Nghiên cứu bố trí khung vách hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH
HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG
NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH
HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG
NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN QUANG TÙNG

Đà Nẵng – Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 2018

Nguyễn Văn Quang


ii

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ KHUNG - VÁCH HỢP LÝ ĐỂ HẠN CHẾ
CHUYỂN VỊ NGANG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Học viên: Nguyễn Văn Quang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt - Đối với việc thiết kế kết cấu nhà cao tầng, bài toán hạn chế chuyển vị ngang công
trình luôn đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo độ bền cũng như sự làm việc bình thường của công
trình. Bài báo này đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang công trình từ việc phân bổ độ cứng

khung-vách một cách hợp lý, tạo ra sự tương tác lý tưởng nhất giữa hai bộ phận chịu lực chính của
công trình. Từ một thể tích bê tông nhất định, sự phân bổ độ cứng khung-vách được thực hiện thông
qua việc lựa chọn tiết diện hợp lý cho dầm và cột, cũng như bố trí hệ vách cứng ở những vị trí nào để
đảm bảo có lợi nhất cho công trình. Nghiên cứu cho thấy cần phải có sự tương quan độ cứng nhất
định giữa dầm và cột thì mới đảm bảo hạn chế chuyển vị ngang công trình. Tại một chiều cao nhất
định, có thể cắt bỏ vách cứng nhằm tiết kiệm vật liệu và cũng góp phần hạn chế chuyển vị ngang công
trình. Các kết quả được phân tích sơ bộ từ công thức giải thích và phân tích số bằng phần mềm phần
tử hữu hạn.
Từ khóa - Chuyển vị ngang, phân bổ độ cứng, cắt vách cứng, phần tử hữu hạn.
STUDYING AND ARRANGEMENT OF FRAME AND PARTITION
TO LIMIT HOROZONTAL TRANSPOSITION
OF ARMORED CONCRETE BUILDINGS
Abstract - For the concept of high-rise buildings, the problem of decreasing the horizontal
displacement plays an important role to ensure the resistance of the building. This paper proposes a
solution to decrease the horizontal displacement from the distribution of frame-wall rigidity, creating
the most ideal interaction between the two main bearing components of the building. From a certain
volume of concrete, the distribution of the frame-wall rigidity is realized by choosing the appropriate
cross section for the beam and column, as well as the position of the shear wall. Research shows that a
good correlation between the beam and the column stiffness contribute to decrease the horizontal
displacement of the building. At a certain height, it is possible to remove the shear wall to save
material and also to limit the horizontal displacement of the building. The results were analyzed using
the analytical solution and the finite element method.
Key words - Horizontal displacement, distribution of the rigidity, remove the shear
wall, finite element method.


iii

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................vi
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................1
2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................ 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................3
4. Nội dung thực hiện ................................................................................................ 3
5. Bố cục đề tài..........................................................................................................4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .........5
1.1. Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển ...........................................................5
1.1.1. Hệ kết cấu của nhà cao tầng ............................................................................5
1.1.2. Sự làm việc của hệ kết cấu ..............................................................................8
1.1.3. Xu hướng phát triển của nhà cao tầng ............................................................ 9
1.2. Ảnh hưởng của chuyền vị ngang đến sự làm việc của công trình .......................... 11
1.3. Các phương pháp hạn chế chuyển vị ngang công trình ..........................................12
1.3.1. Bố trí Outrigger ............................................................................................. 12
1.4 Phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý (tăng độ cứng cho bản thân
công trình)......................................................................................................................15
1.5. Kết luận chương 1 ..................................................................................................16
CHƢƠNG 2. CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CÔNG TRÌNH CÓ SƠ ĐỒ
KHUNG – GIẰNG DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG ...................17
2.1. Sự làm việc của công trình cao tầng có sơ đồ khung – giằng ................................ 17
2.1.1. Kết cấu khung – giằng ..................................................................................17
2.2. Tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng .........................................................19
2.2.1. Tải trọng gió ..................................................................................................19
2.2.2. Tải trọng động đất .........................................................................................22
2.3. Sự tương tác trong hệ kết cấu khung - vách chịu tải trọng ngang .......................... 27

2.4. Phương pháp tính toán gần đúng cho hệ khung - vách chịu tải trọng ngang .........29
2.5. Đề xuất phương án hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng ...................................33
2.5.1. Giảm tác dụng của tải trọng ngang lên công trình ........................................33


iv
2.5.2. Tăng mô men quán tính của vách cứng ........................................................33
2.5.3. Thay đổi tỷ số độ cứng  H ..........................................................................34
2.6. Cắt vách cứng ở những tầng cao và bố trí độ cứng khung tại những tầng đó ........34
2.7. Tăng lực tương tác đỉnh công trình QH ..................................................................35
2.8. Kết luận chương 2 ..................................................................................................35
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ CHUYỂN VỊ NGANG CÔNG
TRÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN PHỐI ĐỘ CỨNG KHUNG - VÁCH....36
3.1. Mô hình phân tích ...................................................................................................36
3.1.1. Chọn sơ bộ tiết diện dầm, cột, vách cứng .....................................................37
3.1.2. Lựa chọn kích thước tiết diện khung hợp lý .................................................39
3.1.3. Xác định cao độ có thể hạn chế thể tích vách cứng ......................................41
3.1.4. Phân tích chuyển vị ngang của công trình bằng phương pháp phần tử hữu
hạn .................................................................................................................................42
3.2. Kết luận...................................................................................................................59
KẾT LUẬN ..................................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GİẢ
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu

bảng

Tên bảng

Trang

1.1:

Thống kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam

10

2.1:

Giá trị hệ số ứng xử q0 cho hệ có sự đều đặn theo mặt đứng

26

3.1:

Bảng tổng hợp thể tích bê tông

39

3.2:

Sự biến thiên chuyển vị ngang đỉnh y(H)

41

3.3:

Tổng hợp chu kỳ T(s) và chuyển vị ngang cơ bản yH (mm)

45

3.4:

Tải trọng gió động và khối lượng công trình

45

3.5:

Tải trọng gió động và khối lượng công trình

46

3.6:

Tải trọng gió - Trường hợp 1

47

3.7:

Tải trọng gió - Trường hợp 2

48

3.8:

Tải trọng gió - Trường hợp 3

49

3.9:

Tải trọng gió - Trường hợp 4

50

3.10:

Tải trọng động đất - Trường hợp 1

51

3.11:

Tải trọng động đất - Trường hợp 2

53

3.12:

Tải trọng động đất - Trường hợp 3

55

3.13:

Tải trọng động đất - Trường hợp 4

57


vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1:

Sự tương tác của khung và tường cứng

6

1.2:

Hệ kết cấu bên trong

7

1.3:

Hệ kết cấu bên ngoài

8

1.4:

Hệ kết cấu khung - vách

9

1.5:

Tải trọng và sơ đồ chịu lực của nhà

11

1.6:

Chuyển vị nằm ngang của ngôi nhà

12

1.7:

Outtrigger và Belt wall

13

1.8:

Thực tế đa dạng của hệ kết cấu

14

1.9:

Outtrigger phát huy hiệu quả khác nhau khi bố trí ở các cao độ

14

1.10:

Sự tương tác giữa khung – vách

15

2.1:

Hệ kết cấu khung giằng

17

2.2.

Sơ đồ tính toán gió động của công trình

19

2.3:

(a) Vách chịu tải trọng ngang phân bố đều; (b) Khung chịu tải
trọng ngang; (c) Sự tương tác khung - vách.

28

2.4:

Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết
cấu khung - vách chịu tải trọng ngang

29

2.5:

(a) Kết cấu khung - vách phẳng; (b) Phân tích liên tục cho
kết cấu khung - vách; (c) Sơ đồ tự do cho khung và vách

30

2.6:

Hình dạng chuyển vị ngang, momen, lực cắt điển hình của kết
cấu khung - vách chịu tải trọng ngang

34

3.1:

Hệ kết cấu khung giằng

36

3.2:

Diện tích chịu tải của cột

38

3.3:

Biểu đồ quan hệ giữa yH   H

40

3.4:

Mặt bằng khung giằng (cột 800x800)

42

3.5:

Mặt bằng khung giằng (cột 750x750)

43

3.6:

Mặt bằng tầng 1-13(vị trí chuẩn bị cắt vách)

43

3.7:

Mặt bằng tầng 14 - 20 (vị trí đã cắt vách và tăng tiết diện dầm)

44

3.8:

Mô hình 3D công trình đã cắt vách

44

3.9:

Chuyển vị ngang yz(mm) tại từng mức sàn của công trình

59


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
1.1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự bùng nổ dân số, trong khi diện tích xây
dựng lại có hạn, việc lựa chọn giải pháp nhà cao tầng là xu thế tất yếu. Ngày càng

nhiều nhà cao tầng mọc lên ở các thành phố lớn trên thế giới và trong nước. Mặt khác
cùng 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.
Tại Việt Nam do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và xã hội dẫn đến tại một số
thành phố lớn dân số tập trung ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm
việc, trung tâm thương mại, khách sạn, … tăng lên đánh kể, trong khi đó quỹ đất xây
dựng lại thiếu trầm trọng. Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí
nhiều văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đấy phát triển kinh tế, giảm chi
phí vận hành … Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển nhà cao tầng.
Đặc trưng chủ yếu của nhà cao tầng là số tầng nhiều, độ cao lớn, trọng lượng
nặng, chịu tác động của tải trọng ngang. 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 xác định
phản ứng của công trình trước các yếu tố tác động của điều kiện bên ngoài như tải
trọng do gió, động đất, ….
Đối với nhà cao tàng, ngoài việc chọn phương án kết cấu đủ đảm bảo khả năng
chịu lực cho công trình, một vấn đề thường phải đối diện khi thiết kế nhà cao tầng là
giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang. Chuyển vị ngang của công trình nếu lớn không
chỉ gây cảm giác khó chịu cho người sử dụng mà còn làm hư hỏng các hạng mục phụ
như của kính, lan can...


