I – Sơ lược vè nhà cao tầng.

1. Khái niệm. (thầy biết rồi)2. Tải trong tác động vào nhà cao tầng

-3. Các bộ chịu lực của nhà cao tầng.

- Hệ chịu tải đứng+ Sàn+ Dầm và khung+ Cột và tường+ Móng

- Hệ chịu tải ngang+ Khung+ Vách+ Lõi+ Ống

- Sơ bộ chọn hệ kết cấu+ Đối với kết cấu thép:

+ Đối với kết cấu BTCT:

II – Hệ chịu tải đứng.

1. Sàn.1.1. Sàn có dầm

a. Sàn sườnSàn sườn BTCT là hệ kết cấu sàn truyền thống, có thể chịu lực một hoặc hai phương, thường không dùng ứng lực trước cho hệ sàn này

Ưu điểm:

Có thể vượt nhịp lớn

Nhược điểm:

Ván khuôn phức tạp hơn so với sàn không dầm

Chiều cao hệ dầm sàn lớn

Tăng chiều cao tầng nhà

Có thể phải tạo lỗ xuyên qua dầm khi bố trí đường ống

b. Sàn dầm bẹt

Hệ này có các dầm với chiều cao nhỏ nhưng chiều rộng lớn (band beams). Có thể dùng BTCT ứng lực trước cho band beams (căng sau) trong khi vẫn dùng BTCT thường cho sàn. Cũng có thể dùng sàn composite concrete/metal decking.

• BTCT thường: nhịp vào khoảng Dx22 cho band beams rộng 1200mm, và Dx26 cho band beams rộng 2400mm; có thể vượt nhịp đến 12m. D là tổng chiều dày sàn-dầm bẹt.

BTCT ứng lực trước: nhịp vào khoảng Dx24 cho band beams rộng 1200mm, và Dx28 cho band beams rộng 2400 mm.

Ưu điểm:

• Ván khuôn tương đối đối đơn giản

• Dầm thấp cho phép các hệ thống kỹ thuật chạy dưới sàn

• Giảm chiều cao hệ kết cấu sàn và chiều cao tầng nhà

• Có thể vượt nhịp lớn• Tiết kiệm thời gian và giá thành

Nhược điểm:

• Độ võng dài hạn lớn có thể phải cần ứng lực trước (căng sau)

Có thể cần các lỗ kỹ thuật xuyên dầm1.2. Sàn không dầm

Flat plate – không có mũ cột hay bản đáy

BTCT thường: nhịp 6-8 m (D x 30 cho nhịp biên và D x 32 cho nhịp giữa của sàn liên tục)BTCT ứng suất trước: nhịp 8-12m (D x 37 cho nhịp biên và D x 40 cho nhịp giữa của sàn liên tục, với D là chiều dày sàn).

Ưu điểm:• Ván khuôn đơn giản, trần phẳng• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản • Chiều cao hệ kết cấu sàn tối

thiểu, có thể giảm chiều cao tầng

Nhược điểm:• Vượt nhịp trung bình• Là một bộ phận của khung cứng (dầm tương đương) ảnh hưởng đến khả năng

chịu tải ngang.• Để chống xuyên thủng sàn phẳng, có thể cần cốt thép chịu cắt (shear heads, shear

reinforcement) cho sàn hoặc phải tăng tiết diện cột • Độ võng dài hạn có thể lớn• Có thể không thích hợp để đỡ các vách ngăn bằng vật liệu giòn (như tường gạch)• Có thể không thích hợp cho tải trọng nặng

Flat slab – có bản đáy (drop panel)

Dùng Drop panels để tang khả năng chống xuyên thủng tại vị trí sàn gần cột

• BTCT thường: nhịp 9.5m (D x 32 cho nhịp biên và D x 36 cho nhịp giữa của sàn liên tục)

BTCT ứng suất trước: nhịp 12m (D x 40 cho nhịp biên và D x 45 chi nhịp giữa của sàn liên tục, D là chiều dày sàn không kể drop panel)

