NGHIÊN CỨU VỀ CỘT SIÊU LỚN VÀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG KẾT CẤU NÀY TRONG NHÀ SIÊU CAO TẦNG
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.28 MB, 104 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Nguyễn Văn Hùng
NGHIÊN CỨU VỀ CỘT SIÊU LỚN VÀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG KẾT CẤU
NÀY TRONG NHÀ SIÊU CAO TẦNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp
Hà Nội - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Nguyễn Văn Hùng
NGHIÊN CỨU VỀ CỘT SIÊU LỚN VÀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG KẾT CẤU
NÀY TRONG NHÀ SIÊU CAO TẦNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.20.08
CB hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hùng Phong
Hà Nội – 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “nghiên cứu về cột siêu lớn Megacolumn và hiệu
quả khi sử dụng kết cấu này trong nhà siêu cao tầng” là của riêng tôi, do tôi trực tiếp
làm dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Hùng Phong.
Các số liệu trong luận văn có trích dẫn, kết quả nghiên cứu là trung thực
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Tác giả
Nguyễn Văn Hùng
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với TS. NGUYỄN HÙNG
PHONG đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu, cũng như
tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tác giả trong quá trình hoàn
thành luận văn.
Tác giả xin trân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ trong bộ môn
Công trình bê tông cốt thép, các thầy cô giáo, các cán bộ của khoa sau đại học, khoa
xây dựng dân dụng trường Đại học xây dựng cùng các đồng nghiệp đã giúp đỡ, chỉ
dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả
Nguyễn Văn Hùng
MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt……………………………………………...i
Danh mục các bảng…………………………………………………………...…….iii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị…………………………………………………....….iv
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN………………………………………………….......…3
1.1 Tình hình sử dụng nhà cao tầng ở Việt Nam và trên thế giới………………..3
1.1.1 Lịch sử phát triển và tình hình sử dụng nhà cao tầng trên thế giới……....3
1.1.2 Tình hình sử dụng nhà cao tầng tại Việt Nam………………………….....8
1.2 Các giải pháp kết cấu sử dụng cho nhà cao tầng và siêu cao tầng……..….…8
1.2.1 Hệ kết cấu khung sàn phẳng………………………………………………8
1.2.2 Hệ kết cấu khung sàn kết hợp vách……………………………………...10
1.2.3 Hệ tường ghép……………………………………….......………………11
1.2.4 Hệ kết cấu khung cứng…………………………………………………..12
1.2.5 Hệ kết cấu ống với lưới cột đều đặn…………………………………….13
1.2.6 Hệ kết cấu khung cứng có hệ dầm vát…………………………………..15
1.2.7 Hệ kết cấu lõi……………………………………………………….……16
1.2.8 Hệ kết cấu khung – vách…………………………………………..….…17
1.2.9 Hệ khung ống………………………………………………………...….18
1.2.10 Kết cấu ống với hệ giằng chéo bên ngoài………………………...…....20
1.2.11 Kết cấu ống ghép………………………………………………….…....22
1.2.12 Kết cấu dạng sống tường……………………………………..….….….23
1.2.13 Hệ outrigger và tường đai biên………………………………..……….25
1.3 Tình hình sử dụng các giải pháp kết cấu nhà cao tầng ở Việt Nam và trên
thế giớ……………………………………………………..……………....28
1.3.1 Tình hình sử dụng giải pháp kết cấu nhà cao tầng trên thế giới………...28
1.3.2 Tình hình sử dụng giải pháp kết cấu nhà cao tầng ở Việt Nam………....28