2

Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng

Int.Commerce Centre – Hong Kong

Tòa nhà Bitexco – TP HCM

World Financial Center – Shanghai
Hình 1: Một số nhà cao tầng


3
1.2. Thực trạng nghiên cứu về việc hạn chế chuyển vị ngang nhà cao tầng
Hạn chế chuyển vị ngang công trình nhà cao tầng hiện nay đã được nhiều tác giả
nghiên cứu với nhiều phương pháp khác nhau như tác giả Hồ Việt Hùng đã nghiên cứu
đề tài: "Hạn chế chuyển vị ngang cho nhà cao tầng bằng cách sử dụng Outtrigger
(dầm gánh)". Tác giải Nguyễn Hồng Hải nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu sự làm việc
của nhà cao tầng bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tải trọng động đất ở Việt
Nam"... Nhìn chung các đề tài này đều đưa ra giải pháp tăng độ cứng của công trình
mà cụ thể là khung và vách chịu tác dụng của tải trọng ngang và tải trọng thẳng đứng.
Hệ kết cấu chịu lực ngang và lực đứng trong các công trình cao tầng này chủ yếu
là hệ khung và vách/lõi. Tuy nhiên, các nhà cao tầng hiện nay tại Việt Nam thường có
bước cột tương đối lớn trong khi chiều cao của dầm tương đối nhỏ nhằm đảm bảo
chiều cao thông thủy với một chiều cao tầng thấp nhất. Tuy nhiên, không thể tùy tiện
tăng kích thước vách lõi do ảnh hưởng bởi sơ đồ công năng và kiến trúc công trình.
Vậy nên, cần phải có một sự tính toán, phân phối khối lượng khung - vách/lõi hợp lý
để vừa đảm bảo độ cứng ngang cho kết cấu, vừa đảm bảo tiết kiệm diện tích sử dụng
cũng như chi phí cho công trình. Đó chính là mục tiêu của đề tài luận văn:
“Nghiên cứu bố trí khung - vách hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang nhà
cao tầng bê tông cốt thép”
2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu đặt ra là sử dụng cùng một tổng thể tích Khung và Vách được xác định
dựa theo các công thức tính toán sơ bộ, cần phải phân phối hợp lý cho Khung và vách
một cách hợp lý để chuyển vị ngang ở đỉnh công trình là bé nhất.
Một cách chi tiết, cần phải chọn kích thước tiết diện hệ khung và chiều dày vách cứng,
cũng như vị trí có thể cắt giảm vách cứng để bố trí cột nhằm mục đích tăng độ cứng
ngang cho công trình và từ đó có thể giảm chuyển vị đỉnh cho công trình.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn trong các công trình cao tầng bê
tông cốt thép sử dụng hệ chịu lực Khung - Vách/lõi. Trong hệ Khung - Vách chịu lực
này, hoàn toàn có thể xác định được tổng thể tích của hệ Khung (cột+dầm) và Vách
được sử dụng để làm kết cấu chịu lực cho công trình.
4. Nội dung thực hiện
 Lý thuyết:
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán độ cứng của hệ khung và vách trong công trình
bê tông cốt thép.
- Nghiên cứu ảnh hưởng hệ khung và hệ vách đến chuyển vị tổng thể của công
trình.


4
- Đưa ra nhận định sơ bộ về việc bố trí hệ khung-vách nhằm hạn chế chuyển vị
đỉnh của công trình.
 Tính toán:
- Nghiên cứu bố trí tỷ lệ khung - vách nhằm hạn chế chuyển vị đỉnh công trình
bằng phần mềm Etabs.
- Nhận xét, đánh giá kết quả.
5. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về nhà cao tầng bê tông cốt thép.
Chương 2: Chuyển vị ngang của công trình có sơ đồ khung giằng dưới tác dụng
của tải trọng ngang.
Chương 3: Nghiên cứu hạn chế chuyển vị ngang công trình bằng phương pháp
phân phối độ cứng khung - vách.
Kết luận và kiến nghị.


5

CHƢƠNG 1 .

TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Trong chương này, tác giả đề cập đến sự làm việc của hệ chịu lực trong nhà cao
tầng, cụ thể là sự tương tác giữa khung và vách trong kết cấu khung giằng chịu lực của
toàn công trình. Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đó
việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được thực
hiện. Đối với nhà cao tầng, chuyển vị ngang của nhà gây ra nhiều tác động có hại đến
kết cấu và đến sự làm việc của công trình, do đó một số phương pháp hạn chế chuyển
vị ngang cũng được nghiên cứu trong chương này.
1.1 . Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển
1.1.1 . Hệ kết cấu của nhà cao tầng
Hệ kết cấu của các nhà cao tầng được chia thành hai nhóm chính: Kết cấu bên
trong và kết cấu bên ngoài. Phân loại này được dựa trên sự phân bố phần tử của hệ kết
cấu chính chịu tải ngang lên toà nhà. Một hệ được phân loại như là một kết cấu bên
trong khi phần chính của hệ chịu tải trọng ngang nằm bên trong của tòa nhà. Tương tự
như vậy, nếu các phần chính của công trình chịu tải trọng ngang nằm tại đường bao
ngoài toà nhà thì hệ đó được phân loại là một kết cấu bên ngoài.
 Hệ kết cấu bên trong
Trong hệ kết cấu này, hai loại cơ bản của hệ chịu tải trọng ngang là khung chịu
lực và vách. Một hệ rất quan trọng khác trong loại này là kết cấu cốt lõi, được sử dụng
rất rộng rãi cho các tòa nhà siêu cao tầng hiện nay.
Khung chịu lực bao gồm các phần tử ngang (dầm) và dọc (cột) liên kết cứng với
nhau trong một mặt phẳng. Khung này chịu tải chủ yếu thông qua độ cứng chống uốn
của các phần tử. Năng lực chịu tải trọng thẳng đứng của kết cấu khung thuần tuý là
lớn, nhưng năng lực chịu tải trọng ngang của nó tương đối yếu, độ cứng phía mặt bên
kém, do đó chuyển vị nằm ngang tương đối lớn.
Kết cấu vách là hệ kết cấu chịu lực cấu thành bởi những bức tường chịu lực và
sàn nhà. Trong hệ này, tường chịu lực thay thế dầm, cột trong khung để chịu các tải
trọng đứng và tải trọng ngang. Do tường chịu lực của nhà cao tầng ngoài việc phải

