THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG VÁCH LIÊN HỢP

Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG SỬ DỤNG KẾT CẤU VÁCH LIÊN HỢP
TS. Vũ Quốc Anh & Th.S Phạm Ngọc Hiếu
Khoa xây dựng – Đại học Kiến Trúc Hà Nội

Thiết kế nhà cao tầng sử dụng kết cấu vách liên hợp

Kết cấu vách bê tông- Thép hình
Với các công trình cao tầng có quy mô lớn, khi làm việc kết cấu chịu tải trọng ngang
lớn, và yêu cầu thời gian thi công nhanh thì việc sử dụng kết cấu vách bê tông cốt thép
thông thường cho hiệu quả làm việc không cao. Khi đó cần sử dụng kết cấu vách liên
hợp. Kết cấu vách liên hợp có một số ưu điểm sau: thứ nhất là khả năng chịu lực của
vật liệu tăng làm giảm kích thước cấu kiện, tăng không gian sử dụng, thứ hai là khả
năng chịu biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép, đó là ưu điểm lớn khi chịu tải
động đất và thứ ba là dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại làm tăng tốc độ thi
công, sớm đưa công trình vào sử dụng. Dưới đây trình bày cách tính toán thiết kế
khung thép nhà cao tầng sử dụng vách là kết cấu liên hợp.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhà cao tầng ngày càng phổ biến và là xu thế phát triển của tương lai. Do đặc thù của
nhà cao tầng, yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là tải ngang, có thể gây ra các vấn đề không
những về độ bền mà còn các vấn đề về chuyển vị ngang, gia tốc dao động, ổn định
công trình (chống lật, chống trượt), hiệu ứng P-delta. Do đó, kết cấu vách với độ cứng
cao, đáp ứng các yêu cầu về mặt kiến trúc cũng như về mặt thẩm mỹ đã được sử dụng.
Nó trở lên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong những nhà cao tầng và siêu cao
tầng.
Trang 1


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
Về cấu tạo, vách có thể là vách bê tông cốt thép, vách thép hoặc vách liên hợp thép –

bê tông, phổ biến nhất là vách BTCT. Bắt nguồn từ yêu cầu thi công, yêu cầu kiến trúc
cũng như khả năng chịu lực, chịu kháng chấn, vách liên hợp đã được sử dụng và được
đúc kết có những ưu điểm sau:
+ Khả năng chịu lực của vật liệu tăng, do thép tham gia chịu lực đáng kể, giảm kích
thước cấu kiện, làm tăng không gian sử dụng và tăng hiệu quả kiến trúc.
+ Khả năng biến dạng và khả năng kháng chấn tốt hơn so với kết cấu BTCT.
+ Tăng ổn định của kết cấu do kết cấu liên hợp được bọc bê tông bên ngoài (hoặc nhồi
bê tông bên trong) sẽ làm giảm độ mảnh so với cấu kiện thép thông thường, từ đó tăng
tính ổn định.
+ Làm giảm hàm lượng thép tròn ở hai đầu vách, thuận tiện cho việc thi công.
Dưới đây là hình ảnh về sử dụng kết cấu vách liên hợp thép – bê tông trong nhà cao
tầng tại công trình Dolphin Plaza, 28 Trần Bình, Hà Nội:

Trang 2


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp

H. 1

Thi công vách liên hợp

2. TÍNH TOÁN VÁCH LIÊN HỢP
Trong vách liên hợp, việc tính toán cốt cứng vẫn chưa được đề cập cụ thể trong tiêu
chuẩn Việt Nam. Hiện trên thế giới cũng có đề cập một số phương pháp tính song nó
khá phức tạp và chưa được sử dụng rộng rãi. Vì vậy nội dung bài báo trình bày
phương pháp tương đối đơn giản để xác định khả năng chịu lực của vách liên hợp thép
– bê tông.
Để đảm bảo cho việc tính toán thống nhất và đơn giản, sử dụng một số giả thiết sau
[5]:

+

Các thành phần trên tiết diện làm việc như một thể thống nhất trước khi đạt tới

trạng thái giới hạn. Thép đạt đến giới hạn chảy và bê tông đạt đến giới hạn cường độ
chịu nén.
Trang 3


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
+

Khi cấu kiện đạt tới trạng thái giới hạn thì vẫn xem vách có tiết diện phẳng, nhằm

cho phép áp dụng các giả thiết cơ bản của sức bền.
+

Khi cấu kiện đạt tới trạng thái giới hạn thì xem cả phần thép và bê tông cùng đạt

tới trạng thái giới hạn, thép đạt tới trạng thái giới hạn chảy, bê tông đạt tới giá trị ứng
suất nén giới hạn.
+

Lực dính kết giữa bê tông và thép được đảm bảo, không tách rời trong suốt quá

trình làm việc (nhờ vào việc cấu tạo các chốt liên kết).
Dùng phương pháp giả thiết vùng biên mô men để tính toán: phương pháp này cho
rằng cốt thép đặt trong vùng biên ở hai đầu tường được thiết kế để chịu toàn bộ mô
men. Lực dọc trục được giả thiết là phân bố đều trên toàn bộ chiều dài tường.
Quan niệm tính toán:

+

Ứng suất kéo do cốt thép chịu.

+

Ứng suất nén do cả cốt thép và bê tông chịu.

Ký hiệu
Abien

Ý nghĩa
Diện tích vùng biên
của vách
Bề rộng vùng biên

Bl , Br

bên trái và bên phải
vách

L
fc
fs, f

Chiều dài vách
Cường độ chịu nén
của bê tông
Cường độ tính toán
Trang 4

Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
của thép tròn và thép
tấm.
Hệ số giảm độ bền

fb, fc

khi uốn và nén

Ab , Aa

Nk , Nn

Diện tích bê tông và
thép tấm
Lực kéo và nén
trong vùng biên

2.1. Các bước tính toán
·

Bước 1: Giả thiết chiều dài B của vùng biên chịu mômen. Xét vách chịu N và

M trong mặt phẳng vách.

H. 2
·

Mặt cắt và mặt đứng vách
Bước 2: Xác định lực kéo hay nén trong vùng biên:

Trang 5


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp

(1)

·

Bước 3: Tính toán cốt thép chịu kéo và chịu nén

Thép vùng nén:

(2)

Thép vùng kéo:
·

(3)

Bước 4: Kiểm tra hàm lượng cốt thép. Nếu quá lớn thì tăng bề rộng vùng biên

B. Vùng biên B có giá trị lớn nhất 0,5L, nếu vượt quá giới hạn đó mà hàm lượng vẫn
lớn thì lên tăng chiều dày vách.
·

Bước 5: Kiểm tra phần tường còn lại giữa hai vùng biên như đối với cấu kiện

chịu nén đúng tâm. Trường hợp bê tông đủ khả năng chịu lực thì cốt thép chịu nén
được đặt theo cấu tạo.

2.2. Nhận xét
·

Phương pháp này phù hợp với vách có tiết diện tăng cứng ở hai đầu.

·

Phương pháp này thiên về an toàn vì chỉ kể đến khả năng chịu mô men của thép.

3. VÍ DỤ KHẢO SÁT

Trang 6


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
Khảo sát mô hình nhà 30 tầng. Công trình dùng để làm Trung tâm thương mại và văn
phòng cho thuê. Tầng 1 có chiều cao 4m, các tầng điển hình có chiều cao 3,3m. Tổng
chiều cao nhà là 99,7m. Mặt bằng kết cấu công trình như hình 3.
Giải pháp kết cấu: dùng cột liên hợp thép bê tông, dầm thép, sàn bê tông và vách.
Vách được sử dụng với 2 giải pháp: vách BTCT đơn thuần và vách liên hợp thép bê
tông, cốt cứng đặt trong vách chỉ được đặt đến tầng 15, từ tầng 16 trở lên thì đặt vách
bê tông cốt thép đơn thuần.
Vật liệu sử dụng:
Bêtông cấp bền B35.
Thép cốt cứng dùngCCT34, f = 210 MPa
Thép tròn:

+

D<10, , thép CI, Rs= 225 MPa

+

D ≥10, thép CII, Rs= 280 MPa

+

D≥F20, thép CIII, Rs= 365 MPa

Trang 7


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp

H. 3

Mặt bằng kết cấu

Trang 8


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp

H. 4

Mô hình không gian công trình

Trong bài báo này, giữ nguyên các kích thước cột, dầm, sàn và đảm bảo khả năng chịu
lực của chúng, và tiến hành thay đổi các vách bê tông để khảo sát sự ảnh hưởng của 2
loại vách trên đối với công trình. Khảo sát công trình theo phương trục Y là phương
yếu hơn so với phương X. Tải tác dụng bao gồm:
+

Tĩnh tải để máy tự dồn.
Trang 9


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
+

Sử dụng vách nhẹ ngăn chia và dùng kính bao xung quanh nhà.

+

Hoạt tải: khu hành lang lấy 360(daN/m2), khu làm việc lấy 240 (daN/m2), có xét

thêm hệ số giảm hoạt tải của nhà nhiều tầng.
+

Tải gió: công trình được xây dựng tại Hà Nội, gió thuộc vùng IIB.

+

Động đất được đưa vào công trình thông qua phổ phản ứng: công trình được xây

dựng tại Hà Nội. Theo bảng 3.1 “Các loại đất nền”, trang 25 TCXDVN375:2006 [3],
Hà Nội có đất nền loại C. Hệ số tầm quan trọng công trình là 1,25; công trình được

xây dựng tại quận Cầu Giấy.

Trong bài báo này, giữ nguyên các kích thước cột, dầm, sàn và đảm bảo khả năng chịu
lực của chúng, và tiến hành thay đổi các vách bê tông để khảo sát sự ảnh hưởng của 2
loại vách trên đối với công trình. Khảo sát công trình theo phương trục Y là phương
yếu hơn so với phương X. Tải tác dụng bao gồm:
Các tổ hợp tải trọng được xét để xác định nội lực và chuyển vị bao gồm:
Tổ hợp 1 (TH1): Tĩnh Tải + Hoạt Tải
Tổ hợp 2 (TH2): Tĩnh Tải + Gió
Tổ hợp 3 (TH3): Tĩnh Tải + (Hoạt Tải + Gió)*0,9
Tổ hợp 4 (TH4):Tĩnh Tải+Hoạt Tải *0,8 Gió*0,5+Đ.Đất
Tổ hợp 5 (TH5): Tĩnh Tải + Gió tiêu chuẩn
Tổ hợp 5 để kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình, chuyển vị cho phép 15cm.
Dựa trên điều kiện đảm bảo độ bền cũng như biến dạng của công trình, kết quả khảo
sát được đưa ra như sau:
·

Phương án 1: dùng vách BTCT có bề dày là 400 từ tầng 1 cho đến hết tầng 30.

Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16, xem hình 5:

Trang 10


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16
H. 5

·

Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ nhất

Phương án 2: dùng vách liên hợp thép – bê tông có bề dày 300, tấm thép trong

vách dày 7cm được đặt từ tầng 1 đến tầng 15, tầng 16 đến tầng 30 dùng vách BTCT
đơn thuần. Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16 như hình 6:

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16
H. 6

Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ hai

Trang 11


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
·

Phương án 3: dùng vách liên hợp thép – bê tông có bề dày 250, tấm thép trong

vách dày 10cm được đặt từ tầng 1 đến tầng 15, tầng 16 đến tầng 30 dùng vách BTCT
đơn thuần. Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16 như hình 7:

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16

H. 7

·

Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ ba

Phương án 4: dùng vách liên hợp thép – bê tông có bề dày 250, tấm thép trong

vách dày 12cm được đặt từ tầng 1 đến tầng 15, tầng 16 đến tầng 30 dùng vách BTCT
đơn thuần. Kết quả thép vách số 1 cho tầng 1 và tầng 16 như hình 8:

a) Bố trí thép vách 1 tại tầng 1

Trang 12


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
b) Bố trí thép vách 1 tại tầng 16
H. 8

Thép vách số 1 tại tầng 1 và tầng 16 cho phương án thứ tư

Tần số, chuyển vị và nội lực của các phương án có kết quả như sau:
Bảng 1. Tần số dao động của công trình

Dạng
dao
động
Phương
X

Phươ
ng
Y

Phương
Z

Tầ Phươ

Phươ

Phươ

Phươ

n

ng án ng án ng án ng án

số

I

f1

1.388 1.351 1.341 1.316

f2

0.280 0.291 0.301 0.300

f3

0.118 0.126 0.132 0.131

f1

2.358 2.272 2.238 2.217

f2

0.573 0.577 0.583 0.579

f3

0.240 0.247 0.253 0.251

f1

0.952 1.015 1.063 1.058

f2

0.300 0.323 0.341 0.340

f3

0.163 0.175 0.185 0.184

II

Trang 13

III

IV


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp

Bảng 2. Chuyển vị đỉnh công trình (Đơn vị: cm)

Phươn

Phươn

g án I

g án II

g án III

30

14.34

14.19

14.63

14.36

25

11.90

11.85

12.28

12.04

20

9.2

9.21

9.56

9.36

15

6.29

6.30

6.65

6.40

10

3.44

3.46

3.6

3.51

5

1.11

1.12

1.17

1.13

Tầng

Bảng 3. Nội lực trong vách 1 (T-m)
Tần

Nộ Phươn Phươn

Phươn

Phươn

g

i

g án

g án

g án

g án

lực

I

II

III

IV

M

757.32

Tần
g
1

N
V

-

Phươn

Phươn

1043.8 1174.3

1269.0

4

7

3

-

-

-

392.40 427.88 430.27 454.00

107.46 103.94 101.97 102.64
Trang 14

g án
IV


Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp
Tần
g
16

M

N
V

124.04 117.66

113.69

118.84

-

-

-

-

219.02 190.54 173.53 174.38
75.53

70.01

68.09

67.87

4. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
Vách liên hợp: làm giảm được bề dày của vách còn 30cm, và thậm chí là 250 so với
vách BTCT là 40cm. Điều này làm tăng được diện tích sử dụng và cho mặt bằng kiến
trúc hợp lý hơn so với kết cấu bê tông thông thường.
Thép vách tầng 1: giảm được hàm lượng thép tròn đầu vách, trách tập trung thép quá
nhiều, dễ dàng hơn trong thi công.
Vách tầng 16: với vách BTCT, lực tác dụng không lớn, song vẫn phải làm vách có độ
dày lớn để đảm bảo độ cứng của công trình; với vách liên hợp, giảm được bề dày mà
vẫn đảm bảo độ cứng của công trình.
Đối với phương án 3 và phương án 4 cho kết quả gần như tương đương vậy chỉ cần
chọn thép tấm trong vách dày 10 cm là đảm bảo yêu cầu. Nếu chọn chiều dày bản thép
lớn hơn cũng không đem lại hiệu quả kinh tế.
Với kết quả tính toán ở trên đã đưa ra thêm được một lựa chọn khi tính toán kết cấu
nhà cao tầng đó là sử vách liên hợp thép bê tông.

Tác giả
TS. Vũ Quốc Anh & Th.S Phạm Ngọc Hiếu
Khoa xây dựng – Đại học Kiến Trúc Hà Nội

Trang 15

Thông tin chia sẻ Đồ án tốt nghiệp

Trang 16