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT VỀ CỘT SIÊU LỚN MEGACOLUMNS……....…..30
2.1 Tổng quan về cột siêu lớn (Megacolumns):………………………………...30
2.1.1 Định nghĩa:…………………………………………………………....…30
2.1.2 Các dạng kết cấu có chứa megacolumn………………………….….…...33
2.2 Các dạng liên kết của megacolumn với kết cấu khác…………..…………...34
2.2.1 Liên kết giữa megacolumn với Outrigger…………………...………......34
2.2.2 Liên kết giữa megacolumn với Belt-truss và Mega-Diagonal…………..36
2.3 Lý thuyết tính toán cột Composite…………….……………………..……...40
2.3.1 Phương pháp tính toán……………………………………………….…..40
2.3.2 Điều kiện để đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ của lõi thép….…….…..41
2.3.3 Tính cột liên hợp chịu nén đúng tâm…………………………….………42
2.3.4 Tính cột liên hợp chịu nén lệch tâm, nén uốn …………………………..45
2.3.5 Sự làm việc chịu trượt giữa các thành phần thép và bê tông trong cột (tại
chỗ liên kết cột - dầm)…………………………………………………………..….53
2.3.6 Các nút liên kết của khung……………………………………….……...55
CHƯƠNG III: SO SÁNH KẾT CẤU CHỨA CỘT SIÊU LỚN VỚI CÁC DẠNG
KẾT CẤU KHÁC………………………………………………………………….68
3.1 So sánh trên mặt bằng kết cấu……………………………………………....68
3.1.1 Sơ đồ kết cấu………………………………………………………….....68
3.1.2 Kết quả so sánh…………………………………………………….…….74
3.2 So sánh một khung phẳng…………………………………………….….….75
3.2.1 Sơ đồ kết cấu…………………………………………………………….75
3.2.2 Kết quả so sánh…………………………………………………..…...….78
3.3 So sánh khung không gian……………………………………………….….79
3.3.1 Sơ đồ kết cấu…………………………………………………..……..….80
3.3.2 Kết quả so sánh………………………………………………………….86
KẾTLUẬN………………………………………………………………….…..….89
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................90
i
DANH MUC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
d: Đường kính tiết diện tròn
h: Chiều cao tiết diện
b: bề rộng tiết diện
t: chiều dày tiết diện cột hình hộp chữ nhật
tf: Chiều dày cánh tiết diện chữ I
Aa: Diện tích tiết diện ngang của lõi thép
Ac: Diện tích tiết diện ngang của bê tông
As: Diện tích tiết diện ngang của thép thường
fy: Giới hạn đàn hồi của lõi thép
fck: Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông
fsk: Giới hạn đàn hồi của cốt thép thanh
γMa: Hệ số an toàn của vật liệu lõi thép
γc: Hệ số an toàn của vật liêu bê tông
γs: Hệ số an toàn của vật liệu thép thanh
Ecd: Mômem đàn hồi của bê tông
Ecm: Mômen ban đầu của bê tông
γc: Hệ số an toàn khi tính độ cứng của bê tông
Ia: Moomen quán tính của tiết diện lõi thép với trục trung hòa của tiết diện
ii
Ic: Moomen quán tính của tiết diện bê tông với trục trung hòa của tiết diện
Is – Moomen quán tính của tiết diện thép thanh với trục trung hòa của tiết diện
(EI)c: Độ cứng của cột liên hợp
Ncr: Lực tới hạn của cột
L: Chiều dài tính toán của cột
NSd: Lực nén do ngoại lực gây ra
NG.Sd: Phần dài hạn của lực nén NSd.
Npl.Rd: Khả năng chỉ chịu nén dọc trục tối đa của cột (theo điều kiện bền);
MRd: Khả năng chịu mômen tính toán của cột;
Mpl.Rd: Khả năng chỉ chịu mômen tôì đa của cột;
NRd: Khả năng chịu nén dọc trục tính toán của cột
χd: Thông số thể hiện tác động dọc trục (khi có ảnh hưởng của mô men MRd);
χn: Thông số thể hiện giá trị của NSd ứng với khả năng chịu mô men lớn nhất của tiết
diện:
Rb : Khả năng chịu kéo của bulông trong mối nối.
F s : Khả năng chịu lực của cốt thép trong sàn.
R f : Hợp lực trong cánh chịu nén.