chịu lực nén thẳng đứng do tải trọng thẳng ứng gây ra, còn phải chịu lực trượt và
mômen do tải trọng ngang sinh ra, cho nên ta mới gọi là kết cấu tường chống trượt.
Khi trong hệ kết cấu khung, người ta lại bố trí một số vách thì hình thành một hệ
kết cấu khác. Đó là hệ kết cấu khung - vách có tác động cộng giữa khung và vách. Do
kết cấu khung - vách có được ưu điểm của cả kết cấu khung và vách nên nó nhanh


6
chóng được áp dụng rất rộng rãi trong việc xây dựng những ngôi nhà công cộng như
khách sạn, nhà xưởng, kho tàng.
So với kết cấu khung thuần tuý, thì hệ kết cấu này tăng cường được khả năng
chịu tải trọng ngang, nâng độ cứng ngang của nhà; về cơ bản vẫn duy trì được ưu điểm
linh hoạt của bố cục mặt bằng.

Hình 1.1: Sự tương tác của khung và tường cứng
 Hệ kết cấu bên ngoài
Một trong các kết cấu bên ngoài điển hình nhất là ống, có thể được định nghĩa là
một hệ kết cấu không gian sử dụng toàn bộ chu vi công trình để chịu tải ngang. Có rất
nhiều công trình hiện nay vượt quá 50 tầng đã sử dụng kết cấu dạng ống này và các
hình thức biến đổi khác của nó. Do đặt thù của kết cấu mà chúng có thể cho các chiều
cao khác nhau.
Ống giằng là một biến thể của ống khung, lần đầu tiên được áp dụng trên 100
tầng - John Hancock Trung tâm năm 1970 ở Chicago. Hệ bundled tube là một bó các
ống riêng lẻ được liên kết với nhau để làm việc như một thể duy nhất. Sears Tower –
110 tầng hoàn thành vào năm 1974 là hệ bundled tube đầu tiên, hệ gồm 9 ống khung
thép được nối với nhau đến móng.
Một loại kết cấu bên ngoài nữa là hệ diagrid (hệ thanh xiên). Hệ diagrid có thể
được so sánh với một hệ kết cấu phổ biến là kết cấu outrigger. Cơ cấu diagrid cung cấp
cả độ cứng chống uốn và cắt. Như vậy, không giống như kết cấu outrigger, kết cấu
diagrid cao vì không cần lõi có độ cứng chống cắt, có thể được chịu bởi diagrid nằm

trên chu vi, mặc dù với các tòa nhà siêu cao tầng với một hệ diagrid có thể được tăng


7
cường và gia cố hơn nữa bằng cách tham gia cốt lõi, tạo ra một hệ thống tương tự như
một ống trong ống.
Các hệ chịu tải ngang trong nhóm kết cấu bên ngoài còn có hệ dàn không gian space truss, hệ siêu khung - super frames và hệ sườn ngoài - exoskeleton.
Ngoài ra, hình 1.2 và 1.3 cho thấy các khái niệm sơ lược của mỗi hệ kết cấu
trong mỗi nhóm. Các giới hạn chiều cao được trình bày là có cơ sở dựa trên kinh
nghiệm và của các tác giả dự đoán trong phạm vi chấp nhận được.

Hình 1.2: Hệ kết cấu bên trong


8

Hình 1.3: Hệ kết cấu bên ngoài
1.1.2 . Sự làm việc của hệ kết cấu
Theo mục tiêu chính của đề tài, chúng ta cần nghiên cứu tính toán đối với hệ kết
cấu bên trong, đó là sự kết hợp làm việc của hệ khung - vách, cách bố trí khung vách
như thế nào cho hợp lý nhằm giảm chuyển vị ngang của nhà cao tầng. Để tính toán
được vấn đề trên chúng ta cần nghiên cứu sự làm việc chúng của hệ khung - vách như
thế nào để từ đó cần bố trí khung, vách như thế nào, khi nào cần giảm cột, cần giảm
khung, khi nào cần bố trí vách cứng nhằm giảm mô men soắn của công trình, từ đó sẽ
giảm được chuyển vị ngang.
Sự làm việc chung của khung và vách (lõi) là khi có tải trọng ngang tác dụng vào
công trình, các cột được liên kết với tầng cứng có thể ngăn cản góc xoay của lõi làm
giảm đáng kể chuyển vị ngang trên đỉnh của lõi so với trường hợp lõi đứng tự do.
Nguyên lý làm việc của hệ thống này là sử dụng lõi để chịu hầu hết tải trọng
ngang, đồng thời phân khả năng chịu cắt theo phương đứng từ lõi ra cột ngoài thông

qua cánh tay đòn của tầng cứng (outrigger). Những dầm cứng này được phát triển ra
dàn đai biên (belt truss) cho phép các cột biên tham gia vào chịu mômen lật.


