21/11/2014
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM
TS. NGUYỄN HỮU ANH TUẤN
KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG
30 TIẾT – PHẦN CƠ BẢN
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH
• Bungale S. Taranath (2010). Reinforced Concrete Design of Tall Buildings, CRC Press. • Bungale S. Taranath (1998). Steel, Concrete and Composite Design of Tall Buildings, McGraw-Hill. • Lê Thanh Huấn (2007). Kết cấu nhà cao tầng BTCT, NXB Xây Dựng. • Nguyễn Lê Ninh (2007). Động đất và thiết kế công trình chịu động đất, NXB Xây Dựng. • Triệu Tây An (1996). Hỏi-đáp thiết kế và thi công kết cấu nhà cao tầng, NXB Xây Dựng. • TCVN 2737:1995. Tải trọng và tác động. • TCXD 229:1999. Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió. • TCXD 375:2006. Thiết kế công trình chịu động đất. • TCXD 198:1997. Nhà cao tầng-Thiết kế kết cấu BTCT toàn khối. • Wolfgang Schueller (1986), High-Rise Building Structures, Krieger Pub Co. • Mir M. Ali & Kyoung Sun Moon (2007). Structural Developments in Tall Buildings: Curent Trends
and Future Prospects, Architectural Science Review, Vol 50.3.
• Anil K. Chopra (1995). Dynamic of Structures – A Primer, Earthquake Engineering Research Institute • Cement and Concrete Association of Australia (2003). Guide to Long-Span Concrete Floors
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
1
21/11/2014
Bài 1. Tổng quan
Bài 2. Các hệ kết cấu sàn BTCT (ôn tập)
Bài 3. Các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang
Bài 4. Khái niệm về động lực học kết cấu nhà nhiều tầng
Bài 5. Tải trọng và tác động. Tải trọng gió
Bài 6. Tác động động đất
Bài 7. Các phương pháp tính toán gần đúng kết cấu nhà nhiều tầng
Bài 8. Tính toán và cấu tạo các bộ phận chịu lực bằng BTCT
Bài 9. Một số chủ đề đặc biệt
BÀI 1
TỔNG QUAN
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
2
21/11/2014
Định nghĩa, quy ước về NCT
Không có quy định duy nhất về chiều cao, số tầng là bao nhiêu thì được gọi là cao tầng!
Tương quan chiều cao nhà với các công trình lân cận Một nhà 14 tầng có thể không được xem là cao tầng ở một thành phố với nhiều nhà chọc trời như Chicago hay Hongkong, nhưng nó được xem là cao ở vùng ngoại ô hay nội thành của một thành phố ở Việt Nam.
Tỷ lệ Có nhiều công trình không cao lắm nhưng lại khá mảnh để có hình dáng như một nhà cao tầng. Ngược lại, có nhiều công trình có mặt bằng phần đế rất rộng, có thể không giống như “nhà cao tầng” mặc dù chúng có chiều cao khá lớn.
Định nghĩa, quy ước về NCT
Công nghệ liên quan đến chiều cao Nếu một tòa nhà cần những “công nghệ “ đặc biệt bởi vì chiều cao của nó, ví dụ hệ thống vận chuyển đặc biệt theo phương đứng, hay hệ giằng chống tải trọng gió; thì nó có thể được xem là nhà cao tầng.
Mặc dù cách phân loại nhà dựa theo chiều cao là không thích hợp lắm, ta có thể xem nhà từ 14 tầng (50 m) trở lên là cao tầng. Ngoài ra nhà siêu cao (supertall) là nhà cao trên 300m, và nhà cực cao (megatall) là nhà cao trên 600m.
[theo Ủy ban nhà cao tầng quốc tế CTBUH]
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
3
21/11/2014
Định nghĩa, quy ước về NCT
Có quan niệm cho rằng nhà được xem như là cao khi việc thiết kế kết cấu của nó phải chuyển từ phân tích tĩnh học sang phân tích động lực học. Ở phương diện thiết kế kết cấu, có thể xem một công trình là cao khi tải trọng ngang, đặc biệt là chuyển vị lệch tầng, có ảnh hưởng đến việc phân tích và thiết kế kết cấu.