R w : Hợp lực trong phần bản bụng chịu nén có chiều cao x w
iii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Nhà cao tầng ở các khu vực (năm 1982)……………………...….....…….3
Bảng 1.2 Nhà cao tầng ở các khu vực (năm 2006)………………………..…......….4
Bảng 2.1 Loại mối nối và giả thiết phân tích tổng thể…………………...…....…58
Bảng 3.1 Kết quả so sánh hiệu suất kết cấu dạng hình chữ nhật…….…………....74
Bảng 3.2 Kết quả so sánh hiệu suất kết cấu dạng hình bát giác………….……...….75
Bảng 3.3 Kết quả so sánh hiệu suất kết cấu dạng hình tam giác……………….….75
Bảng 3.4 Kết quả so sánh chuyển vị khung phẳng……………………...….…....…79
Bảng 3.5 Kết quả so sánh khối lượng vật liêu và chuyển vị đỉnh……………..……86
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phân phối các loại nhà theo công năng và chiều cao………….………4
Hình 1.2: Các dạng khung sàn phẳng phổ biến: (a) Sàn phẳng, (b) sàn nấm, (c) sàn
phẳng kết hợp sàn ô cờ………………………………………………….…9
Hình 1.3: Phản ứng của tấm sàn khung chịu tải trọng ngang……………….……..9
Hình 1.4 Hệ kết cấu sàn vách………………………………………..………………10
Hình 1.5: hệ kết cấu tường ghép ……………………………………………………..11
Hình 1.6: Kết cấu khung cứng ……………………………………………………….12
Hình 1.7: Kết cấu ống với lưới cột đều đặn ……………………………….………14
Hình 1.8: Mặt bằng kết cấu sàn-hệ kết cấu khung cứng có dầm vát ………….....15
Hình 1.9: Mặt bằng KC sàn 1 phương-hệ kết cấu lõi …………………………..…16
Hình 1.10 Kết cấu khung vách ……………………………………………….……17
Hình 1.11: Hệ kết cấu khung ống: a) Mặt bằng; b) Không gian …………………..18
Hình 1.12: Hệ giằng chéo bên ngoài công trình nhà cao tầng bằng thép …………21
Hình 1.13: Sơ đồ mặt bằng hệ ống ghép ………………………………………..…23
Hình 1.14: Mặt bằng kết cấu hệ sườn vách ………………………………………..24
Hình 1.15: Kết cấu Outrigger với lõi cứng ở trung tâm …………………….……..25
Hình 1.16: Kết cấu Outrigger với lõi cứng lệch về một bên ………………….…...26
Hình 2.1 Kết cấu có chứa megacolumns (Trung tâm tài chính Thượng Hải) …....30
Hình 2.2: Sơ đồ kết cấu trung tâm thương mại quốc tế Hồng Koong …………….31
Hình 2.3: Mặt bằng kết cấu trung tâm thương mại quốc tế Hồng Koong ………..31
Hình 2.4: Chi tiết tiết diện megacolumn của tòa nhà trung tâm thương mại Quốc tế
Hồng Kông ……………………………………………………………….……32
Hình 2.5: Mặt bằng kết cấu tòa nhà Taipie 101 …………………………………...33
HÌnh 2.6: Chi tiết tiết diện megacolumn tòa nhà Taipie 101 ……………………..34
v
Hình 2.7: Dạng liên kết giữa outrigger và megacolumn …………………….…….35
Hình 2.8: Chi tiết liên kết giữa outrigger và megacolumn khi chưa tháo côppha .35
Hình 2.9: Chi tiết liên kết giữa outrigger và megacolumn khi đã tháo côppha …...36
Hình 2.11: Chi tiết liên kết giữa Belt-truss và megacolumn 1 ……………….……37
Hình 2.11: Chi tiết liên kết giữa Belt-truss và megacolumn 2 …………………….38
Hình 2.12: Chi tiết liên kết giữa Belt-Truss và megacolumn 3 …………………...39
Hình 2.13: Chi tiết liên kết giữa Belt-Truss và megacolumn ……………………..40
Hình 2.14: Các dạng tiết diện của cột liên hợp ……………………………………42
Hình 2.15: Đường cong tương tác lực nén và moomen uốn …………………..…..46
Hình 2.16: Phân bố ứng suất tương ứng với đường cong tương tác ………………47
Hình 2.17: Phân bố moomen dọc chiều dài cột …………………………….…….48
Hình 2.18. Phương pháp tính toán cột chịu nén và nén uốn theo một phương …....49
Hình 2.19: Một số giá trị của χn. ………………………………………………….51
Hình 2.20. Tính toán cột chịu nén uốn theo hai phương đồng thời ……….….…...53
Hình 2.21. Liên kết dầm – cột liên hợp ……………………………………..……..53
Hình 2.22. Chốt hàn trong cột liên hợp ……………………………………….…...55
Hình 2.23 Các giới hạn phân loại mối nối (kết cấu có giằng) ………………….....57
Hình 2.24 thể hiện vài ví dụ mối nối dầm - dầm …………………………….…....59
Hình 2.25 Mối nối dầm – cột …………………………………………….………..60
Hình 2.26 Mối nối bằng sườn đầu dầm ………………………………….…….…..63
Hình 2.27 Mô hình mối nối 3 lò xo ……………………………………….……….65
vi
Hình 3.1: Mặt bằng kết cấu hình chữ nhật TH1 ………………………….….……68