9

Hình 1.4: Hệ kết cấu khung - vách
Cơ chế làm việc trên chỉ ra rằng, sự làm việc của hệ kết cấu phụ thuộc vào số
lượng tầng cứng và các đai biên (belt truss). Vì vậy, vị trí của tầng cứng bố trí trong
nhà cao tầng ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc tổng thểc ủa tòa nhà.
Vai trò của hệ outrigger trong sự làm việc của kết cấu nhà nhiều tầng là kết nối
lõi và các cột ngoài cùng chịu lực hoặc hệ khung và vách cứng cùng chịu lực, trong
một ngôi nhà thì có thể có một hoặc một vài lõi cứng, càng sử dụng nhiều dải cứng
ngang thì mức độ làm việc đồng thời của lõi cứng với các cột ngoài càng cao. Khi có
dải cứng ngang thì ngôi nhà làm việc như một kết cấu chỉnh thể mang lại nhiều hiệu
quả như sau:
+ Giảm mômen trong lõi.
+ Giảm chuyển vị đỉnh.
+ Phân phối tải trọng ngang.
1.1.3 . Xu hướng phát triển của nhà cao tầng
Với tính năng của hệ kết cấu bên trong và bên ngoài của nhà cao tầng mà ở nước
ta trong hai thập niên vừa qua, nhà cao và siêu cao đã được xây dựng nhiều tại Hà Nội,
thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác trong nước. Do quỹ đất đô thị
hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao tầng, hệ thống tàu điện
ngầm, tàu điện trên cao và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị khác trong quá trình
công nghiệp hóa và hiện đại hóa là điều khó tránh khỏi. Bảng 1-1 liệt kê một số công
trình cao tầng ở Việt Nam.
Điển hình cho các dự án siêu cao là các tòa tháp Bitexco (68 tầng, cao 262m),
Hanoi Keangnam Landmark Tower (70 tầng, cao 330m), Hanoi Lotte Center (65 tầng,
cao 268m). Cả ba công trình này đều sử dụng hệ kết cấu khung lõi kết hợp với tầng

10
cứng và đều được thiết kế bởi công ty tư vấn nước ngoài. Các đơn vị trong nước
thường đóng vai trò giúp đỡ hoặc thầu phụ. Nguyên nhân chính là do các kỹ sư Việt
Nam chưa có cơ hội để trải nghiệm các giải pháp kết cấu hiện đại cho nhà siêu cao
tầng hiện đã và đang phát triển mạnh trên thế giới.
Bảng 1.1: Thống kê một số công trình cao tầng ở Việt Nam
Công trình

Số tầng

Công

Địa điểm

năng

xây dựng Hầm Nổi

Chiều

Tiêu

cao H Hệ kết cấu
(m)
Khung lõi +

chuẩn
thiết kế

Keangnam

Hỗn hợp Hà Nội

2

70

330

Lotte Center

Hỗn hợp Hà Nội

5

65

268

Vietinbank

Hỗn hợp Hà Nội

3

68

263

Siêu khung

Bitexco Financial
Hỗn hợp TP HCM
Tower

3

68

262

Khung lõi +
VN-Mỹ
tầng cứng

Hỗn hợp TP HCM

4

40

164

Khung lõi

VN

Hà Nội

2

38

141

Khung vách

VN

Hỗn hợp Hà Nội

3

37

135

Khung lõi

Mỹ

2

36

167

Khung lõi

VN-Mỹ

Time Square
Trụ sở HANDICO
Indochina Plaza
Trung tâm hành
chính Đà Nẵng

Văn
phòng
Văn
phòng

Đà Nẵng

tầng cứng
Khung lõi +
tầng cứng

VN-Mỹ
VN-Mỹ
VN-Mỹ

Trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến nay, ở nước ta cũng có một số nghiên
cứu liên quan đến nhà cao tầng như: Nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà cao tầng
(Viện KHCN Xây dựng, 1993~1995), biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế công trình trong
vùng có động đất (Viện KHCN Xâydựng, 1998~2000), Nghiên cứu các giải pháp thiết
kế kháng chấn (Viện KHCN Xây dựng, 2000~2002), Nghiên cứu thiết kế nhà cao tầng
(Trường đại học kiến trúc HàNội, 2001~2004), Nghiên cứu các cấu tạo kháng chấn

