Tai lieu tham khao nha cao tang TÀI LIỆU THAM KHẢO KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
– KHOA XÂY DỰNG –
BỘ MÔN KẾT CẤU THÉP, GỖ

TÀI LIỆU THAM KHẢO
KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG

(DÀNH CHO SINH VIÊN HỆ TÍN CHỈ)
VŨ HUY HOÀNG, NGUYỄN DANH HOÀNG

16


TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
KHOA XÂY DỰNG
BỘ MÔN KẾT CẤU THÉP GỖ
--------------------o0o--------------------

TÀI LIỆU THAM KHẢO KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG

CHỈ ĐẠO BIÊN SOẠN:

PGS. TS. VŨ QUỐC ANH

NHÓM BIÊN SOẠN:

THS. VŨ HUY HỒNG
THS. NGUYỄN DANH HỒNG

NHĨM PHẢN BIỆN:

PGS. TS. ĐỒN TUYẾT NGỌC
THS. VŨ TRỌNG HUY

TỔ TRƯỞNG BỘ MƠN

PGS. TS. VŨ QUỐC ANH


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng

LỜI NÓI ĐẦU
Đầu thế kỷ 20 chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội của Việt Nam.
Theo quy luật phát triển chung, các đô thị của Việt Nam, đặc biệt là Hà Nội và
thành phố Hồ Chí Minh, liên tục phát triển và mở rộng, dân số tăng nhanh, bao gồm cả
cư dân thường trú và tạm trú. Mật độ dân số không đồng đều, tập trung vào các khu trung
tâm nơi hoạt động thương mại phát triển nhất. Đất đai trở nên khan hiếm, giá trị đất tăng
cao làm xuất hiện nhu cầu sử dụng hết hiệu năng của đất. Một loạt các nhà cao tầng được
xây dựng để phục vụ nhu cầu này.
Thời kỳ đầu do chưa có kinh nghiệm, các nhà cao tầng có số tầng rất hạn chế, chỉ
trên dưới 10 tầng, kết cấu chủ yếu bằng bê tông cốt thép mác không cao. Hiện nay, khả
năng chế tạo và quản lý chất lượng bê tông tốt hơn, mác bê tông 400 đến 500 trở nên
thông dụng, các kỹ sư đã vươn lên thiết kế và thi cơng những cơng trình từ 30 đến 40
tầng, thậm chí đã có những cơng trình vượt trội như tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark
Tower tại Hà Nội cao 72 tầng, tòa nhà Bitexco Financial Tower tại thành phố Hồ Chí
Minh cao 68 tầng.
Kết cấu thép cịn ít được ứng dụng trong nhà cao tầng ở Việt Nam do giá thành
cao, tuy nhiên trên thế giới đã được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm, trong đó nổi
trội là khả năng chịu lực rất lớn, tốc độ xây dựng nhanh hơn kết cấu bê tông thông
thường khoảng 3 lần, khả năng chịu tải trọng động đất tốt hơn nhiều so với kết cấu bê
tơng cốt thép. Vì thế có thể nói, kết cấu thép vẫn là tương lai của nhà cao tầng Việt Nam.

Mặc dù Việt Nam chưa có tiêu chuẩn riêng cho nhà cao tầng bằng thép, nhưng đã
có nhiều tiêu chuẩn liên quan như TCVN 5575 : 2012 dùng để thiết kế kết cấu thép nói
chung, TCVN 2737 : 1995 và TCVN 9386 : 2012 hướng dẫn tính tốn tải trọng phi động
đất và tải trọng động đất cũng như các u cầu tính tốn, cấu tạo bổ sung với các loại kết
cấu được thiết kế kháng chấn, trong đó có kết cấu thép. Tuy vậy, chỉ sử dụng các tiêu
chuẩn chung trên để thiết kế nhà cao tầng sẽ gặp nhiều khó khăn do nội dung phân tán ở
nhiều nơi. Cần phải có một tài liệu chỉ dẫn cho nhà cao tầng bằng thép để hướng dẫn
trình tự thiết kế, chắt lọc tiêu chuẩn, sắp xếp, tập trung lại đồng thời giải thích các nội
dung còn chưa rõ ràng trong tiêu chuẩn. Nhưng, hiện nay chưa có tài liệu như vậy.
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã giảng dạy kết cấu nhà cao tầng trong nhiều
năm. Trước đây, nội dung này là một phần của môn học Kết cấu thép 2, sử dụng tài liệu
chung, khi giảng dạy chỉ mang tính giới thiệu. Sau nhiều lần sửa đổi chương trình học,
Kết cấu thép nhà cao tầng đã được tách riêng thành môn học chuyên đề, tính độc lập cao
hơn, mục tiêu mơn học được nâng lên từ cung cấp kiến thức chung về nhà cao tầng trở
thành phải cung cấp đủ kiến thức để sinh viên có thể thực hành tính tốn cụ thể kết cấu
nhà cao tầng bằng thép, do đó địi hỏi phải thay đổi bổ sung tài liệu giảng dạy.
Trang 1