Ưu điểm:

• Ván khuôn đơn giản

• Không dầm, bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn đơn giản

• Chiều cao kết cấu tối thiểu

• Thường không cần cốt thép chịu cắt cho vùng sàn gần cột

Nhược điểm:

• Vượt nhịp trung bình

• Thường không thích hợp để đỡ vách ngăn bằng vật liệu giòn

• Drop panels có thể ảnh hưởng đến việc bố trí các hệ thống kỹ thuật có kích thước lớn

• Việc bố trí lỗ theo phương đứng phải tránh vùng sàn xung quanh cột

Với sàn phẳng BTCT thường độ võng của dải giữa nhịp có thể lớn.

1.3. Sàn đặc biệt.a. Sàn composite

Sàn liên hợp thường gồm các tấm tôn đặt ở mặt dưới, bên trên nó là lưới cốt thép và bêtông đổ tại chỗ. Tấm tôn được cấu tạo theo nhiều hình dạng khác nhau có các sườn nổi nhằm tăng độ cứng uốn và giảm trọng lượng của bản sàn, tăng khả năng truyền lực giữa bêtông và tấm tôn, ngăn cản chuyển vị ngang của dầm thép trong quá trình lắp dựng. Các chốt liên kết được hàn sẵn với tấm tôn để tăng khả năng chịu cắt giữa tấm tôn và bản bêtông. Tổng chiều dầy của bản sàn liên hợp ≥ 80 mm và có thể đến 180 mm, tuỳ theo yêu cầu chịu tải trọng và khả năng chịu lửa cho bản sàn. Chiều dầy của phần bêtông nằm trên sóng tôn yêu cầu lớn hơn 40 mm để nhằm bảo vệ cốt thépvà đảm bảo khả năng chịu lực. Nhịp bản sàn từ 2,5 m đến 4 m hoặc có thể đến 7 m khi có sử dụng các cột trụ chống đỡ trong quá trình thi công. Sàn liên hợp cần được thiết kế đảm bảo đủ khả năng chịu lực trong suốt giai đoạn thi công và giai đoạn sử dụng khi bêtông đông cứng. Tấm tôn đóng vai trò là ván khuôn trong quá trình thi công cần được tính toán chịu các loại tải trọng do trọng lượng bản thân của bêtông ướt, lưới cốt thép, các thiết bị đổ bêtông và người thao tác,... Sàn liên hợp cần được kiểm tra tại các vị trí nguy hiểm có thể xẩy ra phá hoại do mômen uốn lớn nhất, do bị trượt dọc và trượt ngang tại mặt tiếp xúc giữa tấm tôn và bêtông.

b. Sàn bong bóng BubbledeckBubbleDeck là một công nghệ thi công sàn bê tông cốt thép mang tính cách mạng trong xây dựng khi sử dụng những quả bóng bằng nhựa tái chế để thay thế phần bê tông không tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, làm giảm đáng kể trọng lượng bản thân kết cấu và tăng khả năng vượt nhịp lên khoảng 50%. Bản sàn BubbleDeck phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực, có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế, cụ thể: Tạo tính linh hoạt cao trong thiết kế, có khả năng áp dụng cho nhiều loại mặt bằng công trình; Giảm tới 35% trọng lượng bản thân kết cấu, từ đó giảm kích thước hệ kết cấu cột, vách, móng; Tăng khoảng cách lưới cột, giảm hệ tường, vách chịu lực; Giảm thời gian thi công và các chi phí dịch vụ kèm theo; Tiết kiệm khối lượng bê tông thi công: 2,3kg nhựa tái chế thay thế cho 230kg bê tông/m (BD 280) và rất thân thiện với môi trường khi giảm lượng phát thải năng lượng và khí C02(khí nhà kính). Các cấu kiện rộng 2,4m tạo nên một phần bản sàn tổng thể được sản xuất dưới dạng cấu kiện đúc sẵn bán toàn khối bao gồm lưới thép dưới và lớp bê tông đúc sẵn dày 60mm, hình thành hệ ván khuôn vĩnh cửu cho bản sàn. Các sườn tăng cứng có tác dụng cố định 2 lưới thép trên và dưới, định vị các quả bóng nhựa đúng vị trí cũng như tăng cường độ cứng dọc cho tấm sàn trong quá trình lắp dựng.