(Trường đại học xây dựng, 2000~2002).
Đáng chú ý là các nghiên cứu gần đây của hai đề tài Nghị định thư giữa Việt
Nam và Bulgaria do nhóm tác giả PGS. TS. Nguyễn Xuân Chính, GS. TSKH Nguyễn
Đăng Bích, TS. Trịnh Việt Cường, TS. Nguyễn Đại Minh thuộc Viện Khoa học Công
nghệ Xây dựng thực hiện với nội dung “Hướng dẫn thiết kế kết cấu nhà caotầng bê
tông cốt thép chịu động đất” năm 2008 và “Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng chấn
của các chung cư nhiều tầng và đề xuất giải pháp khắc phục” năm 2011. Hai đề tài trên
tập trung vào hướng dẫn thiết kế nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép chịu tác động của


11
động đất và hướng dẫn đánh giá khả năng kháng chấn của chung cư cũ cao tầng hiện
hữu và các giải pháp gia cường hiệu quả khi chịu động đất. Nói chung, các nghiên cứu
này phần nào cũng đóng góp nâng cao chất lượng thiết kế cho kết cấu nhà cao tầng
của cả nước trong thời gian qua.
1.2 . Ảnh hưởng của chuyền vị ngang đến sự làm việc của công trình
Khi tính toán chịu lực của kết cấu nhà cao tầng, ngoài việc xem xét đến tải trọng
thẳng đứng ra, ta còn cần đặc biệt chú ý đến các tải trọng nằm ngang gây nên bởi lực
gió và lực động đất. Tải trọng nằm ngang tác động lên ngôi nhà làm việc như kết cấu
công son, chủ yếu sinh ra mômen uốn và lực trượt, mô men uốn tỷ lệ thuận với bình
phương của chiều cao nhà (xem hình 1.5).

Hình 1.5: Tải trọng và sơ đồ chịu lực của nhà
Khi chuyển vị nằm ngang của nhà quá lớn, con người sống trong nhà sẽ cảm
thấy khó chịu, ảnh hưởng không tốt đến sinh hoạt và làm việc, có thể làm biến dạng
quỹ đạo của thang máy, khiến cho các tường xây lấp khung hoặc các tường trang trí bị
nứt rạn, rời rạc và cũng có thể làm cho kết cấu chính của ngôi nhà xuất hiện vết nứt.
Chuyển vị nằm ngang gia tăng thêm bước nữa có thể tạo nên các nội lực bổ sung
trong các cấu kiện của nhà, gây ra sự phá hoại nghiêm trọng trong ngôi nhà thậm chí
còn làm cho nó bị sụp đổ cục bộ hoặc toàn bộ.

Chính vì lẽ đó, ta phải khống chế chuyển vị nằm ngang bao gồm chuyển vị giữa
các tầng liền kề và chuyển vị tại điểm đỉnh của ngôi nhà. Tỷ số giữa chuyển vị tương
đối của hai tầng liền kề của ngôi nhà trên chiều cao của tầng δ/h cũng như tỷ số giữa
chuyển vị nằm ngang của điểm đỉnh của ngôi nhà trân tổng chiều cao của nó Δ /H phải
khống chế trong khoảng từ 1/400 ~ 1/1200 tuỳ thuộc vào các loại hình kết cấu khác
nhau và các loại tải trọng nằm ngang khác nhau (xem hình 1.6)


12

Hình 1.6: Chuyển vị nằm ngang của ngôi nhà
Trong thiết kế nhà cao tầng, chuyển vị ngang của công trình là một điều kiện tiên
quyết. Kết cấu cần được đảm bảo các điều kiện về chuyển vị nằm trong giới hạn cho
phép, trước khi tiến hành các tính toán về độ bền.
Khống chế chuyển vị ngang của nhà cao tầng là xem xét các nhân tố sau:
+ Đảm bảo an toàn cho kết cấu chính, chống nứt, phá hoại, mất ổn định, chống
lật. Sau khi chuyển vị ngang vượt quá một giá trị nhất định, cột của khung và vách
cứng sẽ nứt, chuyển vị quá lớn kết cấu có thể bị phá hoại. Dưới áp lực gió và động đất
nhỏ thường gặp, kết cấu không được nứt; đối với động đất lớn ít gặp, kết cấu không bị
đổ, chuyển vị có thể chấp nhận của các loại kết cấu.
+ Tránh tường chèn, trang trí bị phá hoại do chuyển vị quá lớn. Hiện nay, tường
xây chèn được sử dụng rộng rãi, lại tường này khả năng biến dạng kém, dễ bị nứt,
chuyển vị hơi lớn sẽ đổ. Sau động đất, chi phí cho phá dỡ cải tạo rất lớn, cho nên càng
cần hạn chế chuyển vị của kết cấu chính.
+ Khi số tầng rất cao thì chuyển vị không được quá lớn, để tránh cho người ở và
làm việc có cảm giác khó chịu.
Vì 3 nguyên nhân trên, công trình cao tầng cần khống chế chuyển vị ngang.
1.3 . Các phương pháp hạn chế chuyển vị ngang công trình
1.3.1 . Bố trí Outrigger
Theo nghiên cứu của Hồ Việt Hùng với đề tài: Hạn chế chuyển vị ngang cho nhà

cao tầng bằng cách sử dụng Outtrigger (dầm gánh). Một vấn đề thường phải đối diện
khi thiết kế nhà cao tầng là giải pháp để hạn chế chuyển vị ngang. Các nhà cao tầng
hiện nay tại Việt Nam thường có bước cột tương đối lớn trong khi chiều cao của dầm
tương đối nhỏ nhằm đảm bảo chiều cao thông thủy với một chiều cao tầng thấp nhất.
Điều này làm giảm tác dụng chịu tải trọng ngang của hệ khung trong kết cấu khung vách lõi (core wall). Nhà càng cao chuyển vị càng lớn trong khi việc tăng kích thước


