phân tích ứng xử nhà cao tầng có tầng cứng chịu tác động tải trọng gió khu vực thành phố đà nẵng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.67 MB, 82 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và để hoàn thành đề tài nghiên cứu một cách thuận lợi, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các Thầy/Cơ giáo trường Đại Học Lạc Hồng. Với tình cảm chân thành, tác giả bày tỏ lòng biết ơn trực tiếp đến Thầy

TS. Nguyễn Phú Cường, Khoa Sau Đại Học, Khoa Kỹ Thuật Cơng Trình – Trường Đại

Học Lạc Hồng cùng các Thầy/Cô giáo đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt q trình thực hiện đề tài, song có thể cịn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tơi rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.

Sau là xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tồn thể cán bộ cơng nhân viên chức Trường Đại Học Lạc Hồng. Kính chúc các Thầy các Cô tràn đầy hạnh phúc, thành đạt và dồi dào sức khỏe để tiếp tục là người chèo đò đưa nguồn tri thức đến với những thế

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả: Huỳnh Trọng Khiêm Sinh ngày: 20/03/1991

Quê quán: Phú Yên

Nơi công tác: Công Ty Cổ Phần Tư Vấn Thiết Kế Và Xây Dựng ACI

Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu với đề tài ‘‘Phân tích ứng xử nhà cao

tầng có tầng cứng chịu tác động tải trọng gió khu vực thành phố Đà Nẵng” đây là

cơng trình nghiên cứu của riêng tác giả và Thầy hướng dẫn thực hiện. Các số liệu, kết quả được nêu trong trong luận văn là trung thực và chưa được công bố một nơi nào khác. Các thơng tin được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Kết quả tính tốn dựa trên các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Nếu không đúng như những điều nêu ở trên, tác giả xin hoàn toàn

chịu trách nhiệm về đề tài của mình.

Đồng Nai, ngày tháng năm 2024

Tác giả

HUỲNH TRỌNG KHIÊM

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn thực hiện nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của hệ tầng cứng trong nhà cao tầng Bê tông cốt thép khi chịu tải trọng ngang là tải trọng gió tại Thành phố Đà Nẵng. Cơng trình được khảo sát cao 13 tầng với hệ chịu lực chính là khung dầm cột. Kết quả thu được cho thấy việc bố trí tầng cứng sẽ tăng khả năng chịu tải trọng ngang, cụ thể là giảm chuyển vị ngang và giá trị moment chân cột. Vị trí tầng cứng hiệu quả để chu kỳ dao động nhỏ nhất nằm ở tầng 2. Đồng thời cách tính tải trọng gió tự động bằng phần mềm Etabs cũng được xem xét trong nghiên cứu này, song song với cách tính qui đổi tương đương. Các kết quả thu được sẽ là tài liệu cần thiết cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế trong thời gian tiếp theo.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU ... 1

1. Giới thiệu chung ... 1

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ... 2

3. Phương pháp nghiên cứu ... 2

4. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn ... 2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ... 2

6. Bố cục của luận văn ... 2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ CÁC KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH TRONG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ... 3

1.1 Nhà cao tầng và sự phát triển tất yếu ... 3

1.2. Định nghĩa và phân loại ... 3

1.3.Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng ... 5

1.3.1. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng... 5

1.3.2. Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng ... 6

1.4.Các yêu cầu khi thiết kế nhà cao tầng ... 7

1.4.1. Hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng ... 9

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ KẾT CẤU CÓ TẦNG CỨNG ... 16