2. Cột2.1. Cột bê tông thường2.2. Cột composite.

3. Móng.4. Móng nhà cao tầng:5. Tải trọng thẳng đứng và tải trọng nằm ngang mà kết cấu bên trên của nhà cao tầng

phải gánh chịu là rất lớn và các loại tải trọng đó rốt cuộc phải truyền xuống nền đất thông qua tầng hầm và móng nhà. Do đó, việc lựa chọn hình dáng của móng và độ sâu chôn móng của nhà cao tầng khác với nhà thấp tầng và nhà nhiều tầng. Ta phải căn cứ vào tải trọng bên ngoài, loại hình kết cấu, tình hình đất nền và điều kiện thi công cụ thể để xem xét một cách tổng hợp, cân nhắc tỷ mỷ để chọn dùng loại móng bè, móng hộp hoặc các loại móng cọc khác nhau trong từng trường hợp.

6. Để bảo đảm ổn định của nhà cao tầng và thoả mãn yêu cầu biến dạng của đất nền, móng của nhà cao tầng phải có một độ sâu chôn trong đất nhất định. Khi sử dụng nền thiên nhiên đặt móng thì chiều sâu đó không được nhỏ hơn 1/12 chiều cao ngôn nhà. Khi sử dụng móng cọc thì chiều sâu chôn móng không được nhỏ hơn 1/15 chiều cao ngôi nhà; chiều dài của cọc không tính trong chiều sâu chôn móng.

7. Câu hỏi: Tác dụng của tầng hầm8. - Giảm trọng lượng công trình (phần đất)9. - Móng chôn sâu trong đất10. - Tầng hầm nếu đặt dưới mực nước ngầm thì hạn chế tải trọng công

trình (lực đẩy Acsimet)11. - Độ sâu ngàm vào đất lớn tăng tính ổn định cho công trình12. Phân biệt cọc tròn và cọc vuông;13. - Cọc vuông dễ thi công14. - Cùng thể tích bê tông nhưng cọc vuông có diện tích xung quanh

lớn nên lực ma sát bên lớn

15. Phân biệt dầm móng và giằng móng: Éo biết16.17. Móng bè có độ cứng tổng thể tốt, thích hợp cho những công trình có tải trọng lớn

và đất nền tương đối yếu, tận dụng là bản đáy sàn tầng hầm

17.1. Móng nông.17.2. Móng sâu.

III – Hệ chịu tải ngang.

III – Hệ chịu tải ngang.

1. Hệ sàn phẳng và cột.

Sàn phẳng hai phương được đỡ bởi cột, không có dầm, chiều cao nhà thường không quá 10 tầng để bảo đảm chuyển vị ngang, ít được dùng trong vùng chịu động đất mạnh.

Ứng xử của sàn phẳng khi chịu tải ngang:Phân phối tải ngang đến các cấu kiện đứng, tỷ lệ với độ cứng của chúng. Hạn chế chuyển vị dọc trục và góc xoay của cột và tường. Lúc này sàn làm việc như dầm bẹp bản rộng.

Tương thích biến dạng giữa sàn và tường khi chịu tải trọng ngang. Khó cấu tạo cốt thép sàn khi có tập trung ứng suất lớn.

Phương pháp khung tương đương:

Thay sàn bằng hệ dầm hai phương. Tiêu chuẩn ACI cho phép lấy chiều rộng hiệu quả (effective

width) w của dầm tương đương bằng ½(w1 + w2) cho cả tải

đứng và tải ngang. Các kỹ sư đề nghị lấy w = ¼ (w1 + w2) khi

tính khung-sàn chịu tải trọng ngang thì an toàn hơn.