13
của vách lõi bị hạn chế bởi các điều kiện kiến trúc và kinh tế. Để hạn chế chuyển vị
ngang cho công trình, một giải pháp tương đối đơn giản và hiệu quả là sử dụng
outtrigger và belt wall.
Outtrigger là một cấu kiện theo phương ngang có độ cứng lớn, nối giữa vách lõi
và các cột biên, nhằm sử dụng các cột biên để tăng khả năng chịu tải trọng ngang của
vách lõi, từ đó giảm chuyển vị của công trình.
Belt wall: Outtrigger huy động các cột trực tiếp nối với nó để hạn chế chuyển vị
ngang của công trình. Khi cần huy động toàn bộ các cột biên, người ta sử dụng belt
wall. Đó là hệ vách có chiều cao bằng 1 hoặc 2 tầng chạy dài xung quanh công trình
nối các cột biên với nhau và với Outtrigger.

Hình 1.7: Outtrigger và Belt wall
Nguyên lý hoạt động của Outtrigger tương đối đơn giản. Khi tải trọng ngang tác
dụng lên công trình, hệ vách lõi (chịu hầu hết tải trọng ngang) làm việc như một công
xôn và bị chuyển vị. Chuyển vị của vách lõi làm Outtrigger có xu hướng bị xoay, làm
cho cột ở phía đón tải trọng bị kéo và cột ở phía bên kia bị nén. Các lực kéo và nén ở
cột hình thành cặp ngẫu lực tác dụng lên Outtrigger và tạo nên một mô men có tác
dụng làm giảm mô men trong tổ hợp với tải trọng ngang và làm hạn chế chuyển vị của
công trình. Có thể làm được như vậy là nhờ độ cứng lớn của outtrigger.
Ngoài tác dụng hạn chế chuyển vị ngang, việc bố trí outtrigger cũng làm giảm
đáng kể chu kỳ dao động của công trình.

14

Hình 1.8: Thực tế đa dạng của hệ kết cấu
Vị trí của Outtrigger có thể được bố trí ở các vị trí khác nhau là do đó có tác
dụng hạn chế chuyển vị ngang khác nhau.

Hình 1.9: Outtrigger phát huy hiệu quả khác nhau khi bố trí ở các cao độ
Sở dĩ hệ outrigger ngày càng được sử dụng nhiều vì do những ưu điểm mà nó
mang lại. Với các toà nhà khoảng 30 - 70 tầng, thì lõi giằng bằng thép hoặc tường lõi
bê tông cốt thép thường hiệu quả hơn cho việc chống lại các tải ngang. Trong lõi bê
tông cốt thép, các phần tử tường bị dư ra ở nơi lực kéo lớn phát triển và dễ dàng hủy
bỏ hiệu quả vốn có của bê tông trong việc chịu nén. Tương tự như vậy, trong lõi thép,


15
chỗ nối hàn hoặc nối bu lông quá mức có thể làm giảm đáng kể sự dễ dàng trong lắp
đặt và chế tạo. Hệ outrigger làm giảm bớt vấn đề này.
Một số ưu điểm khác của hệ lõi và outrigger là khoảng cách giữa các cột bên
ngoài có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu thẩm mỹ và chức năng, và hệ khung bao
ngoài của tòa nhà có thể bao gồm khung dầm cột đơn giản mà không cần liên kết của
các loại khung cứng. Cho các tòa nhà siêu cao tầng, sự kết nối các outrigger với cột
bên ngoài mở ra hệ mặt tiền linh hoạt, thẩm mỹ và kiến trúc từ đó khắc phục một
nhược điểm chính của hệ ống kín. Ngoài ra, hệ thống 8 outrigger có tiềm năng cho
chiều lớn hơn lên đến 150 tầng và có thể nhiều hơn.
1.4 Phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý (tăng độ cứng cho bản thân
công trình)
Hệ kết cấu khung - vách được tạo ra bằng sự kết hợp hệ thống khung và hệ vách
cứng. Thường trong hệ kết cấu này hệ thống vách đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng
ngang, hệ khung chủ yếu được thiết kế để chịu tải trọng thẳng đứng trong phạm vi

truyền tải được thể hiện ở hình 1.10

Hình 1.10: Sự tương tác giữa khung – vách
Theo hình 1.10 ta có thể nhận thấy rằng, biến dạng của khung chủ yếu là biến
dạng cắt, biến dạng của vách chịu cắt là biến dạng uốn. Sự biến dạng ngang sản sinh ra
sự tương tác giữa thành phần khung và vách cứng. Sự rung lắc tuyến tính của khung
kết hợp với đường biến dạng parabolic của vách làm độ cứng gia tăng. Bởi vì vách bị
ngăn cản bởi khung ở những tầng bên trên trong khi ở những tầng bên dưới khung chịu
cắt bị ngăn cản bởi vách. Nhưng sự tương tác đơn giản chỉ đúng nếu: Vách và khung
có độ cứng không đổi dọc theo chiều cao hoặc nếu độ cứng thay đổi, quan hệ độ cứng
của vách và khung vẫn không bị thay đổi theo chiều cao.