Hình 3.2: Mặt bằng kết cấu hình chữ nhật TH2 ………………………..….…..…69
Hình 3.3: Mặt bằng kết cấu hình chữ nhật TH3 ……………………………………69
Hình 3.4: Mặt bằng kết cấu hình bát giác TH1 ……………………….……..…….70
Hình 3.5: Mặt bằng kết cấu hình bắt giác TH2 ………………………………….…71
Hình 3.6: Mặt bằng bố trí cột hình tròn TH3 ………………………….…….……..71
Hình 3.7: Mặt bằng bố trí cột hình tam giác TH1 …………………………….……72
Hình 3.8: Mặt bằng bố trí cột hình tam giác TH2 …………………….…….……...73
Hình 3.9: Mặt bằng bố trí cột hình tam giác TH3 ……………………..…….……..74
Hình 3.10: Sơ đồ kết cấu TH1.....................................................................................76
Hình 3.11: Sơ đồ kết cấu TH1, TH2, TH3, TH4.........................................................76
Hình 3.12: Mặt bằng kết cấu khung phẳng TH1 ………………………….….……77
Hình 3.13: Mặt bằng kết cấu khung phẳng TH2 ………………………….……….77
Hình 3.14: Mặt bằng kết cấu khung phẳng TH3 ………………………………….77
Hình 3.15: Mặt bằng kết cấu khung phẳng TH4 ………………………….……….78
Hình 3.16: Mặt bằng và mặt đứng TH1 …………………………………………...81
Hình 3.17: Hình không gian TH1 ………………………………………………....81
Hình 3.18: Mặt bằng và mặt đứng TH2 ……………………………….…………..82
Hình 3.19: Hình không gian TH2 ………………………………………………....82
Hình 3.20: Mặt bằng và mặt đứng TH3 ……………………………………….…..83
Hình 3.21: Hình không gian TH3 …………………………………………………84
vii
Hình 3.22: Mặt bằng và mặt đứng TH4 ………………………………….……….84
Hình 3.23: Hình không gian TH4 …………………………………………………85
Hình 3.24: Mặt bằng và mặt đứng TH5 …………………………………..……….85
Hình 3.25: Hình không gian TH5 …………………………………………………86
Hình 3.26: Biểu đồ tương quan tiêu hao vật liệu và chuyển vị đỉnh……………87
Hình 3.27: Biêu đồ tương quan lực cắt chân công trình do động đất gây ra……87
Hình 3.28: Biểu đồ tương quan lực cắt tầng do động đất…………………...........88
1
MỞ ĐẦU
1. Mục đích nghiên cứu
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các công trình xây
dựng trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển với cấp tiến về
chiều cao cũng như độ phức tạp. Các toà nhà hiện đại thường có hình khối kiến trúc
đa dạng và chiều cao lớn. Khi chiều cao của công trình càng tăng thì mức độ phức
tạp khi tính toán thiết kế cũng gia tăng theo. Đặc biệt là việc thiết kế kết cấu công
trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải trọng do gió, động
đất… Cùng sự phát triển về quy mô và số lượng công trình thì các giải pháp kết cấu
cũng phát triển tương ứng. Một trong các giải pháp kết cấu đó là giải pháp sử dụng
cột siêu lớn Megacolumn trong thiết kế nhà cao tầng. Mục đích của đề tài này là tìm
hiểu về kết cấu megacolumn và hiệu quả khi sử dụng kết cấu này trong nhà cao
tầng.
2. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Các nhiệm vụ chính của đề tài:
Nghiên cứu các dạng kết cấu thường sử dụng cho nhà cao tầng, đặc điểm,
điều kiện áp dụng các kết cấu đó.
Tìm hiểu về cột siêu lớn, các dạng kết cấu có chứa cột siêu lớn, các dạng liên
kết của cột siêu lớn với các kết cấu khác.
Đưa ra các ví dụ tính toán cụ thể để đánh giá tính hiệu quả của viêc sử dụng
kết cấu megacolumn trong thiết kế nhà siêu cao tầng.
3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu là các dạng kết cấu nhà cao tầng và tính hiệu quả của kết
cấu chứa cột siêu lớn.
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết bao gồm việc tìm hiểu và
sử dụng các tài liệu lý thuyết, tiêu chuẩn hiện hành, các phần mềm phân tích kết cấu
để phân tích và đánh giá hiệu quả kết cấu.
2
4. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung luận văn được trình bày
gồm 3 chương:
Chương I. Tổng quan về nhà cao tầng và các dạng kết cấu trong nhà cao
tầng và siêu cao tầng.
Chương II. Lý thuyết về cột siêu lớn megacolumn.
Chương III. Ví dụ so sánh kết cấu chứa megacolumn và các kết cấu khác.
3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Tình hình sử dụng nhà cao tầng ở Việt Nam và trên thế giới.