2.1Giới thiệu về hệ outrigger trong nhà cao tầng bê tông cốt thép ... 16

2.1.1. Lợi ích của hệ outrigger ... 16

2.1.2. Tầm quan trọng và những thách thức khi thiết kế hệ outrigger... 17

2.1.3. Sự bất lợi của hệ thống outrigger ... 19

2.1.4. Nguyên lý làm việc của hệ một tầng cứng và hai tầng cứng (outrigger)... 19

2.2.Xác định tải trọng gió theo một số tiêu chuẩn ... 24

2.2.1. Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ ASCE/SEI 7-16 ... 24

2.2.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005) ... 26

2.2.3. Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 ... 29

2.3.Phương pháp tính thành phần động của tải trọng gió với sự hỗ trợ của

phần mềm Etabs ... 31

2.3.1. Giới thiệu ... 31

2.3.2. Quy trình tính tốn thành phần động của tải trọng gió trong Etabs... 32

2.4.Kết luận chương ... 37

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VỚI HỆ TẦNG CỨNG

CHỊU TẢI GIĨ ... 38

3.1.Giới thiệu cơng trình ... 38

3.2.Các trường hợp phân tích ... 40

3.3.Tính tốn tải trọng gió. ... 41

3.3.1. Chu kỳ dao động của cơng trình. ... 41

3.3.2. Tính tốn tải trọng gió. ... 43

3.4.Kết quả phân tích nội lực và chuyển vị. ... 48

3.4.1. Nội lực khung trục 4. ... 49

3.4.2. Chuyển vị của cơng trình. ... 61

3.5.So sánh kết quả giữa tính tự động và tính thủ cơng. ... 63

3.6.Kết luận chương ... 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Kích thước cơng trình ... 39

Bảng 3.2 Tải trọng tính tốn ... 40

Bảng 3.3. Các trường hợp hoạt tải được xét đến... 41

Bảng 3.4. Chu kỳ dao động của 12 mode đầu tiên ... 43

Bảng 3.5. Chi tiết tính tốn tải trọng gió của cơng trình khi khơng có tầng cứng ... 45

Bảng 3.6. Chi tiết tính tốn tải trọng gió của cơng trình khi tầng cứng ở vị trí tầng 3 . 46 Bảng 3.7. Thành phần động của tải trọng gió của tất cả các trường hợp có tầng cứng và khơng có ... 47

Bảng 3.8. Giá trị moment ở chân cột của tất cả các trường hợp ... 56

Bảng 3.9. Giá trị moment của cột trên và dưới tầng cứng ... 58

Bảng 3.10. Giá trị moment của cột c3 cho hai trường hợp khơng có tầng cứng và có tầng cứng ở tầng 3 ... 61

Bảng 3.11. Chuyển vị của cơng trình từ TH0 đến TH6. ... 63

Bảng 3.12. Chuyển vị của cơng trình từ TH7 đến TH13 ... 64

Bảng 3.13. Giá trị moment chân cột khung trục 4 do tải trọng gió gây ra... 66

Bảng 3.14. Giá trị moment cột trên tầng cứng trường hợp tầng cứng ở tầng 2. ... 68

Bảng 3.15. Giá trị moment cột trên tầng cứng trường hợp tầng cứng ở tầng 2. ... 68

Bảng 3.16. Giá trị moment chân cột khung trục 4 do tải trọng gió gây ra cho TH6. ... 69

Bảng 3.17. Tỷ lệ chuyển vị do tải trọng gió gây ra bằng hai cách tính từ TH0 đến TH6... 69

Bảng 3.18. Tỷ lệ chuyển vị do tải trọng gió gây ra bằng hai cách tính từ TH0 đến TH6... 69

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Hình 2.3. mơ hình phân tích cấu trúc 2 tầng cứng ... 22

Hình 2.4. Định nghĩa khối lượng tham gia vào dao động của cơng trình ... 33

Hình 2.5. Khai báo các thơng số khi tính tốn khối lượng ... 33

Hình 2.6. Trước khi gán tâm cứng ... 34

Hình 2.7. Cách gán tâm cứng ... 35

Hình 2.8. Sau khi gán tâm cứng ... 36

Hình 2.9. Các thơng số cần thiết để tính thành phần động của tải trọng gió ... 37

Hình 2.10. Định nghĩa tải trọng gió ... 37

Hình 2.11. Gán tải trọng gió tại tâm cứng theo phương x ... 38

Hình 3.1. Mặt bằng cơng trình ... 40

Hình 3.2. Mơ hình 3d cơng trình nghiên cứu ... 41

Hình 3.3. Chu kỳ giao động của 12 mode giao động đầu tiên ... 43

Hình 3.4. Giá trị độ lớn chu kỳ của mode 1 theo 14 trường hợp phân tích ... 44

Hình 3.5. Thành phần động của tải trọng gió tại các tầng của hai trường hợp có tầng cứng ở vị trí tầng 3 và khơng có tầng cứng ... 47