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
Để đáp ứng nhu cầu đó, nhóm tác giả đã biên soạn tài liệu Bài giảng kết cấu thép
nhà cao tầng, chủ yếu phục vụ cho sinh viên hệ chính quy chuyên ngành Xây dựng dân
dụng và công nghiệp, tuy nhiên, các chuyên ngành khác vẫn có thể sử dụng làm tài liệu
tham khảo. Bài giảng đã trình bày hầu hết các vấn đề về tính tốn và cấu tạo của nhà cao
tầng bằng thép, nội dung còn chưa đề cập bao gồm chống cháy, giảm chấn cho nhà cao
tầng sẽ được xem xét trong lần xuất bản sau. Hiện nay hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam
đang được xây dựng dựa hai nguồn tiêu chuẩn khác nhau là hệ thống tiêu chuẩn của Nga
(như TCVN 2737 : 1995 và TCVN 5575 : 2012) và hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu (TCVN
9368 : 2012) nên cịn thiếu tính đồng bộ. Nhóm tác giả đã cố gắng dung hòa các tiêu
chuẩn và tham khảo các tài liệu khác để biên soạn được một giáo trình phù hợp nhất, tuy

nhiên vẫn không thể tránh được thiếu sót. Chúng tơi mong muốn có nhiều sự đóng góp
chân thành từ độc giả để những lần xuất bản sau được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm tác giả

Trang 2


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 1
MỤC LỤC .......................................................................................................................... 3
MỤC LỤC BẢNG TRA .................................................................................................... 7
BẢNG TRA PHỤ LỤC ..................................................................................................... 9
THÔNG TIN CHUNG VỀ HỌC PHẦN ....................................................................... 11
BÀI 1 - ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (1 tiết) .................... 12
1.1

Lịch sử phát triển nhà cao tầng ........................................................................ 12

1.2

Định nghĩa và phân loại..................................................................................... 31

1.2.1

Định nghĩa ..................................................................................................... 31

1.2.2

Phân loại ........................................................................................................ 32

1.3

Những đặc điểm cơ bản của kết cấu nhà cao tầng .......................................... 36

1.4

Ưu nhược điểm của kết cấu nhà cao tầng bằng thép...................................... 38

1.5

Giới thiệu một số nhà cao tầng sử dụng kết cấu thép trong và ngồi nước . 40

1.6

Trình tự thiết kế kết cấu của một cơng trình cao tầng bằng thép ................. 50

BÀI 2 - NGUYÊN LÝ VÀ GIẢI PHÁP KẾT CẤU THÉP CHỊU LỰC TRONG NHÀ
CAO TẦNG (4 tiết) ......................................................................................................... 54
2.1

Các dạng sơ đồ chịu lực ..................................................................................... 54

2.1.1

Cấu kiện cơ bản ............................................................................................. 54

2.1.2

Các hệ kết cấu chịu lực ................................................................................. 55

2.1.3

Các sơ đồ kết cấu chịu lực ............................................................................ 56

2.2

Nguyên lý cơ bản trong bố trí kết cấu .............................................................. 59

2.2.1

Bố trí kết cấu trên mặt bằng .......................................................................... 59

2.2.2

Tổ hợp kết cấu theo phương đứng ................................................................ 65

2.2.3

Nguyên lý thiết kế chống động đất ............................................................... 68

2.3

Vật liệu ................................................................................................................ 74

2.3.1

Tiêu chí chọn vật liệu cho nhà cao tầng ........................................................ 74

2.3.2

Tính năng của vật liệu thép cho nhà cao tầng ............................................... 75

2.3.3

Yêu cầu khi thiết kế kết cấu ở cấp dẻo trung bình và cao ............................. 75

2.4

Lựa chọn tiết diện .............................................................................................. 77

2.4.1

Cột ................................................................................................................. 77

2.4.2

Dầm ............................................................................................................... 79

2.4.3

Thanh giằng ................................................................................................... 80
Trang 3


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
2.4.4

Phân loại tiết diện .......................................................................................... 81

BÀI 3 - MƠ HÌNH TÍNH, TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC (4 tiết) ............................... 85
3.1

Mơ hình tính ....................................................................................................... 85

3.1.1

Mơ hình hóa các cấu kiện.............................................................................. 85

3.1.2

Xác định kích thước hình học của sơ đồ ....................................................... 85

3.1.3

Lựa chọn liên kết giữa các phần tử ............................................................... 87

3.1.4

Lựa chọn kiểu gối tựa.................................................................................... 87

3.1.5

Xác định tỷ lệ độ cứng giữa các cấu kiện ..................................................... 87

3.2

Tải trọng.............................................................................................................. 88

3.2.1

Tải trọng thường xuyên ................................................................................. 88

3.2.2

Tải trọng tạm thời .......................................................................................... 88

3.2.3

Tổ hợp tải trọng ........................................................................................... 110

3.2.4

Xác định hiệu ứng của cơng trình ............................................................... 111

BÀI 4 - KIỂM TRA TỔNG THỂ CƠNG TRÌNH (1 tiết) ......................................... 112
4.1

Kiểm tra chuyển vị đỉnh cơng trình ............................................................... 112

4.2

Kiểm tra gia tốc đỉnh cơng trình .................................................................... 112

4.3

Kiểm tra chuyển vị tương đối của tầng .......................................................... 114

4.4

Kiểm tra chống lật và chống trượt ................................................................. 115

4.5

Kiểm tra ổn định tổng thể tồn cơng trình .................................................... 115

4.6

Kiểm tra bề rộng khe lún và khe kháng chấn ............................................... 115

BÀI 5 - ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ TÍNH TỐN CẤU KIỆN (1 tiết) .................... 116
5.1

Tổng qt .......................................................................................................... 116

5.2

Thiết kế cột thép theo TCVN 5575 : 2012 ...................................................... 116