1.1.1 Lịch sử phát triển và tình hình sử dụng nhà cao tầng trên thế giới
Nhà cao tầng xuất hiện ở cuối thế kỹ XIX ở Mỹ. Người ta gọi là “nhà kiểu
Mỹ”, có nghĩa là hầu hết các tòa nhà cao tầng được xây dựng ở Mỹ. Ngày nay nhà
cao tầng đã được xây dựng trên toàn thế giới đặc biệt là ở Châu Á, như Trung Quốc,
Hàn Quốc, Nhật Bản, Malaysia. Dựa trên dữ liệu công bố những năm 1980, khoảng
49% các tòa nhà cao nhất thế giới được xây dựng t tại Bắc Mỹ (Bảng 1-1). Ngày
nay, việc phân phối các tòa nhà cao tầng đã thay đổi hoàn toàn, ở Châu Á hiện nay
có thị phần lớn nhất với 32%, Bắc Mỹ 24% (Bảng 1-2). Dữ liệu này cho thấy sự
phát triển nhanh chóng của nhà cao tầng ở Châu Á trong khi sự phát triển này ở Bắc
Mỹ đang chậm lại. Trong thực tế 8 trong số 10 tòa nhà cao nhất hiện nay là ở Châu
Á và chỉ có 2 đó là tòa Sear Tower và Empire State là ở Bắc Mỹ.
Bảng 1-1: Nhà cao tầng ở các khu vực (năm 1982)
Nước
Phần trăm
Toàn nhà
(số)
(%)
(số)
Bắc Mỹ
4
48.9
1701
Châu Âu
35
21.3
742
Châu Á
35
20.2
702
Nam Mỹ
13
5.2
181
Úc
2
1.6
54
Trung Đông
15
1.5
51
Châu Phi
41
1.3
47
Trung Mỹ
20
0.1
4
Tổng
165
Khu vực
3482
4
Bảng 1-2: Nhà cao tầng ở các khu vực (năm 2006)
Khu vực
Nước
Phần trăm
Toàn nhà
(số)
(%)
(số)
Châu Á
20
32.2
35106
Bắc Mỹ
18
23.9
26053
Châu Âu
20
23.7
25809
Nam Mỹ
10
16.6
18129
Châu Đại Dương
7
2.6
2839
Châu Phi
20
1.0
1078
Tổng
95
108924
Theo truyền thống chức năng chính của các tòa nhà là thương mại văn
phòng. Và các chức năng khác là căn hộ, tổ hợp căn hộ và trung tâm thương mại,
khách sạn như trong Hình 1.1. Đã có một số hoài nghi về xây dựng nhà cao tầng từ
11 thàng 9 năm 2001, tuy nhiên nó vẫn tiếp tục được xây dựng do lợi ích kinh tế
quan trọng khi mật độ sử dụng đất ở các thành phố là rất cao.
Hình 1.1: Phân phối các loại nhà theo công năng và chiều cao
5
Sự phát triển của nhà cao tầng chịu sự ảnh hưởng lớn của các yếu tố phức tạp
khác nhau như kinh tế, thẩm mỹ, công nghệ, quy định của thành phố và chính trị.
Trong các yếu tố này, kinh tế là yếu tố chính. Tuy nhiên, các kiểu tòa nhà cao tầng
sẽ không có được nếu không có sự phát triển về công nghệ. Một cuộc cách mạng về
kết cấu – kết cấu khung thép – cũng như hệ thống bao che bằng kính đã xuất hiện ở
Chicago, nơi dẫn đầu các bang về nghệ thuật nhà cao tầng. dẫn tới việc xuất hiện
các tòa nhà trọc trời hiện đại với tính thẩm mỹ cao. Đây cũng chính là xu hướng
phát triển của các nhà cao tầng trên thế giới.
