CHƯƠNG KẾT CẤU NHÀ NHIỀU TẦNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Khái niệm chung 1.1 Định nghĩa nhà nhiều tầng Khi thiết kế nhà nhiều tầng, người ta phải giải hàng loạt vấn đề kiến trúc, kết cấu, cấp điện, cấp thoát nước, trang thiết bị kỹ thuật (Thang máy, thông tin liên lạc, chống sét, phòng hỏa cứu nạn, trang thiết bị vệ sinh v.v ) Những vấn đề có liên quan ảnh hưởng lẫn nhau, ảnh hưởng nhiều số tầng tăng lên Thí dụ ngơi nhà năm bảy tầng khơng cần quan tâm đến thiết bị giảm áp cho hệ thống cấp nước nhà cao hàng trăm mét người ta phải thay đổi hình dáng mặt đứng mặt để giảm ảnh hưởng gió bão đến kết cấu nhà v.v Việc thi công nhà phức tạp chiều cao (số tầng nhà) tăng lên Việc vận chuyển bê tơng lên cao hàng trăm mét địi hỏi phải có thiết bị kỹ thuật tiên tiến, đồng thời việc bảo đảm độ xác kích thước mặt đứng mặt khó khăn hẳn nhà có chiều cao lớn Theo nghiên cứu Việt Nam [ ] nước ngồi ngơi nhà có số tầng từ trở lên xếp vào diện nhà nhiều tầng Khi đó, số tầng nhà có ảnh hưởng rõ rệt đến việc thiết kế, thi công sử dụng nhà Khi thiết kế nhà nhiều tầng, phối hợp kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu môn khác phải bắt đầu từ giai đoạn thiết kế sơ để bảo đảm tính khả thi thiết kế 1.2 Những khái niệm chung thiết kế kết cấu nhà nhiếu tầng Khi thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng người ta phải tính toán cường độ ổn định để bảo đảm cho nhà không bị sụp đổ tác động dạng tải trọng tác động (trọng lượng thân, gió, động đất, hoạt tải sử dụng, nhiệt độ), phải tính tốn biến dạng hạn (chế chuyện vị ngang đỉnh nhà chuyển vị tương đối hai sàn liền kề) hạn chế dao động mức sàn để đảm bảo an toàn mức độ dễ chịu người sử dụng Tải trọng ngang gió động đất tác động lên nhà nhiều tầng lớn, phải hạn chế chuyển vị ngang chúng gây Càng lên cao tốc độ gió lớn (phát triển theo hàm số mũ), nhà cao hệ thống kết cấu để chống chuyển vị ngang phức tạp Chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng thẳng đứng (trọng lượng thân hoạt tải sử dụng) tỉ lệ bậc với chiều cao nhà Trong chi phí cho hệ kết cấu để chịu tải trọng ngang tăng nhanh nhiều chiều cao nhà tăng lên Khi thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, việc giải cách hài hịa tốn cường độ toán chuyển vị ngang hệ kết cấu thường gặp khó khăn Khi bảo đảm u cầu chuyển vị ngang nhà dư thừa cường độ ngược lại Điều địi hỏi người thiết kế phải điều chỉnh việc bố trí hệ kết cấu có giải pháp thích hợp để vừa bảo đảm yêu cầu kỹ thuật vừa thỏa mãn yêu cầu kinh tế Khi tính tốn kết cấu có chiều cao nhỏ, người ta bỏ qua chuyển vị dọc trục cấu kiện Tuy nhiên kết cấu nhà có chiều cao lớn, biến dạng dọc trục cột vách khác nhiều gây hiệu ứng tiêu cực, gây nội lực phức tạp cấu kiện khác Vấn đề trở nên nghiêm trọng có xét biến dạng từ biến bê tơng Điều địi hỏi người thiết kế phải cân nhắc kỹ chọn tiết diện ngang cấu kiện Khi thiết kế cấu kiện chịu nén kết cấu nhà nhiều tầng xây dựng vùng động đất, việc bảo đảm tỷ số nén (là tỷ số lực dọc tính tốn khả chịu nén tính tốn tiết diện bê tông, không kể cốt thép) nhỏ giá trị quy định( nhỏ 1) tiêu chuẩn thiết kế thường địi hỏi phải giải nhiều vấn đề có tính chất tổng hợp Đối với nhà thơng thường, tỷ số chiều cao H bề rộng nhà B không vượt giá trị quy định tiêu chuẩn thiết kế việc tính tốn tuân theo dẫn tiêu chuẩn thiết kế Trong trường hợp ngược lại phải sử lý cá biệt nhiều biện pháp không đơn giản Hệ kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng Hệ kết cấu nhà nhiều tầng phải chịu lực phức tạp Trước hết, tải trọng thẳng đứng tải trọng ngang tầng lớn, đồng thời có nhiều khả xuất mơ men xoắn tổng thể nhà với giá trị lớn