5.2.1

Chiều dài tính tốn và độ mảnh của cột ...................................................... 116

5.2.2

Độ lệch tâm của cột ..................................................................................... 118

5.2.3

Tính tốn về bền .......................................................................................... 118

5.2.4

Tính tốn về ổn định tổng thể ..................................................................... 119

5.2.5

Kiểm tra độ cứng ......................................................................................... 122

5.2.6

Kiểm tra ổn định cục bộ .............................................................................. 123

5.3

Thiết kế dầm thép theo TCVN 5575 : 2012 ................................................... 123

5.3.1

Tính tốn về bền .......................................................................................... 123

5.3.2

Ổn định tổng thể .......................................................................................... 127

5.3.3

Kiểm tra chuyển vị ...................................................................................... 128
Trang 4

Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
5.3.4
5.4

Kiểm tra ổn định cục bộ .............................................................................. 128

Thiết kế thanh giằng theo TCVN 5575 : 2012 ............................................... 128

5.4.1

Chiều dài tính tốn và bán kính quán tính .................................................. 128

5.4.2

Kiểm tra thanh giằng chịu nén đúng tâm .................................................... 129

5.4.3

Kiểm tra thanh giằng chịu kéo đúng tâm .................................................... 130

5.5

Kết cấu sàn ........................................................................................................ 131

5.6

Yêu cầu đối với kết cấu cấp dẻo trung bình hoặc cao khi thiết kế kháng chấn
132

5.6.1

Kết cấu khung chịu mô men........................................................................ 132

5.6.2

Thiết kế và các quy định cấu tạo cho khung với hệ giằng đúng tâm .......... 134

BÀI 6 - ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ TÍNH TỐN LIÊN KẾT (4 tiết)..................... 138
6.1

Quy định đối với liên kết trong vùng tiêu tán năng lượng ........................... 138

6.2

Phân chia cấu kiện trong chế tạo, lắp ghép ................................................... 138

6.3

Các hình thức liên kết và cách tính tốn ....................................................... 141

6.3.1

Đường hàn góc ............................................................................................ 141

6.3.2

Đường hàn đối đầu ngấu toàn bộ ................................................................ 142

6.3.3

Đường hàn đối đầu ngấu một phần ............................................................. 143

6.3.4

Liên kết bu lông cường độ cao .................................................................... 143

6.3.5

Khả năng chịu nén cục bộ của bê tông........................................................ 144

6.4

Nối cột................................................................................................................ 146

6.4.1

u cầu đối với mối nối cột ........................................................................ 146

6.4.2

Tính tốn mối nối cột .................................................................................. 153

6.5

Nối dầm và liên kết dầm phụ với dầm chính ................................................. 156

6.5.1

Mối nối lắp ghép ......................................................................................... 156

6.5.2

Liên kết dầm phụ - dầm chính..................................................................... 158

6.5.3

Thanh chống ngang và chống chéo dưới dầm chính................................... 160

6.6

Chân cột ............................................................................................................ 162

6.6.1

Chân cột ngàm kiểu chôn sâu...................................................................... 162

6.6.2

Chân cột bọc bê tông ................................................................................... 165

6.6.3

Chân cột lộ thiên ......................................................................................... 169

6.6.4

Chân cột liên kết khớp ................................................................................ 175

6.7

Liên kết dầm với cột ........................................................................................ 177

6.7.1

Liên kết cứng ............................................................................................... 177
Trang 5


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
6.7.2

Liên kết khớp .............................................................................................. 192

6.7.3

Liên kết dầm - cột trong khung chịu mô men cấp dẻo trung bình và cao ... 195

6.8

Liên kết giằng với cột và dầm ......................................................................... 196

6.8.1
6.9

Đối với kết cấu độ dẻo trung bình và cao ................................................... 198

Liên kết dầm thép và kết cấu bê tông cốt thép .............................................. 198

PHẦN PHỤ LỤC ........................................................................................................... 204
Phụ lục A - Các bảng tra ........................................................................................... 204
Phụ lục B - Hệ số b để tính ổn định của dầm ......................................................... 216
B.1

Đối với dầm tiết diện chữ  có hai trục đối xứng............................................ 216

B.2

Đối với dầm tiết diện chữ  có một trục đối xứng .......................................... 218

B.3

Đối với dầm tiết diện chữ C ........................................................................... 220

Phụ lục C - Ổn định cục bộ của cấu kiện có tấm mỏng .......................................... 222
C.1

Ổn định cục bộ của bản bụng dầm ................................................................. 222

C.2

Ổn định cục bộ của bản bụng cột ................................................................... 228

C.3

Ổn định cục bộ của bản cánh dầm và cột ....................................................... 230

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG .......... 233
BẢNG CHỮ CÁI HY LẠP ........................................................................................... 237

Phụ lục D - Các bảng tra thép hình .......................................................................... 238