Khi giải khung, cần xem xét ảnh hưởng của vết nứt trong sàn, sự tập trung và phân bố cốt thép trong bề rộng dải sàn,vv… đến độ cứng của các cấu kiện. Tuy nhiên, việc tính chính xác sự suy giảm độ cứng là vấn đề khó khăn. Việc chỉ kể ¼ bề rộng dải sàn vào độ cứng của dầm tương đương thường là chấp nhận được.

2. Hệ sàn phẳng, vách cứng, cột.

Với nhà cao hơn 10 tầng có thể dùng hệ sàn phẳng được đỡ bởi vách cứng và cột. Các vách cứng có thể có dạng phẳng, hở , kín hoặc kết hợp giữa các dạng đó. Vách phẳng sẽ làm việc tương tự như thanh công-xon mảnh, vách hở thì có ứng xử phức tạp hơn.

Trong hầu hết các công trình căn hộ và khách sạn cao tầng thì phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ khung (sàn-cột) chỉ bằng khoảng 10-20% phần tải trọng ngang được chịu bởi hệ vách cứng.

3. Hệ khung cứng.

+ Hệ khung cứng gồm cột liên kết cứng với dầm theo cả hai phương, chịu toàn bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang. So với hệ vách cứng, hệ khung nói chung là không cứng bằng, nhưng có độ dẻo cao hơn và do đó mức độ bị phá hoại do động đất có thể ít hơn.

2 w1w

+ Hệ khung có ưu điểm về mặt kiến trúc là thuận tiện bố trí không gian bên trong nhà cũng như các ô trống ở mặt ngoài nhà, vì không có các tường cứng chịu lực.

+ Hệ khung cứng thuần túy có thể dùng cho nhà cao đến 25 tầng. Khi khung được kết hợp với vách cứng để tăng độ cứng ngang và giảm chuyển vị thì nhà có thể cao đến 50 tầng

+ Độ cứng ngang của khung phụ thuộc vào khả năng chống uốn của dầm, cột và nút khung; và cả độ cứng dọc trục của cột khi khung có chiều cao lớn.

+ Với công trình có yêu cầu kháng chấn, cần đặt cốt đai ngang với khoảng cách nhỏ trong vùng nút khung_ là vùng chịu lực cắt lớn, để khống chế vết nứt nghiêng và sự tách bóc bê tông, cũng như để tăng độ dẻo cho khung.

Chuyển vị ngang tổng của một khung cứng thường gồm các thành phần sau:

- biến dạng công-xon do biến dạng dọc trục cột (15%–20%).

- Biến dạng cắt của khung do uốn dầm (50%–60%).

- Biến dạng cắt của khung do uốn cột (15%–20%).

Biến dạng của nút khung cũng có đóng góp vào chuyển vị ngang tổng, nhưng thành phần này thường không đáng kể. Thông thường, giải pháp hiệu quả và kinh tế nhất để giảm chuyển vị ngang là tăng độ cứng chống uốn của dầm..

Đặc trưng biến dạng của khungDo liên kết giữa dầm và cột là cứng, khung sẽ không thể có chuyển vị ngang nếu không có sự uốn của dầm và cột. Do đó, độ cứng ngang của khung phụ thuộc phần lớn vào độ cứng chống uốn của các cấu kiện, và phụ thuộc một ít vào độ cứng dọc trục (kéo/nén) của cột. Để đơn giản, ta hãy so sánh:

- Một cây cột công-xon: chuyển vi ngang của cột chủ yếu là do biến dạng uốn, chỉ một phần nhỏ của chuyển vị ngang là do biến dạng cắt. Trong tính toán, thậm chí có thể bỏ qua biến dạng cắt, trừ khi cột khá ngắn.

- Một khung cứng: cả hai thành phần biến dạng do uốn (cantilever bending component) và do cắt (frame racking component) đều quan trọng.