Hoặc một tòa nhà đuợc xem là cao tầng nếu chiều cao của nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công và sử dụng khác với các ngôi nhà thông thường.
Yêu cầu đối với thiết kế kết cấu NCT
• Yếu tố quan trọng: tải trọng ngang • Hạn chế chuyển vị ngang. Nếu chuyển vị ngang lớn (cid:1)tăng nội lực do độ lệch tâm của trọng lượng; hư hỏng các bộ phận phi kết cấu; khó bố trí thiết bị; người có cảm giác khó chịu và hoảng sợ
• Yêu cầu chống động đất: không hư hại khi động đất nhẹ; hư hại các bộ phận không quan trọng khi động đất vừa; có thể hư hại nhưng không sụp đổ khi động đất mạnh (cid:1) kết cấu cần có độ dẻo và khả năng tiêu tán năng lượng động đất
• Giảm nhẹ trọng lượng bản thân (cid:1) giảm tải trọng xuống móng; giảm tải
• Thường nhạy cảm với độ lún lệch của móng vì kết cấu vốn có độ siêu tĩnh
động đất (cid:1) kinh tế, an toàn
• Khả năng chịu lửa cao, dễ thoát hiểm • Yêu cầu độ bền, tuổi thọ cao
cao (cid:1)quan tâm tương tác kết cấu thượng tầng –nền đất
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
4
21/11/2014
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
5
21/11/2014
Sơ bộ chọn hệ kết cấu
Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan
Thép
Sơ bộ chọn hệ kết cấu
Classification of tall building structural systems by Fazlur Khan
Bê tông
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
6
21/11/2014
Bố trí kết cấu
đơn giản, nên đối xứng, tránh dùng MB trải dài hoặc có các cánh mảnh.
Hình dạng mặt bằng • • MB hình chữ nhật: L/B ≤ 6 (với cấp phòng chống động đất ≤ 7). • MB gồm phần chính và các cánh nhỏ: chiều dài cánh và chiều rộng cánh nên
B
L
l
b
b
l
thỏa l/b ≤ 2 (với cấp phòng chống động đất ≤ 7). • Với cấp động đất 8 và 9: yêu cầu khắc khe hơn [tham khảo TCXD 198:1997]
Bố trí kết cấu
Bố trí mặt đứng • Đều hoặc thay đổi đều, giảm dần kích thước dần lên phía trên • Tránh mở rộng tầng trên hoặc nhô ra cục bộ (cid:1) bất lợi khi động đất • Không nên thay đổi trọng tâm và tâm cứng theo tầng nhà
B
H
H
B
(TCXD 198:1997)
Giới hạn tỷ số chiều cao/chiều rộng nhà (H/B)
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
7
21/11/2014
Bố trí kết cấu
Khe nhiệt, khe lún, khe khán chấn • Hạn chế dùng khe: cấu tạo móng khó khăn, xô đẩy giữa các khối khi công
trình dao động do động đất • Kết cấu khung-vách BTCT toàn khối: khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn là 45m (tường ngoài liền khối) hoặc 65m (tường ngoài lắp ghép).
• Khe lún: dùng khi có lệch tầng lớn, khi địa chất thay đổi phức tạp. Có thể không dùng khe lún nếu công trình tựa trên nền cọc chống vào đá hoặc tầng cuội sỏi; hoặc việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiện độ chênh lún giữa các bộ phận nằm trong giới hạn cho phép.
• Nhà có cánh dạng chữ L, T, U, H, Y … thường hay bị hư hỏng hoặc bị đổ khi gặp động đất mạnh ⇒ bố trí khe kháng chấn tách rời phần cánh ra khỏi công trình. Các khe kháng chấn phải đủ rộng để khi dao động các phần của công trình đã được tách ra không va đập vào nhau • Chiều rộng của khe lún và khe kháng chấn
dmin = V1 + V2 + 20mm
V1, V2 là chuyển dịch ngang cực đại của 2 khối, tại đỉnh của khối thấp hơn
Bố trí kết cấu
Công trình Mexico City: một tầng nhà bị phá hoại hoàn toàn khi hai khối nhà, có chiều cao và đặc trưng động lực học khác nhau, va đập vào nhau. Sự chuyển động của nền đất gây nên những dao động khác nhau giữa các khối công trình, tại những nơi có sự gián đọan kết cấu.