Trang 6


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
MỤC LỤC BẢNG TRA
Bảng 1-1 Thống kê ảnh hưởng của động đất năm 1985 ........................................ 39
Bảng 2-1 Các yêu cầu về phân loại tiết diện thép của cấu kiện có khả năng tiêu tán
năng lượng theo cấp dẻo kết cấu và hệ số ứng xử ............................................................. 71
Bảng 2-2 Tỷ lệ bề rộng và chiều dày lớn nhất của bản bụng ................................. 81
Bảng 2-3 Tỷ lệ bề rộng và chiều dày lớn nhất của phần bản cánh giữa các bản
bụng ................................................................................................................................... 82
Bảng 2-4 Tỷ lệ bề rộng và chiều dày lớn nhất của phần nhô ra của bản cánh ....... 82
Bảng 3-1 Hoạt tải sử dụng (Trích bảng 3 của TCVN 2737 – 1995) ...................... 88
Bảng 3-2 Phân vùng áp lực gió theo địa danh hành chính ..................................... 91
Bảng 3-3 Áp lực gió tiêu chuẩnW0 ........................................................................ 91
Bảng 3-4 Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình ..... 91
Bảng 3-5 Hệ số khí động cho nhà cao tầng mặt bằng hình chữ nhật ..................... 92
Bảng 3-6 Hệ số điều chỉnh tải trọng gió với thời gian sử dụng giả định của cơng
trình khác nhau .................................................................................................................. 93
Bảng 3-7 Giá trị giới hạn dao động của tần số riêng fL ......................................... 94
Bảng 3-8 Hệ số áp lực động của tải trọng gió  ..................................................... 94
Bảng 3-9 Hệ số tương quan không gian áp lực động của tải trọng gió  .............. 95
Bảng 3-10 Các tham số ρ và χ ............................................................................... 95
Bảng 3-11 Giá trị của  để tính tốn E,i ............................................................... 98
Bảng 3-12 Các giá trị 2,i đối với nhà ................................................................... 99
Bảng 3-13 Bảng phân vùng gia tốc nền theo địa danh hành chính ...................... 101
Bảng 3-14 Mức độ và hệ số tầm quan trọng ........................................................ 101
Bảng 3-15 Phân cấp, phân loại cơng trình xây dựng ........................................... 102

Bảng 3-16 Các loại nền đất .................................................................................. 104
Bảng 3-17 Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi ................... 105
Bảng 3-18 Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử cho hệ kết cấu thông thường . 105
Bảng 4-1 Phản ứng của cơ thể đối với gia tốc của kết cấu .................................. 113
Bảng 4-2 Hệ số ξ .................................................................................................. 113
Bảng 5-1 Hệ số  và  ......................................................................................... 120
Bảng 5-2 Giá trị lớn nhất l0/bf để không cần kiểm tra ổn định của dầm .............. 127
Trang 7


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
Bảng 5-3 Chiều dài tính tốn ngồi mặt phẳng của thanh bụng chữ thập chịu nén
......................................................................................................................................... 129
Bảng 5-4 Độ mảnh giới hạn của các thanh chịu nén............................................ 130
Bảng 6-1 Cơng thức tính tốn bê tông dưới đáy bản đế, bu lông neo vùng kéo và
khả năng chịu cắt ngang của chân cột lộ thiên ................................................................ 171
Bảng 6-2 - Hệ số αb để của ô bản kê 3 cạnh hoặc 2 cạnh liền kề......................... 174
Bảng 6-3 - Hệ số αb để của ô bản kê 4 cạnh......................................................... 174

Trang 8


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
BẢNG TRA PHỤ LỤC
Bảng A-1 Thép các bon TCVN 1765:1975 ......................................................... 204
Bảng A-2 Cường độ tính tốn của thép cán chịu ép mặt tì đầu, ép mặt cục bộ trong
các khớp trụ, ép theo đường kính con lăn ....................................................................... 204
Bảng A-3 Các đặc trưng vật lý của thép .............................................................. 205
Bảng A-4 Que hàn dùng ứng với mác thép (Tham khảo) .................................... 206
Bảng A-5 Kích thước que hàn điện TCVN 3223:1994 (Tham khảo) .................. 206

Bảng A-6 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính tốn fwf của kim loại
trong mối hàn góc ............................................................................................................ 206
Bảng A-7 Hệ số f và s ...................................................................................... 207
Bảng A-8 Qui định sử dụng các cấp bền của bu lông trong các điều kiện làm việc
khác nhau ......................................................................................................................... 207
Bảng A-9 Diện tích tiết diện của bu lơng A, Abn ................................................. 208
Bảng A-10 Đặc trưng cơ học của bu lông cường độ cao ..................................... 208
Bảng A-11 Hệ số ma sát  và hệ số độ tin cậy b2 .............................................. 208
Bảng A-12 Lực căng trước trong thân bu lông cường độ cao (kN) ..................... 209
Bảng A-13 Các hệ số: c1; cx; cy; nc ....................................................................... 209
Bảng A-14 Hệ số uốn dọc  của cấu kiện chịu nén đúng tâm ............................. 211
Bảng A-15 Hệ số ảnh hưởng của hình dạng tiết diện  ....................................... 212
Bảng A-16 Hệ số e để kiểm tra ổn định của cấu kiện tiết diện đặc, chịu nén lệch
tâm (nén uốn), mặt phẳng tác dụng của mô men trùng với mặt phẳng đối xứng ............ 213
Bảng A-17 Hệ số khí động c ................................................................................ 215
Bảng B-1 Hệ số  đối với dầm tiết diện chữ  có hai trục đối xứng ................... 216
Bảng B-2 Hệ số  đối với dầm cơng xơn, tiết diện chữ  có hai trục đối xứng ... 217
Bảng B-3 Hệ số b ............................................................................................... 218
Bảng B-4 Hệ số D và C ........................................................................................ 219
Bảng B-5 Hệ số B ................................................................................................ 220
Bảng B-6 Mơ men qn tính xoắn của thép cán .................................................. 220
Bảng C-1 Giá trị của c1 đối với dầm hàn ............................................................. 225
Bảng C-2 Giá trị của c1 đối với dầm bu lông cường độ cao ................................ 225
Bảng C-3 Giá trị giới hạn của c/ ...................................................................... 225
Trang 9


