần nhà ở hai bên khe kháng chấn dao động độc
lập, không bò va đập vao nhau.
Hình khối công trình cần cân đối đơn điệu và liên tục:
• Các biến đổi đột ngột về hình khối theo chiều cao như khối
cao và khối thấp sẽ dẫn đến những đột biến về khối lượng
tham gia dao động. Khi cần thiết tách hẳn thành khe lún.
• Hình dáng thu hẹp dần theo chiều cao(tháp Eiffel) nhằm
giảm thấp nhất ảnh hưởng của dao động nhờ phân phối hợp
lý theo chiều cao.
-Độ cứng công trình:
Trên dọc chiều cao nhà và theo phương ngang nhà không nên thay đổi độ
cứng, trong trường hợp cần thiết cần phải bớt đi một số cột để tăng nhòp
sử dụng của các tầng bên dưới thì bố trò thêm các hệ khung cứng đỡ sao
cho độ cứng của tầng này không bò giảm yếu đi quá nhiều so với những
tầng khác.
-Bố trí kết cấu trên mặt bằng
Lưới cột : việc bố trí lưới cột trên mặt bằng cần theo những nguyên tắc
cơ bản sau:
• Lưới cột phải phù hợp với mặt bằng kiến trúc và sơ đồ kết cầu chòu
lực của toà nhà.
• Để thuận tiện cho thi công và sử dụng trang thiết bò thì lưới cột cần
phải đơn giản.Thông thường các ô lưới nên chọn là ô chữ nhật hay
là ô vuông. Với các nhà có mặt bằng đối xứng thì nên chia ô lưới
thống nhất cho những phần có thể, phần còn lại giành cho những
phần cho các không gian đệm như: Hành lang, sảnh…
• Bước của khung cột thường là 5-6m đối với sơ đồ khung, 9-12m cho

các sơ đồ kết hợp khung- lõi, khung-vách.Với các hệ kết hợp
khung-hộp hoặc vách hộp thì khoảng cách của các hàng cột có thể
lớn hơn.
Hệ giằng :
Để đảm bảo tính chất bất biến hình cho hệ thì một trong ngôi nhà cần có
ít nhất 3 hệ giằng cứng không cung song song hoặc không cắt nhau trên
cùng một điểm.
Bố trí các vách cứng nên đối xứng, sao cho trọng tâm hệ vách trùng với
tâm mặt bằng và càng xa trọng tâm càng tốt nhằm giảm độ xoắn công
trình khi chòu tải trọng ngang.
Với nhà có MB kéo 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.
Kết cấu sàn:
Việc chọn sơ đồ kết cấu cho các sàn ngang phụ thuộc vào kích thước của
ô sàn, hình dạng ô sàn và cấu tạo bản thân tấm sàn. Chọn phương án này
hay phương án khác sẽ ảnh hưởng đến chiều cao làm việc của tầng và độ
cứng ngang của toàn công trình.
-Tổ hợp kết cấu theo phương đứng:
Độ cứng không gian của kết cấu phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng của
nó. Nhà có dạng thon dần theo chiều cao sẽ hợp lý nhất về phân phối
trọng lượng khi dao động.VD như khi có cùng tỷ số (H/B) = (5-6) thì nhà
có độ thon = 1/20 thì chuyển vò đỉnh của nó chỉ bằng 25-30% so với
chuyển vò của nhà không có đỉnh thon.
Kết cấu dãi giằng đứng thường là các dàn phẳng hoặc tổ hợp để tạo
thành dàn không gian mà cánh của chúng chính là các cột khung.
Các dãi giằng ngang thường đặt ở các tầng đỉnh hoặc các tầng kỹ thuật số
lượng và kích thước các giằng này tuỳ thuộc vào chiều cao nhà , phương
án kết cấu chòu lực…và thường chỉ được quyết đònh sau khi lựa chọn một
số phương án.