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
8
21/11/2014
Bố trí kết cấu
Bậc siêu tĩnh, cách thức phá hoại
• Thiết kế kết cấu với bậc siêu tĩnh cao (cid:1) có thể chỉ bị phá hoại ở một số cấu kiện mà không sụp đổ khi chịu tải ngang lớn
cột chảy dẻo trước dầm
dầm chảy dẻo trước cột
Nên làm cột khỏe hơn dầm, và nút khung khỏe hơn cột/dầm
• Thiết kế sao cho khớp dẻo xảy ra ở dầm sau đó mới tới cột, phá hoại cấu kiện xảy ra trước phá hoại nút, dầm bị phá hoại uốn trước khi phá hoại cắt
Bố trí kết cấu
Phân bố độ cứng và cường độ theo phương ngang • Bố trí độ cứng và cường độ đều đặn và đối xứng trên mặt bằng, tâm cứng nên trùng hoặc gần trùng với tâm khối lượng để giảm thiểu biến dạng xoắn do tải trọng ngang.
• Bố trí hệ thống chịu lực ngang chính theo cả hai phương. • Các vách cứng theo phương dọc không không nên bố trí chỉ ở một đầu nhà mà nên bố trí ở khu vực giữa nhà hoặc cả ở giữa nhà và hai đầu nhà. • Khoảng cách giữa các vách cứng: không quá 5B và 60m (cho công trình không kháng chấn), 4B và 50m (kháng chấn cấp ≤7), 3B và 40m (kháng chấn cấp 8), 2B và 30m (kháng chấn cấp 9).
• Không nên chọn vách có khả năng chịu tải lớn nhưng số lượng ít; mà nên
• mỗi đơn nguyên có ít nhất có 3 vách cứng, trục ba vách không được đồng
phân đều ra trên mặt bằng
• Chiều dày vách ≥ 150 mm và ≥ 1/20 chiều cao tầng
quy
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
9
21/11/2014
Bố trí kết cấu
Bố trí kết cấu
Phân bố độ cứng và cường độ theo phương đứng • Tránh thay đổi độ cứng đột ngột. Độ cứng của kết cấu ở tầng trên phải không nhỏ hơn 70% độ cứng của kết cấu ở tầng dưới kề với nó. Nếu 3 tầng giảm độ cứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50% .
• Trong trường hợp độ cứng kết cấu bị thay đổi đột ngột, ví dụ khi giảm số lượng cột/vách ở tầng dưới thì cần có các giải pháp kỹ thuật đặc biệt.
Brunswick Building (Chicago): loads in the closely spaced perimeter columns are transferred through the transfer beam to the widely spaced columns at ground level
http://khan.princeton.edu/khanBrunswick.html
Draft 01- Nguyen Huu Anh Tuan
10
21/11/2014
Các tiêu chí kiểm tra kết cấu BTCT
• Tính toán và cấu tạo các cấu kiện theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. • Kiểm tra ổn định chống lật cho nhà có H/B > 5:
(cid:2) moment gây lật: do tải trọng ngang (gió, động đất) (cid:2) moment chống lật: do 90% tĩnh tải và 50% hoạt tải sử dụng (cid:2) hệ số an toàn chống lật: ≥ 1.5
• Kiểm tra độ cứng: chuyển vị ngang đỉnh nhà và chuyển vị lệch tầng
f/H ≤ 1/500
f/H ≤ 1/750
f/H ≤ 1/1000
(cid:2) Khung BTCT: (cid:2) Khung-vách: (cid:2) Tường BTCT: • Kiểm tra độ dao động: amax ≤ 150 mm/s2