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
Bảng C-4 Hệ số ccr ............................................................................................... 226
Bảng C-5 Hệ số  ................................................................................................. 226

Bảng C-6 Hệ số c2 ................................................................................................ 227
Bảng C-7 Giá trị giới hạn [hw/tw] ......................................................................... 228
Bảng C-8 Giá trị giới hạn [b0/tf] ........................................................................... 231
Bảng C-9 Giá trị giới hạn của [b0/tf] .................................................................... 231
Bảng D-1 Thơng số thép hình chữ H ................................................................... 238
Bảng D-2 Thơng số thép hình chữ I ..................................................................... 243
Bảng D-3 Thơng số thép hình chữ C ................................................................... 246
Bảng D-4 Thơng số thép góc đều cạnh ................................................................ 248
Bảng D-5 Thơng số thép góc khơng đều cạnh ..................................................... 252

Trang 10


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
THÔNG TIN CHUNG VỀ HỌC PHẦN
1. Giới thiệu
Tên học phần

: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG

Số tín chỉ

: 01 tín chỉ

Nghe giảng lý thuyết

: 15 tiết

Tự học

: 30 giờ

Mục tiêu: Giúp người học nắm được đặc điểm cấu tạo và nguyên tắc tính toán kết
cấu nhà cao tầng bằng thép.
2. Tài liệu học tập
a) Giáo trình chính
Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng, Bộ môn kết cấu thép, gỗ - Trường đại học
kiến trúc Hà nội, 2016.
b) Tài liệu tham khảo
Kết cấu thép 2 - Cơng trình dân dụng và cơng nghiệp, Phạm Văn Hội, Nhà xuất
bản khoa học và kỹ thuật, 2008.
Kết cấu thép cơng trình đặc biệt, Phạm Văn Hội, Nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật, 2013.
Kết cấu thép - Phần cấu kiện cơ bản, Phạm Văn Hội, Nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật, 2006.
c) Tiêu chuẩn
TCVN 5575 : 2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 5574 : 2012 Kết cấu bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
TCXD 198 : 1997 Nhà cao tầng - Kết cấu bê tơng cốt thép tồn khối
TCVN 2737 : 1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 9386 : 2012 Thiết kế cơng trình chịu động đất - Phần 1: Quy định chung,
tác động động đất và quy định đối với kết cấu nhà.
Tuyển tập TCVN - Thép kết cấu và thép dùng cho xây dựng, Nhà xuất bản Xây
dựng, 2001.
3. Phương pháp đánh giá học phần
Hình thức đánh giá học phần: Trắc nghiệm lý thuyết và bài tập
Điểm thi kết thúc học phần:

8/10

Điểm quá trình:

2/10
Trang 11


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng

BÀI 1 - ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (1 tiết)
1.1

Lịch sử phát triển nhà cao tầng

Chỗ ở là một trong 5 nhu cầu căn bản của con người. Từ thủa hoang sơ, để tồn tại
được, con người đã phải chọn hang hốc tự nhiên để bảo vệ bản thân khỏi những điều kiện
khắc nghiệt của khí hậu như mưa, nắng ... cũng như nguy hiểm từ các loài khác. Khi
thơng minh hơn, lồi người biết dùng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên như gỗ, lá, đất, đá
... để xây dựng nơi trú ngụ và dần dần phát triển thành chỗ ở gọi là nhà. Những căn nhà
bằng gỗ, đất, đá kiên cố đã đưa con người thoát khỏi sự sống hoang dã, thoát khỏi sự phụ
thuộc vào tự nhiên và có điều kiện để phát triển lên một mức cao hơn với những nhu cầu
phức tạp hơn.
Trong lịch sử phát triển của mình, con người ln phải chống chọi với tự nhiên để
tồn tại. Khi không thể khắc chế được tự nhiên, con người đã dựa vào các yếu tố huyền bí
để tìm sự giải thích và an ủi. Các vị thần chính là người bảo trợ cho con người và đi kèm
với đó là sự tơn sùng, các nghi lễ và nhiều điện đài thờ cúng. Nơi thờ cúng của các vị
thần cần phải tôn nghiêm và cao quý hơn nơi ở của người phàm. Nền văn minh càng phát
triển thì các điện thờ càng lớn và trang trọng. Và trong khi các nhà ở phục vụ nhu cầu
sống có chiều cao rất hạn chế thì rất nhiều tòa tháp phục vụ các miếu thờ, đền đài được
xây dựng với chiều cao đáng kể, xuất phát từ ý tưởng phải cao tới tận trời để thần linh có
thể cảm nhận được đức tin và lịng thành kính của con người. Ngồi yếu tố tâm linh, các

cơng trình cao vút cịn thể hiện khát khao của con người muốn vượt qua giới hạn của
chính mình để chinh phục những đỉnh cao mới. Khát vọng đó được thể hiện trong Kinh
cựu ước, rằng sau trận Đại hồng thủy, con người đến vùng đất Shinar và đã quyết định
xây dựng thành phố của riêng mình với một tịa tháp cao đến tận thiên đường để thể hiện
sự huy hoàng của con người. Tịa tháp đó được đặt tên là Bable.