Trong cuối thế kỷ 19, sự phát triển sớm của nhà cao tầng dựa trên mối quan
hệ kinh tế - sự tăng diện tích cho thuê bằng cách thêm những không gian văn phòng
theo phương đứng và tối đa giá cho thuê của những văn phòng này bằng cách tạo ra
càng nhiều ánh sáng tự nhiên càng tốt. Để phục vụ cho việc điều khiển kinh tế này,
những công nghệ mới đã được theo đuổi mà được cải thiện khi các bức tường gạch
chịu lực thông thường có lỗ tương đối nhỏ. Kết quả là kết cấu khung sắt/thép đã làm
giảm chiều cao và chiều rộng của các cấu kiện kết cấu ở biên công trình. Do đó,
những lỗ mở lớn hơn được phủ bằng các tấm kính trong, trong khi kết cấu sắt/thép
được bọc bằng các vật liệu đặc ví dụ như gạch hoặc đất nung. Khác với tường gạch
chịu lực, những cấu kiện bao che này không chịu bất kỳ tải trọng nào từ công trình
ngoại trừ trọng lượng bản thân của chúng và áp lực gió, động đất theo phương
ngang. Một ý tưởng bao che mới - tường kính – đã được phát triển với sự xuất hiện
của hệ kết cấu mới. Sức mạnh biểu tượng của các tòa nhà chọc trời cũng được nhận
thấy, một hiện tượng đáng chú ý xảy ra đầu thế kỷ. Một cuộc chạy đua chiều cao
của các tòa nhà chọc trời đã bắt đầu, bắt đầu từ tòa nhà Park Rowở New York, tòa
nhà đã chạm tới mức 30 tầng từ năm 1899. Cuộc đua về chiều cao này đã lên đến
đỉnh điểm bằng sự kết thúc của 102 tầng của tòa nhà Empire State vào năm 1931.
Mặc dù chiều cao của các tòa nhà chọc trời đã tăng đáng kể trong suốt thời kỳ này,
trái với đánh giá trực quan, đã không có nhiều bước tiến hóa về công nghệ dễ nhận
thấy. Trong thời kỳ của hệ kết cấu, hầu hết các nhà cao tầng trong đầu thế kỷ 19 đã
dùng kết hợp hệ khung cứng bằng thép và hệ giằng gió. Trong số đó có những tòa
6
nhà được biết đến như tòa Woolworth vào năm 1913, tòa nhà Chrysler vào năm
1930 và toa nhà Empire State vào năm 1931, tất cả đều ở New York (Ali, 2005).
Chiều cao lớn của chúng tại thời điểm đó đã đạt được mà không có sự tiến hóa đáng
kể nào về công nghệ. Do thiếu các kỹ thuật phân tích kết cấu tiên tiến, chúng đã
hoàn toàn được thiết kế lãng phí. Về biểu hiện kiến trúc của nhà cao tầng ở thời kỳ
này, như có thể nhận thấy từ sự hòa trộn của nhiều phong cách nhà cao tầng, sự trở
lại kiến trúc truyền thống cho chất lượng tiếp cận tốt hơn, sau một cuộc đua ngắn về
phong cách mới cho một loại hình công trình dựa trên những công nghệ mới hầu hết
bởi các kiến trúc sư ở Chicago vào cuối thế kỷ 19. Tuy vậy, sự trở lại sớm của tinh
thần Chicago và sự ứng dụng của các phong trào hiện đại của châu Âu cho các tòa
nhà cao tầng chỉ là vấn đề thời gian. Giữa thế kỷ XX, sau chiến tranh, là thời đại
của sản xuất hàng loạt dựa trên phong cách quốc tế đã được xác định trước chiến
tranh, và công nghệ phát triển trước đó. Yếu tố điều khiển sự phát triển của nhà cao
tầng là kinh tế. Ngay cả những cuộc đua chiều cao một lần phổ biến đã không xảy
ra sau khi chiến tranh thế giới II cho đến khi xây dựng Trung tâm Thương mại Thế
giới ở New York và tháp Sears ở Chicago, lần lượt hoàn thành vào năm 1973 và
1974. Hệ thống kết cấu cho nhà cao tầng đã trải qua những thay đổi lớn kể từ sự sụp
đổ của khung cứng thông thường trong những năm 1960 như các loại chủ yếu của
hệ thống kết cấu thép hoặc nhà cao tầng bê tông . Với sự xuất hiện của các dạng
hình ống vẫn còn phù hợp với phong cách quốc tế, những thay đổi như vậy trong
các hình thức cấu trúc và tổ chức của tòa nhà cao tầng được đòi hỏi bởi các xu
hướng kiến trúc mới nổi trong thiết kế kết hợp với các nhu cầu kinh tế và phát triển
công nghệ trong các lĩnh vực phân tích kết cấu hợp lý và thiết kế có thể được thực
hiện bởi sự ra đời của máy tính kỹ thuật số tốc độ cao.
Bộ xương kết cấu chính của một tòa nhà cao tầng có thể được hình dung như
một dầm công xôn với chân của nó được ngàm trên mặt đất. Kết cấu phải chịu tải
trọng theo phương đứng và tải trọng gió, động đất theo phương ngang. Tải trọng
đứng bao gồm tải trọng tĩnh và hoạt tải. Tải trọng ngang có xu hướng tác động lên
7
các tòa nhà hoặc lật đổ nó. Do đó, việc xây dựng phải có đủ khả năng chịu cắt và
khả năng chịu uốn và không phải mất khả năng chịu tải trọng thẳng đứng của nó.