Dọc theo chiều cao tuỳ theo tình hình cụ thể, hệ thống kết cấu chòu lực
của nhà cũng có thể thay đổi.Các cột khớp, khung cứng, dàn giằng đứng,
dàn giằng ngang…được sắp xếp theo các tổ hợp khác nhau.Hệ có cấu tạo
như vậy gọi là hệ kết hợp. Giải pháp được gọi là hợp lý hơn nếu cho kết
quả chuyển vò ngang, chuyển vò xoay của hệ bé và momen uốn ở chân là
bé, đồng thời phải truyền tác động đến móng nhanh nhất.
III/HỆ THỐNG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG:
1/Các hệ kết cấu cơ bản:
Hệ khung cứng: Dầm cột liên kết -> tạo thành khung cứng. Các khung
cứng từ các phương liên kết tạo thành khung không gian cùng tham gia
chòu lực. Để tăng cường độ cứng cần bố trí thêm hệ giằng xiên.
Hệ tường chòu lực:Tấm tường đóng vai trò vách cứng chòu đồng thời tải
trọng đứng và ngang -> mặt bằng sử dụng bò hạn chế bởi các tấm tường.
Hệ lõi: dạng vỏ hộp rỗng ghép bởi tường vách, không gian bên trong tận
dụng làm cầu thang. Có thể bố trí đầu nhà, giữa nhà hoặc góc nhà.
Hệ hộp: khung bao quanh, lõi ở giữa nhà.
Hệ kết cấu hỗn hợp: Khung –tường kết hợp(khung giằng), khung- lõi, hệ
khung – hộp…Việc sử dụng các kết cấu hỗn hợp tạo được không gian lớn
linh hoạt(do khung chòu hầu hết tải trọng đứng, vách, lõi phần lớn chòu tải
trọng ngang).
2/ Các căn cứ lựa chọn
Rất quan trọng vì ảnh hưởng đến ý đồ kiến trúc, đk thi công và giá thành
công trình. Có khi phương án kết cấu làm thay đổi bố cục mặt bằng và tổ
chức giao thông, sử dụng công trình…
Số tầng nhà, số chiều cao nhà: 20 tầng trở xuống dùng kết cấu khung,
khung vách, khi trên 20 tầng dùng kết cấu khung lõi, kết cấu hộp.
Mặt bằng sử dụng: Nhà ờ, khách sạn không gian nhỏ dùnh nhà vách văn
phòng, giao dòch… cần không gian rộng dùng nhà khung kết hợp vách lõi…
Các bộ phận chi tiết trong kết cấu nhà cao tầng
1.Vách cứng:

2.Khung cứng: Chịu tồn bộ tải trọng đứng, ngang. Thơng thường được đúc
tồn khối
3.Khung đỡ vách cứng: Thường dùng cho các các cơng trình có khơng gian
rộng như cửa hàng, hội trường… Khoảng cách giữa 2 vách cứng kề nhau sau
khi thay đổ phải <36m
4.Lõi cứng: Thường làm bằng BTCT hoặc vật liệu hỗn hợp
5. Sàn: Là vách cứng ngang chịu tải trọng thẳng đứng và có tác dụng truyền
tải trọng ngang. Được làm bằng BTCT đỗ tại chỗ, BTCT ứng lực trước,
BTCT dầm thép.
6.Hệ giằng: Tăng cường ổn định và độ cứng cho khung khi chịu tải trọng
ngang
7.Cầu thang: Khu vực bố trí cầu thang hay thang máy thương làm giảm độ
cứng sàn và xuất hiện ứng suất. Nên cần đặt vách cứng xung quanh khu vực
cầu thang. Thường bố trí đối xứng để giảm bớt hiện tượng xoắn
8.Khe co giãn: Nhằm làm giảm ứng suất phụ phát sinh khi kết cấu giãn nở
hoặc co ngót
9.Khe lún:
10.Móng nhà: Cần căn cứ vào các điều kiện:
• Tải trọng công trình.
• Sự xuất hiện của tầng hầm.
• Địa chất.
• Đk thi công.