Hình 1-1 Tháp Babel
/>
Trang 12


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
Các tòa tháp phục vụ tín ngưỡng của con người đã được xây dựng như vậy ở khắp
nơi trên thế giới từ Châu Phi, Châu Âu đến Châu Á. Những nền văn minh phát triển đã
đưa chúng lên một tầm cao mới, trở thành biểu tượng minh chứng cho sự phồn thịnh và
sức mạnh của các nền văn minh này.
Tại Châu phi có thể kể đến Tháp Conical ở Zimbabwe được xây dựng vào khoảng
thế kỷ 11 đến thế kỷ 16 trước công nguyên; nhà thờ tại Djenne, xây dựng vào thế kỷ 14
sau cơng ngun.

Hình 1-2 Tháp Conical của Zimbabwe
/>
Hình 1-3 Nhà thờ tại Djenne
/>
Đế chế Babylon và Ba Tư đã phát triển rất thịnh vượng. Một loạt các cơng trình
đặc sắc có thể kể đến gồm Cổng Ishtar, Babylon (605-563 trước công nguyên); Bậc thang
Terrace tại Persepolis, Iran (518-460 trước công nguyên); Kim tự tháp Ur, Iraq (2125
trước công nguyên)...
Trang 13

Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng

Hình 1-4 Kim tự tháp Ur
/>
Ai cập cổ đại nổi tiếng với các kim tự tháp cổ: Kim tự tháp Zoser, Sakkara (2778
trước công nguyên); Kim tự tháp Chephren/Khafre (triều đại thứ 4); Đại đền thờ của
Amun, Karnak (1530-323 trước công nguyên); đền thờ của Amun, Luxor (1408-1300
trước cơng ngun)...

Hình 1-5 Kim tự tháp của Chephren – Ai cập
/>
Hi Lạp cổ có Đền thờ bách thần, Athens (447-436 trước công nguyên)...

Trang 14


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng

Hình 1-6 Đền thờ bách thần - Athen - Hi lạp
/>
Nền văn hóa Maya cổ trọng thời kỳ thịnh vượng đã xây dựng nên các cơng trình
vĩ đại như Kim tự tháp Uxmal của các pháp sư, Đền thờ Tikal, di tích Palenque và Kim
tự tháp Calakmul đều ở Yucatan.

Hình 1-7 Kim tự tháp Calakmul - Maya
/>
Trang 15

Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
Các nền văn hóa của Châu Á cũng đã xây dựng vơ số đền đài. Đền Horyu-ji Nhật
Bản xây dựng tòa tháp 5 tầng, trải qua 1300 năm, nhiều trận động đất lớn nhưng tịa tháp
vẫn đứng vững.

Hình 1-8 Tịa tháp 5 tầng của đền Horyu-ji Nhật Bản
/>
Phật tháp cổ nhất của Trung quốc còn lưu giữ lại được là tháp gạch đền Tung Sơn,
xây dựng năm 523, trên đỉnh Tung Sơn thành phố Đăng Phong tỉnh Hà Nam cao 15 tầng.

Hình 1-9 Tháp gạch đền Tung Sơn
/>
Tháp Khai Nguyên nằm ở tỉnh Hà Bắc, thành phố Định Châu, xây dựng năm 1001
đến năm 1052 đời Tống, cao 83,7m, là tháp gạch cao nhất của Trung Quốc hiện nay.
Trang 16


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng

Hình 1-10 Tháp Khai Ngun Định Châu
/>
Ấn Độ có Kirti Stambh là tịa tháp cao 12 tầng tại Chittorgarh fort, Rajasthan. Tòa
tháp cao 22m được thương nhân Jeeja Bhagerwala xây dựng khoảng năm 1179 đến 1191
để tôn vinh sự hưng thịnh của đạo Giai-na Ấn Độ.

Hình 1-11 Kirti Stambh
/>
Hơn 170 năm trước, thành phố có dáng vẻ khác so với ngày nay. Chúng có diện
mạo về cơ bản là phẳng do được hình thành từ các tòa nhà thấp, đơn điệu, nơi dùng để cư
ngụ và bn bán. Chỉ có các đài tưởng niệm, đền đài, nhà thờ mọc lên cao vút đến mức

Trang 17


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
có thể nhìn thấy từ xa hàng dặm. Thành phố có nhà ở với chiều cao đáng kể trên quy mơ
lớn có lẽ phải kể đến là Rome của đế chế La Mã. Sự phát triển mạnh mẽ của đế chế dưới
thời của Julius và Augustus Caesar đã biến Rome thành thành phố đông đúc, chật chội,
làm xuất hiện nhu cầu xây dựng những chung cư nhiều tầng để có thể chứa được nhiều
chỗ ở hơn. Số tầng liên tục tăng, từ 3 tầng vào khoảng thế kỷ 3 trước công nguyên đến 5
tầng hoặc hơn nữa (thậm chí là 10 tầng với 200 bậc thang) tại thế kỷ 1 trước công
nguyên. Tuy nhiên, với trình độ xây dựng cịn non kém, nhiều sự cố sập nhà đã xảy ra, vì
thế các đạo luật được ban hành để hạn chế chiều cao của cơng trình, ban đầu giới hạn là
21 m, sau giảm xuống cịn 18m. Mặc dù vậy, nhiều cơng trình vẫn xây dựng tới 5 đến 6
tầng.