Với khung không quá cao, chuyển vị ngang do hiệu ứng uốn thường không vượt quá 10%–20% chuyển vị do hiệu ứng cắt. Do đó biểu đồ biến dạng tổng thể của khung thường sẽ gần giống với biểu đồ biến dạng cắt.

Nguyên tắc cột khỏe-dầm yếu

Nếu khung có cột yếu thì chuyển vị ngang lớn do tác động động đất có xu hướng tập trung ở một hay một số ít tầng, dễ dẫn đến cơ cấu sụp đổ. Cần thiết kế cột khỏe-dầm yếu để có thể dàn trải biến dạng không đàn hồi ra nhiều tầng nhà. Khi cột khỏe thì chuyển vị lệch tầng cũng có xu hướng phân bố đều đặn theo chiều cao nhà. Nếu xét thêm tải trọng đứng thì cột phải gánh trọng lượng của các tầng bên trên trong khi dầm chỉ gánh một tầng thôi. Do đó, cột bị phá hoại sẽ nguy hiểm hơn nhiều hơn so với dầm bị phá hoại.

Theo ACI, tại một nút khung, khả năng chống uốn của cột nên lớn hơn khả năng chống uốn của dầm ít nhất là 20 %.

4. Hệ ống với cột bố trí thưa.- Thuật ngữ “ống” thường được dùng khi nhà có các cột biên được bố trí gần nhau (2.4÷4.6

m) và được liên kết bởi các dầm có chiều cao lớn- Với công trình có mặt bằng nhỏ gọn thì vẫn có thể dùng các cột với khoảng cách khá xa

cùng với các dầm cao để tạo ra hiệu ứng “ống”. Ví dụ: nhà 28 tầng ở New Orleans có hệ thống chịu lực ngang bao gồm khung chu vi với cột có chiều rộng tiết diện là 1.5m đặt cách khoảng 7.62m, được giằng với nhau bởi dầm cao 1.53m.

5. Lõi cứng- Lõi cứng được tạo thành từ hệ các vách cứng bố trí xung quanh khu vực thang máy,

thang bộ và dịch vụ. - Đây là một hệ không gian có khả năng chịu moment uốn và lực cắt theo hai phương, và

cả moment xoắn; đặc biệt khi có dầm lanh tô ở các lỗ trống.- Lõi cứng có thể có dạng hình chữ nhật đơn giản hoặc là tổ hợp phức tạp hơn của các vách

phẳng, tùy vào yêu cầu bố trí thang máy và thang bộ.6. Ống khung- Hệ cột bố trí gần nhau với các dầm cao ở chu vi nhà làm việc như một côngxon thẳng

đứng với tiết diện dạng hộp rỗng. Chuyển vị ngang do biến dạng dọc trục cột, biến dạng cắt và uốn của các dầm biên và cột có thể khá lớn tùy vào dạng hình học của nhà. Nếu tỷ số hai cạnh trên mặt bằng lớn hơn 2.5 thì cần dùng thêm hệ giằng ngang để hạn chế chuyển vị công trình.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của dạng kết cấu này là khoảng cách và kích thước cột, chiều cao của dầm biên, và tỷ số các cạnh mặt bằng nhà. Hệ hộp khung có thể dùng cho nhà cao trên 40 tầng.

7. Bó ống Kết hợp hai hay nhiều ống thành một bó để giảm hiệu ứng shear lag.

8. Vách xương sống

- Đây là hệ kết cấu mới, thích hợp cho nhà siêu cao. - Các vách xương sống ( spine walls) chạy dọc chiều dài nhà chịu tải ngang tác dụng

song song với hành lang. Theo phương vuông góc hành lang có các vách ngang nối vào vách xương sống. Sàn hoặc các dầm nối sẽ liên kết hệ vách. Để tăng khả năng chống xoắn, có thể bố trí thêm vách ở ô thang máy và thang bộ.