16
Như vậy hệ khung - vách kết hợp có khả năng chịu tải trọng ngang lớn. Việc bố
trí vách cứng trên mặt bằng nhằm giảm ảnh hưởng của hiện tượng xoắn đến sự làm
việc của công trình.
Việc phân phối và bố trí độ cứng khung - vách hợp lý nhằm tăng độ cứng công
trình theo các nguyên lý sau:
Hệ thống vách cứng và giải pháp mặt bằng kiến trúc cần được kết hợp chặt chẽ
và hợp lí. Hệ thống các vách cứng cần được bố trí đều trên mặt bằng ngôi nhà, không
nên lệch về một phía, bố trí đối xứng cả về độ cứng và hình học.
Bố trí mặt bằng ngôi nhà được xem là tối ưu khi đường tác động của tổng hợp
lực gió đi qua tâm uốn ngôi nhà tại tầng đang xét. Những ngôi nhà có mặt bằng không
đối xứng các điều kiện trên thường không thoả mãn, nên cần bố trí hệ thống vách cứng
sao cho khoảng cách giữa tâm uốn và tâm hình học ngôi nhà là nhỏ nhất, đồng thời có
độ cứng chống xoắn lớn nhất.
1.5 . Kết luận chương 1
Những nghiên cứu ở chương 1 cho thấy, nhà nhiều tầng phải chịu ảnh hưởng rất
lớn bởi tác động của tải trọng ngang, công trình càng cao thì ảnh hưởng của tải trọng

ngang càng lớn và do đó chuyển vị ngnag công trình càng đáng kể. Yêu cầu tăng độ
cứng ngang, giảm chuyển vị là một vấn đề luôn được đặt ra cho việc thiết kế. Và hệ
kết cấu luôn biến đổi không ngừng để thỏa mãn vấn đề này. Ngày nay việc sử dụng hệ
khung - vách kết hợp là giải pháp kết cấu hiệu quả để tăng độ cứng ngang cho công
trình. Đồng thời để tăng tải trọng ngang hiệu quả nhằm đảm bảo cho kiến trúc, công
năng sử dụng và hiệu quả kinh tế khi thiết kế cần phải phân phối, bố trí độ cứng ngang
hợp lý. Sự làm việc của hệ kết cấu này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2.


17
CHƢƠNG 2

CHUYỂN VỊ NGANG CỦA CÔNG TRÌNH CÓ SƠ ĐỒ KHUNG – GIẰNG
DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG
Trong chương này, tác giả đi sâu nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khung – giằng
chịu lực trong nhà cao tầng. Công trình được xét sẽ chịu tác dụng của tải trọng ngang,
dưới tác dụng của tải trọng này khung và vách cứng trong kết cấu chịu lực sẽ có
chuyển vị khác nhau và do đó sẽ có sự tương tác. Chính điều này ảnh hưởng đến ứng
xử của toàn công trình. Chuyển vị ngang của công trình có kết cấu đơn giản, cấu tạo
đồng đều từ trên xuống cũng sẽ được trình bày và qua đó nêu lên các phương pháp bố
trí khung – vách cứng để có thể hạn chế chuyển vị ngang công trình.
2.1 . Sự làm việc của công trình cao tầng có sơ đồ khung – giằng
2.1.1 . Kết cấu khung – giằng
Hệ kết cấu khung giằng được tạo bởi sự kết hợp của vách cứng và khung cứng. Hệ
kết cấu nầy tận dụng ưu điểm của mỗi loại, vừa có thể tạo một không gian sử dụng
tương đối lớn theo yêu cầu bố trí mặt bằng kiến trúc lại có tính năng chịu lực ngang
tốt.
Vách cứng có thể bố trí tại khu vực cầu thang bộ, cầu thang máy, khu vệ sinh
chung hoặc ở các tường biên, là các khu vực có tường liên tục nhiều tầng. Hệ thống
khung được bố trí tại các khu vực còn lại của ngôi nhà (Hình 2.1). Hai hệ thống khung

và vách được liên kết với nhau qua hệ kết cấu sàn và tường cứng. Trong trường hợp
này hệ sàn liền khối có ý nghĩa rất lớn.

Hình 2.1: Hệ kết cấu khung giằng
a- Mặt bằng, b- Sơ đồ 3D
Thường thường trong hệ kết cấu này hệ thống vách đóng vai trò chủ yếu chịu tải
trọng ngang, hệ khung được thiết kế để chịu tải trọng thẳng đứng và chịu một phần tải
trọng ngang. Sự phân rõ chức năng này tạo điều kiện tối ưu hoá các cấu kiện, giảm bớt