Hình 1-12 Hình mẫu chung cư của đế chế La mã
/>
Hình 1-13 Di tích cịn lại của chung cư
/>
Cũng như các nền văn minh phát triển khác, đế chế La Mã cũng đã xây dựng
nhiều cơng trình biểu tượng như Đấu trường El Djem (đầu thế kỷ 3 sau công nguyên),
Cổng chào Septmius Serverus (năm 203 sau công nguyên), Biệt thự Hadrian's (khoảng
Trang 18


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
118-134 sau công nguyên), Pont Du Gard, Nimes, Pháp (cuối thế kỷ 1 trước cơng
ngun) ...

Hình 1-14 Đấu trường El Djem – La mã

/>
Đất nước Yemen lại có một thành phố rất khác biệt tên là Shibam, với khoảng 500
tòa nhà cao 5 đến 11 tầng, một số cao trên 30m hoàn toàn được xây dựng từ gạch đất
không nung. Mặc dù thành phố này đã có lịch sử trên 1700 năm nhưng đa số các tòa nhà
cao tầng được xây dựng từ thế kỷ 16. Vì được hình thành từ gạch đất khơng nung nên các
tịa nhà được bảo trì định kỳ bằng cách quết bùn mới lên trên tường. Đây được mệnh
danh là “Thành phố nhà chọc trời cổ nhất trên thế giới” và được cơng nhận là di sản văn
hóa UNESCO.

Trang 19


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng

Hình 1-15 Thành phố Shibam - Yemen
/>
Kết cấu tường chịu lực bằng gạch còn được thấy ở các nền văn minh lớn khác như
Ai Cập và Trung Quốc. Thủ đô cổ của Ai Cập là Fustat xây dựng rất nhiều nhà cao tầng,
với một số được mơ tả là có thể cao đến 14 tầng.
Yếu tố phòng thủ cũng là một lý do để phát triển các cơng trình có chiều cao lớn.
Phía nam Trung Quốc người Khách Gia tạo nên những dãy nhà hình trịn khép kín mang
tính chất phịng vệ, chiều cao từ 3 đến 5 tầng, có thể chứa đến 80 hộ gia đình. Dãy nhà cổ
nhất được xây dựng từ thế kỷ 14. Các tòa lâu đài ở Châu Âu với những bức tường và chòi
canh, những tháp canh ở viền các thành phố cổ là minh chứng cho điều này.
Sự phát triển của nhà cao tầng thực sự bắt đầu từ 170 năm trở lại đây nhờ những
tiến bộ của khoa học cơng nghệ, trong đó phải kể đến hai nhân tố chính là sự ra đời của
thang máy, phương tiện vận chuyển thẳng đứng, và việc nghiên cứu ứng dụng các loại
vật liệu có khả năng chịu lực lớn.
Cư dân sống trong nhà cao tầng nếu di chuyển hằng ngày bằng thang bộ sẽ rất mất
thời gian và sức lực. Với cơng trình cao trên 10 tầng điều này là không thể. Thông

thường các tiêu chuẩn giới hạn số tầng để có thể đi lại bằng thang bộ là 5 tầng. Các
nghiên cứu để tạo ra một phương tiện giao thông thẳng đứng trong nhà cao tầng đã được
xem xét và thử nghiệm. Đầu năm 1850, các mẫu thang máy thủy lực và hơi nước đã được
Trang 20


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
giới thiệu. Năm 1853, Elisha Graves Otis giới thiệu mẫu thang máy an tồn đầu tiên, với
khả năng khơng bị rơi khi đứt cáp. Thang máy càng ngày càng trở nên an toàn và nhanh
hơn. Nhờ đó, những giới hạn về chiều cao và số tầng sử dụng đã được gỡ bỏ. Con người
có thể xây dựng bao nhiêu tầng tùy ý miễn là trong khả năng khoa học kỹ thuật cho phép.
Khả năng chịu lực yếu là một nhược điểm lớn của kết cấu gạch. Vật liệu thép với
sức chịu tải vượt trội đã dần được đưa vào ứng dụng. Năm 1885, tòa nhà Home Insurance
Building 10 tầng, cao 55 m được xây dựng ở Chicago đã sử dụng khung thép là kết cấu
chịu lực, được coi là tòa nhà chọc trời đầu tiên trên thế giới.

Hình 1-16 Home Insurance Building
/>
Vật liệu xi măng cốt thép đã được Joseph Louis Lambot phát minh vào năm 1845,
nhưng đến năm 1892, bê tông cốt thộp mi chớnh thc c Franỗois Hennebique np
bng sỏng ch. Năm 1903, Ingalls Building, ngôi nhà cao tầng đầu tiên làm bằng hệ
khung bê tông cốt thép cao 16 tầng đã được xây dựng ở Cincinnati, Ohio, Mỹ.