Fazlur Khan nhận ra lần đầu tiên mà các tòa nhà trở nên cao hơn, có điều
quan trọng đến việc lựa chọn chiều cao do tải trọng ngang và nhu cầu về hệ kết cấu
tăng lên đáng kể, và kết quả là, tổng số vật liệu cho kết cấu tăng mạnh (Ali, 2001).
Nếu không có tải trọng ngang tác động lên công trình như gió, động đất, bất kỳ tòa
nhà cao tầng có thể được thiết kế chỉ với tải trọng đứng. Hệ khung sàn thường chịu
tải trọng đứng giống nhau ở mỗi tầng, mặc dù các dầm dọc theo trục cột cần phải
được dần dần nặng hơn đối vớiở chân của công trình để tăng khả năng chịu tải trọng
ngang và để làm tăng thêm độ cứng của công trình. Kích thước cột tăng dần về phía
chân của công trình do sự gia tăng tích lũy trong tải trọng truyền từ các tầng
trên.Thêm vào đó, các cột cần được thiết kế khỏe hơn về phía chân công trình để
chống lại tải trọng ngang. Kết quả cuối cùng là công trình trở nên cao hơn và
chuyển vị của công trình do tải trọng ngang trở nên quan trọng, có một yêu cầu lớn
hơn về các dầm và các cột tạo nên hệ kết cấu khung cứng. Nếu chúng ta giả định
cùng một kích thước nhịp, khối lượng vật liệu cần thiết cho sàn khung là gần như
giống nhau bất kể số lượng của tầng. Khối lượng vật liệu cần thiết cho sàn khung
phụ thuộc vào nhịp của các cấu kiện khung ,đó là, khoảng cách từ cột đến cột và
không phụ thuộcvào chiều cao công trình. Khối lượng vật liệu cần thiết để chịu tải
trọng ngang ,mặt khác, thậm chí còn tăng hơn và sẽ bắt đầu vượt quá chi phí cho kết
cấu khác nếu một hệ kết cấu khung cứng được sử dụng cho cấu trúc rất cao. Điều
này đòi hỏi một hệ thống kết cấu mà đi vượt ra ngoài khái niệm khung cứng đơn
giản. Dựa trên nghiên cứu của ông Khan cho rằng như chiều cao tăng quá 10 tầng,
chuyển vị ngang bắt đầu chi phối thiết kế, độ cứng hơn là cường độ trở thành yếu
tố chi phối, và yếu tố quan trọng tác động đến chiều cao tăng nhanh chóng với số
lượng tầng . Theo hướng này của lý luận, Khan nhận ra rằng một hệ thống phân cấp
của hệ thống kết cấu có thể được phân loại liên quan đến hiệu quả tương đối trong
việc chịu tải trọng ngang cho công trình ngoài phạm vi 20 đến 30 tầng ( Khan ,
1969)
8
1.1.2 Tình hình sử dụng nhà cao tầng tại Việt Nam:
So với nhiều nước trong khu vực Châu Á, thì Việt Nam đi chậm hơn khoảng
20 - 30 năm. Ví dụ như Nhật Bản bắt đầu từ những năm 60, Singapore từ những
năm 70, Trung Quốc từ những năm 80. Việc phát triển nhà cao tầng ở Việt Nam
được nở rộ trong vòng 15 năm nay, bắt đầu từ một số dự án xây dựng khách sạn cao
cấp, như Hanoi Daewoo, Melia Hanoi, Hilton Hanoi Opera… ở Hà Nội; New
World, Sheraton Saigon, Sofitel Plaza Saigon… ở TP.HCM và một số dự án phát
triển nhà chung cư cao cấp, như khu nhà ở cao cấp Phú Mỹ Hưng - Nam Sài Gòn ở
TP.HCM và KĐT mới Linh Đàm của HUD, KĐT mới Trung Hoà - Nhân Chính của
VINACONEX ở Hà Nội đến các tòa nhà mới xây gần đây như Keangnam Hanoi
Landmark Tower cao 72 tầng (336m); Lotte Center Hanoi cao 65 tầng (267m);
Bitexco Financial Tower cao 68 tầng (262,5m); Saigon M&C Tower cao 42 tầng
(195,3m). Qua những số liệu trên ta thấy với chỉ 15 năm phát triển nhà cao tầng
nhưng tình hình phát triển nhà cao tầng ở Việt Nam đang phát triển rất nhanh chóng
về số lượng cũng như chất lượng.