Hình 3.6. So sánh tổng lực ngang tác dụng vào cơng trình do thành phần động của tải trọng gió của tất cả các trường hợp phân tích ... 49

Hình 3.7. Khai báo tính tốn tải trọng gió tự động trong etabs ... 49

Hình 3.8. Gán các hệ số trong tính tốn gió tự động bằng phần mềm etabs 2018 ... 49

Hình 3.9. Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp khơng có tầng cứng ... 51

Hình 3.10. Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp tầng cứng ở tầng 1 ... 52

Hình 3.11. Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp tầng cứng ở tầng 3 ... 53

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Hình 3.12. Biểu đồ moment, lực cắt, lực dọc trường hợp tầng cứng ở tầng 8 ... 54

Hình 3.13. Ký hiệu cột của khung trục 4 ... 55

Hình 3.14. Giá trị moment tại chân cột cho tất cả các trường hợp ... 57

Hình 3.15. Độ tăng giá trị moment tại vị trí của cột c3 phía trên nơi bố trí tầng cứng . 59 Hình 3.16. Độ tăng giá trị moment tại vị trí của cột c3 phía dưới nơi bố trí tầng cứng 60 Hình 3.17. Giá trị lực dọc cột biên trái chịu kéo (c19). ... 61

Hình 3.18. Giá trị lực dọc cột biên phải chịu nén (c26) ... 62

Hình 3.19. Giá trị lực dọc tại chân cột biên trái (C19) cho tất cả các trường hợp ... 62

Hình 3.20. Chuyển vị ngang của cơng trình cho tất cả các trường hợp ... 64

Hình 3.21. Biểu đồ moment khung trục 4, hình bên trái – Trường hợp tính thủ cơng, hình bên phải – trường hợp tính tự động ... 65

Hình 3.22. Biểu đồ moment khung trục 4, hình bên trái – Trường hợp tính thủ cơng, hình bên phải – trường hợp tính tự động khi tầng cứng ở tầng 2 ... 66

Hình 3.23. Moment của cột tại vị trí lân cận tầng cứng thuộc tầng 2 trường hợp tính tốn tải tọng gió tự động. ... 67

Hình 3.24. Moment của cột tại vị trí lân cận tầng cứng thuộc tầng 2 trường hợp tính tốn tải tọng gió thủ cơng ... 67

Hình 3.25. Biểu đồ moment khung trục 4, hình bên trái – Trường hợp tính thủ cơng, hình bên phải – trường hợp tính tự động khi tầng cứng ở tầng 6. ... 69

Hình 3.26. Chuyển vị ngang của cơng trình cho tất cả các trường hợp khi tính tốn tải trọng gió tự động. ... 70

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung

Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ và nhu cầu nhà ở ngày càng cao, đặc biệt tại các đô thị lớn khi mà mật độ dân cư không ngừng tăng thì địi hỏi các cơng trình dân dụng trên thế giới nói chung cũng như nước ta nói riêng cần phát triển cấp tiến về chiều cao cũng như độ phức tạp. Khi cơng trình càng phát triển chiều cao thì mức độ ảnh hưởng cũng như độ phức tạp của tải trọng ngang càng lớn và nổi trội nên việc đánh giá tác động ảnh hưởng của tải trọng ngang là ưu tiên. Tải trọng ngang tác động lên cơng trình nhà cao tầng gồm hai dạng chính đó là tải trọng gió và tải trọng động đất. Trong luận văn này, tác giả chỉ chú trọng đến tải trọng gió. Ở Việt Nam, do đặc điểm địa lý có vị trí đặc biệt với đường bờ biển dài trên 3000km và nằm trong vùng nhiệt đới chịu ảnh hưởng trực tiếp của bão Tây Bắc Thái Bình Dương. Đặc biệt hơn là khu vực thành phố Đà Nẵng, nằm ở trong khu vực biển miền Trung Việt Nam, nơi thường xuyên bị ảnh hưởng bởi các cơn bão và trung bình khoảng 5 đến 7 cơn bão lớn trong một năm. Do đó, việc đánh giá những tác động của tải trọng gió lên cơng trình nhà cao tầng nhằm hạn chế tối đa những rủi ro cũng như lựa chọn kết cấu hợp lý là yêu cầu cần thiết cho người thiết kế.