gió động đất Điều gây nguy hiểm cho kết cấu Trong nhà nhiều tầng người ta phải bố trí hệ kết cấu khơng gian gồm kết cấu phát triển theo phương đứng khung, vách, lõi kết cấu phát triển theo phương ngang sàn tầng Các kết cấu liên kết với thành hệ không gian để chống lại lực dọc, mô men uốn mô men xoắn xuất hệ kết cấu 2.1 Các kết cấu chịu lực – Kết cấu phát triển theo phương đứng gồm có: a – Khung Đa số khung sử dụng khung có nút cứng, chúng có khả vừa chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang (gió, động đất ……) Trong số trường hợp, người ta dùng khung có nút khớp để giảm ảnh hưởng lún lệch làm cho dầm sàn tương đối giống Khi tải trọng ngang kết cấu khác vách, lõi chịu b – Vách Vách tường bê tông cốt thép, khung chèn gạch ngàm vào móng Vách có khả chịu tải trọng ngang lớn (phụ thuộc vào kích thước tiết diện ngang vách chiều cao vách) Nếu gọi bề dày vách b, chiều cao tiết diện vách h chiều cao vách theo phương đứng H người ta tính đến khả chịu mô men uốn cắt theo phương chiều cao tiết diện h , khả chịu xoắn túy vách nhỏ thường khơng xét đến tính tốn Vách bê tơng cốt thép vách đặc, vách có khoét lỗ để phục vụ yêu cầu kỹ thuật kiến trúc Khi vách bị khoét lỗ, khả chịu lực uốn cắt vách bị giảm cần phải xét đến tính tốn Trong nhà nhiều tầng tỷ lệ H/h thường nhỏ nên ảnh hưởng biến dạng trượt (cắt) lớn cần phải xét đến tính tốn Tuy nhiên việc tính tốn đơn giản thiết kế sơ người ta bỏ qua biến dạng trượt (cho GA = ∞) xét đến biến dạng uốn c – Lõi kín Là kết cấu có dạng ống thẳng đứng ngàm vào móng Tiết diện ngang lõi trịn, đa giác đều, vng, chữ nhật ; lõi có khoang nhiều khoang Tường lõi có khoét lỗ Trong nhà nhiều tầng, lõi sử dụng làm lồng thang máy hệ thống kỹ thuật khác Có thể mơ tả lõi nhiều vách nối với thành hộp kín, lõi vừa có khả chịu uốn, cắt tốt vừa có khả chịu xoắn lớn – Kết cấu phát triển theo phương ngang: Đó sàn tầng, sàn liên kết kết cấu phát triển theo phương đứng với ; Trong nhà nhiều tầng sàn khơng có nhiệm vụ mang tải trọng thẳng đứng (trọng lượng thân, hoạt tải… ) mà cịn có nhiệm vụ phân phối tải trọng ngang vào kết cấu phát triển theo phương đứng Do sàn phải có độ cứng lớn mặt phẳng cuả Độ cứng bảo đảm hệ dầm, chiều dày sàn không khoét lỗ tùy tiện làm giảm yếu sàn Trong nhà nhiều tầng sàn tầng mái vài ba sàn tầng đóng vai trị quan trọng việc phân phối tải trọng ngang cần phải đặc biệt lưu ý thiết kế thi công 2.2 Hệ kết cấu chịu lực Tổ hợp kết cấu phát triển theo phương đứng liên kết với sàn tầng, ta có hệ kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng ; - Hệ kết cấu khung: Sử dụng hệ kết cấu khung, khơng có vách thích hợp với nhà cần có khơng gian lớn Khung dụng khung có nút cứng, vừa chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải ngang (Hình 5.1a) a) b) c) Hình 5.1 Khung nhà nhiều tầng a - Khung có nút cứng; b – Khung có xiên; c – Khung có dàn đỉnh Các khung theo phương dọc ngang nhà tạo thành hệ không gian Để tăng độ cứng, giảm chuyển vị ngang nhà, người ta thêm xiên (Hình 5.1 b) Sử dụng dàn đỉnh biện pháp nhằm giảm chuyện vị ngang nhà: Khi cần thiết người ta thêm dàn số tầng trung gian Sử dụng hệ kết cấu khung thích hợp cho nhà có số tầng 20, xây dựng vùng có động đất số tầng hạn chế vào khoảng đến 12 tầng - Hệ kết cấu vách (tường): Trong nhà ở, người ta sử dụng vách (tường) bê tông cốt thép để vừa ngăn chia phịng vừa chịu lực Hình 5.2 Nhà sử dụng vách cứng bê tơng cốt thép Hình 5.2 thể sơ đồ kiểu nhà sử dụng vách bê tông cốt thép Các vách cứng trục đến chạy theo phương ngang nhà, vách có lỗ (lỗ cửa) trục B C chạy theo phương dọc nhà, đảm nhiệm chịu lực ngang xuất theo phương dọc nhà Dọc theo trục A D