1.2 Các giải pháp kết cấu sử dụng cho nhà cao tầng và siêu cao tầng.
1.2.1 Hệ kết cấu khung sàn phẳng
1.2.1.1 Khái niệm
Hệ khung sàn phẳng là hệ kết cấu bao gồm sàn (một hoặc hai phương) bê
tông cốt thép không có dầm liên kết trực tiếp vào cột. Hệ kết cấu sàn phẳng là một
trong những kỹ thuật khung đơn giản cho công trình bê tông. Hệ khung sàn được
phân ra làm 03 loại chính: hệ sàn phẳng, hệ sàn nấm và hệ sàn phẳng kết hợp ô cờ
(hình 1.2).
9
Hình 1.2: Các dạng khung sàn phẳng phổ biến: (a) Sàn phẳng, (b) sàn nấm,
(c) sàn phẳng kết hợp sàn ô cờ.
I.2.2 Đặc điểm, phạm vi áp dụng
Kết cấu khung sàn khi chịu tác dụng của tải trọng ngang do sự tương quan về
chuyển vị giữa cột và sàn nên chuyển vị của sàn là lớn (hình1.3). Bởi vậy, hệ khung
sàn thường không được lựa chọn sử dụng cho các công trình xây dựng tại khu vực
chịu tác động của tải trọng ngang lớn.
Hình 1.3: Phản ứng của tấm sàn khung chịu tải trọng ngang
10
Hệ thống sàn có hai tác dụng khi làm việc: thứ nhất, do độ cứng trong mặt
phẳng sàn là vô cùng lớn nên nó đóng vai trò chuyền tải vào các cấu kiện phương
đứng theo tương quan về độ cứng; thứ hai, độ cứng ngoài mặt phẳng của sàn là nhỏ
(không đáng kể) nên nó đóng vai trò khống chế chuyển vị xoay của các cột – khi đó
các cột như được liên kết với nhau bởi một hệ dầm rộng. Sử dụng hệ kết cấu khung
sàn có ưu điểm đó là: thuận lợi cho việc lắp dựng cốt thép sàn, thi công ván khuôn
nhanh, giảm chiều cao tầng, bề mặt sàn bằng phằng có thể không cần sử dụng hệ
trần treo. Với yêu cầu về biến dạng theo phương ngang, hệ sàn khung áp dụng hiệu
quả là đối với công trình có chiều cao từ 10 tầng trở xuống.
1.2.2 Hệ kết cấu khung sàn kết hợp vách
1.2.2.1 Khái niệm
Hệ kết cấu khung sàn kết hợp vách là hệ kết cấu khung sàn có bổ sung thêm
các vách cứng bê tông cốt thép (hình 1.4).
Hình 1.4 Hệ kết cấu sàn vách
1.2.2.2 Đặc điểm, phạm vi áp dụng
Các vị trí liên kết giữa sàn và vách tương đối yếu cho việc tiêu tán năng
lượng. Bởi vậy, trong quá trình xảy ra động đất, lực cắt truyền từ sàn vào vách chủ
yếu ở các mặt tiếp xúc bên trong xung quanh tường nên khi góc xoay đủ lớn có thể
gây ra phá hoại liên kết giữa sàn và cột tại các vị trí xung yếu. Hệ kết cấu khung sàn
11
kết hợp với vách làm việc là bởi sự tương tác của các tấm sàn, cột và vách. Hệ kết
cấu này có độ cứng và khả năng chịu tải cần thiết đối với các công trình cao trên 10
tầng đến 20 tầng.
1.2.3 Hệ tường ghép
1.2.3.1 Khái niệm
Hệ kết cấu tường ghép là hệ kết cấu được tạo bởi nhiều bức tường ghép kết
hợp với nhau (hình 1.5).
Hình 1.5: hệ kết cấu tường ghép
1.2.3.2 Đặc điểm, phạm vi áp dụng
Việc kết nối các tấm tường riêng lẻ với nhau tạo ra một hệ ghép có độ cứng
tổng thể vượt xa so với các bức tường đơn. Điều này có được là do các tấm sàn
hoặc dầm liên kết với vách đa ngăn cản biến dạng uốn tại các đầu tự do của các tấm
vách buộc chúng phải làm việc như một thể thống nhất. Các tấm vách làm việc
giống như chúng được kết nối bởi các thanh kháng cắt liên tục. Các tấm tường
phẳng chịu lực tác dụng trong mặt phẳng của chúng, các tấm theo hướng trực giao