Trang 21


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng

Hình 1-17 Ingalls Building
/>

Chiến tranh thế giới thứ hai đã tàn phá quá nhiều làng mạc, thành phố. Sau chiến
tranh, nhu cầu về chỗ ở trở nên cấp bách. Hàng loạt các nhà chung cư cao tầng bằng bê
tông cốt thép liền khối cũng như đúc sẵn được xây dựng ở Châu Âu. Đây là thời kỳ phát
triển mạnh mẽ của nhà cao tầng về mặt số lượng, nhưng đi kèm theo đó là những hệ quả
về chất lượng xây dựng, chất lượng sống, về an ninh tòa nhà, tệ nạn xã hội...
Xu thế hội nhập toàn cầu đã đưa khoa học kỹ thuật đến khắp nơi trên thế giới. Các
nhà cao tầng không chỉ được xây dựng ở các nước phát triển như Mỹ, Canada, Châu Âu
mà cả ở các nước khác. Trích dẫn tài liệu “Một số vấn đề về nhà cao tầng” đăng trên
trang web của Bộ xây dựng:
“Căn cứ vào tư liệu của Hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng lần thứ 4 họp ở Hồng
Kông năm 1990, có 100 ngơi nhà cao nhất thế giới đã được thống kê: chiều cao từ 218 243m với số tầng từ 32 - 110 tầng; trong đó gồm: 85 văn phòng làm việc, 12 nhà đa năng,
3 khách sạn, 78 ngôi nhà phân bố tại Hoa Kỳ, đặc biệt tập trung tại các đô thị lớn như
New York, Chicago, Seattle, Los Angeles và Dallas. Số còn lại xuất hiện tại Canada,
Nhật, Singapore, Australia, Venezuela, Anh, Pháp, Đức, Ba Lan, Nam Phi, Malayxia,
Triều Tiên, Hồng Kông...
Tại Châu Mỹ La tinh, nhà siêu cao (trên 100m) tập trung ở Venezuela, Colombia,
Brazil, Cuba, Mexico. Nổi bật là ngôi nhà Parque Central Torres de Officinass 62 tầng,
Trang 22


Bài giảng kết cấu thép nhà cao tầng
cao 260m, xây năm 1978 và ngôi nhà Office Towers 60 tầng, cao 237m, xây dựng năm
1985 ở Carakas; ngôi nhà Petronas Mexicanos 52 tầng, cao 214m, xây năm 1984 ở
Mexico.
Sau Đại chiến thế giới lần thứ 2, nhà cao tầng phát triển mạnh ở châu Âu. Tại
Paris, khu vực Defense năm 1965 mọc lên nhiều nhà làm việc cao từ 30 – 50 tầng và
hàng chục ngôi nhà cao tầng. Năm 1973, cũng tại đây, có ngơi nhà Maine Montparnass
64 tầng, cao 229m. Tại Pháp, theo con số thống kê, nhà 9 tầng trở lên chiếm tỷ trọng
21%.
Ở London, có nhà cao tầng Canery Wharf Tower 50 tầng, cao 245m. Ở Frankffurt

(Đức) có nhà cao tầng Messeturm 70 tầng, cao 259m.
Ở Liên xô từ những năm 30 bắt đầu xây dựng nhà ở cao tầng. Thập kỷ 50 khánh
thành trường đại học Lomonosov có nhà chính 36 tầng, cao 239,5m trong đó có 22.000
căn phịng. Năm 1961, ở Moscow xây dựng khách sạn Ucraina 34 tầng, cao 198m và
nhiều nhà cao tầng khác. Năm 1955 tại Varsava khánh thành cung văn hoá khoa học (I
palac Kultury I Nauki) 42 tầng, cao 241m.
Ở Liên Xô và các nước Đông Âu trong một thời gian dài vài thập kỷ, đã sử dụng
một cách có kế hoạch phương pháp cơng nghiệp hố xây dựng nhà ở tấm lớn trong đó có
nhà ở cao tầng chiếm một tỷ lệ nhất định. Nhà ở cao tầng ở Liên Xô chiếm tỷ trọng 7,9%
(năm 1975) tăng lên đến 15% (năm 1985-1990).Vào những năm 80 nhà ở xây dựng mới
ở Moscow thường từ 9 đến 25 tầng, bình quân là 16 tầng. Ở Đông Âu, nhà ở trên 9 tầng
chiếm tỷ trọng từ 12-32%. tại một số đô thị lớn tỷ trọng đó cịn cao hơn như ở Budapest
lên tới 80%.
Tại châu Phi, ở Nam Phi, nhà cao tầng nhất là ngôi nhà Carlton Center 50 tầng,
cao 220m, ở Ai Cập và các nước Bắc Phi, ven Địa Trung Hải, cũng xây dựng rất nhiều
nhà khách sạn cao tầng. Austraylia cũng đã xây dựng nhiều nhà cao tầng thương mại và
văn phịng làm việc. Ví dụ: ở Sydney có trung tâm MLC 70 tầng cao 240m. Ở Melbourg
có ngơi nhà Riollo Center 70 tầng cao 243m là những điển hình có thể nêu lên.
Nhật Bản do phải chịu tác động của động đất và gió bão rất ác liệt nên có một thời
gian dài quy định nhà cao tầng không vượt quá 31m. Sau khi đã tiến hành nghiên cứu sâu
các biện pháp khoa học phịng chống gió bão và động đất, đi đến loại trừ hạn chế nói trên
và từ năm 1964 trở đi nhà cao tầng được phép phát triển. Đến năm 1981 đã có 47 ngơi
nhà có chiều cao vượt quá 100m (siêu cao) trong đó phải kể đến ngôi nhà Shunshine 60,
ở Tokyo 60 tầng, cao 226m, xây dựng năm 1978.”
“Sau chiến tranh Tiều Tiên, cả hai miền Bắc và Nam (Hàn Quốc) trong cuộc tái
thiết quy mơ lớn, nhà cao tầng cũng có điều kiện phát triển mạnh. Tại Bình Nhưỡng trên
đống đổ nát do chiến tranh để lại, từ những năm 70 thế kỷ trước mọc lên đại lộ Thiên Lý
Mã chủ yếu là nhà cao tầng từ 8 đến 18 tầng. Đến những năm 80 đại lộ Quang Phục nhà
Trang 23