bố trí vách có lỗ bê tông cốt thép (cửa sổ) tường gạch xây, tường gạch khơng tính vào cấu chịu lực hệ kết cấu Chiều dày vách thường không nhỏ 15 cm để dễ thi công bảo đảm cách âm phịng Khi cần thiết chiều dày vách tăng lên Ở Việt nam, hệ kết cấu vách dùng để làm nhà có chiều cao đến 28 tầng - Hệ kết cấu lõi kín chịu lực: Trên Hình 5.3 sơ đồ nhà sử dụng lõi phía phía ngồi nhà Lõi phía cầu thang phịng kỹ thuật, lõi phía ngồi hình thành từ vách có lỗ hệ có nút cứng kết hợp với chéo để tăng độ cứng Nối hai lõi ngồi sàn tầng Hình 5.3 – Sơ đồ nhà có kết cấu lõi kín – Lõi phía ; – Lõi phía Đối với nhà cao 70 đến 80 tầng, người ta kết hợp nhiều lõi kín với khung Hình 5.4 Hình 5.4 – Sơ đồ nhà có nhiều lõi kín - Các hệ kết cấu hỗn hợp Trên sở kết cấu phát triển theo phương đứng khung, vách lõi, hình thành hệ kết cấu hỗn hợp sau: Hệ kết cấu khung - vách ( Hình 5.5 a ) Hệ kết cấu khung - lõi (Hình 5.5 b ) Hệ kết cấu vách - lõi ( Hình 5.5 c) Hệ kết cấu khung - vách - lõi ( Hình 5.5 d ) Hình 5.5 Sơ đồ hệ kết cấu hỗn hợp a) Kết cấu khung - vách ; b) Hệ kết cấu khung - lõi c) Hệ kết cấu vách - lõi : d) Hệ kết cấu khung - vách - lõi – Khung ; – Vách ; – Lõi Chọn hệ kết cấu cho ngơi nhà phụ thuộc vào công nhà, vào chiều cao nhà điều kiện cụ thể địa điểm xây dựng Hai sơ đồ tính toán kết cấu nhà nhiều tầng Trong hệ kết cấu hỗn hợp, có tham gia khung khung cấu tạo để chịu tải trọng thẳng đứng mà không chịu tải ngang Sơ đồ làm việc hệ thống gọi sơ đồ giằng Khung khơng chịu tải trọng ngang khung mà nút khung khớp (Hình 5.6 a), có khả chịu tải ngang khung nhỏ nên người ta bỏ qua Trong sơ đồ giằng, toàn tải trọng ngang vách lõi chịu Hình 5.6 Sơ đồ kết cấu a - Sơ đồ giằng : b – Sơ đồ khung giằng – Khung; – Vách lõi; – Liên kết Hình 5.6 b thể sơ đồ kết cấu nhà có sơ đồ khung giằng, khung vách chịu tải trọng ngang tải trọng thẳng đứng, khung có nút cứng Liên kết Hình 5.6 có độ cứng dọc trục vô lớn, thể sàn tầng, có tác dụng truyền tải ngang từ vách qua khung ngược lại Điều tương ứng với việc người ta thường xem sàn có độ cứng vơ lớn mặt phẳng Tính tốn tải trọng 4.1.Tải trọng thẳng đứng Tải trọng thẳng đứng bao gồm trọng lượng thân cơng trình, trọng lượng trang thiết bị kỹ thuật hoạt tải sử dụng Độ lớn tải trọng thẳng đứng phụ thuộc vào công sử dụng cơng trình Tiêu chuẩn Tải trọng tác động TCVN 2737 :19 95 cung cấp giá trị tải trọng với hệ số vượt tải (hệ số độ tin cậy) loại cơng trình khác (xem Phụ lục 1) Để xét đến khả chất đầy hoạt tải sử dụng lên sàn tầng ô sàn lớn số tầng nhà từ trở lên, TCVN 2737 :1995 cho phép giảm tải tính tốn sàn, dầm cột hệ số A1 , A2 , n1 , n2 ( xem Phụ lục 1) Khi hoạt tải dụng nhỏ 10% trọng lượng thân cơng trình cộng hoạt tải với trọng lượng thân cơng trình để tính nội lực 4.2 Tải trọng gió Theo tiêu chuẩn Tải trọng tác động TCVN 2737 :1995, áp lực gió tác động vào mặt ngồi nhà (xem cửa bị đóng kín) chia thành hai thành hai phần: phần tĩnh phần động - Phần tĩnh tải trọng gió Giá trị tiêu chuẩn phần tĩnh tải trọng gió độ cao z so với mốc tiêu chuẩn đạt xác định theo 10 ... biệt nhiều biện pháp không đơn giản Hệ kết cấu chịu lực nhà nhiều tầng Hệ kết cấu nhà nhiều tầng phải chịu lực phức tạp Trước hết, tải trọng thẳng đứng tải trọng ngang tầng lớn, đồng thời có nhiều. .. chống uốn nhà (kN.m2 ) g - Gia tốc trọng trường (m/s 2) H – Chiều cao tồn cơng trình Trong tính tốn nhà nhiều tầng người ta thường tập trung khối lượng đoạn chiều cao nhà chiều cao tầng thành... vừa chịu tải ngang (Hình 5.1a) a) b) c) Hình 5.1 Khung nhà nhiều tầng a - Khung có nút cứng; b – Khung có xiên; c – Khung có dàn đỉnh Các khung theo phương dọc ngang nhà tạo thành hệ không gian