Tải trọng gió tác động vào cơng trình bao gồm hai thành phần chính đó là thành phần tĩnh và thành phần động. Thành phần tĩnh của gió được xem như là tải cố định có độ lớn phụ thuộc vào cường độ của gió và diện tích mặt đón gió. Trong khi thành phần động của gió được xem như là đáp ứng động của cơng trình khi chịu tải tác động có chu kỳ.

Tầng cứng (rigid floor) trong nhà cao tầng đóng vai trò quan trọng trong hệ kết cấu và hoạt động của tồn bộ tịa nhà. Tầng cứng được thiết kế để tăng tính cứng của hệ kết cấu. Nó cung cấp một nền tảng chắc chắn và đồng nhất cho tòa nhà, giảm biến dạng và giữ cho cấu trúc ổn định trong điều kiện tải trọng. Đặc biệt, tầng cứng chịu tải trọng ngang gây ra bởi gió, động đất và các lực tác động bên ngoài khác. Nó cung cấp khả năng chịu lực ngang và chuyển tải nó đến các hệ vách, cột và móng để đảm bảo tòa nhà

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

ổn định và an toàn. Đồng thời, tầng cứng giúp kết nối và chuyền tải lực giữa các yếu tố kết cấu khác như hệ khung, hệ tường chống đổ đất và hệ dầm.

Đó cũng là những lý do mà học viên chọn đề tài “Phân tích ứng xử nhà cao tầng

có tầng cứng chịu tác động tải trọng gió khu vực thành phố Đà Nẵng” trong luận văn

này.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Một cơng trình bê tơng cốt thép cao 13 tầng có kết cấu là khung chịu lực có bố trí tầng cứng để chịu tải ngang.

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính tốn cơng trình nhà nhiều tầng có kết cấu bằng bê tơng cốt thép chịu tác dụng của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995.

3. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về sự làm việc của hệ outrigger trong kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép.

Phân tích cơng trình cao 13 tầng, tìm vị trí hiệu quả khi bố trí hệ tầng cứng.

4. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn

Khảo sát đánh giá sơ đồ bố trí hệ tầng cứng sao cho độ cứng cơng trình là lớn nhất, chịu tải gió tốt nhất và vật liệu là tiết kiệm nhất.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu luận văn có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên nghiên cứu sâu về kết cấu nhà cao tầng chuyên ngành xây dựng tại các trường Đại học, Cao Đẳng. Cơ sở cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật trong việc thiết kế các cơng trình nhà cao tầng bê tông cốt thép.

6. Bố cục của luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ CÁC KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH TRONG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH Kết Luận Và Kiến Nghị

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ CÁC KẾT CẤU CHỊU LỰC CHÍNH TRONG NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1 Nhà cao tầng và sự phát triển tất yếu

Với tốc độ phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội là động lực làm thay đổi chất lượng hình ảnh khơng gian kiến trúc đô thị, do vậy tại một số nước phát triển và đang phát triển, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn… tăng lên đáng kể, mà quỹ đất xây dựng lại không tang lên nên sự thiếu hụt trầm trọng làm giá đất tăng lên. Từ đó cho thấy: “Các cơng trình nhà cao tầng là biểu tượng của một đô thị văn minh và phát triển”, người ta xem đó như là chiến lược phát triển tất yếu và rất khoa học của xã hội. Việc xây dựng nhiều cơng trình cao tầng và vươn lên chiều cao còn là khẳng định về trình độ khoa học, kỹ thuật, cơng nghệ trong lĩnh vực xây dựng nói riêng và trình độ khoa học nói chung của một quốc gia. Chính vì điều đó việc các quốc gia đua nhau xây dựng các cơng trình cao tầng thể hiện sức mạnh kinh tế, trình độ khoa học kỹ thuật. Cụ thể như những thành phố sở hữu những tòa nhà chọc trời trên thế giới như tháp Burj Dubai (Các tiểu vương quốc ả rập thống nhất); tháp Taipe tại Đài Bắc (Đài Loan); Trung tâm tài chính Thượng Hải (Trung Quốc); tháp đôi Petronas (Kuala Lumpur - Malaysia); Trung tâm tài chính quốc tế (IFC2) Hồng Kơng. Những tịa nhà này khơng chỉ giúp thúc đẩy kinh tế mà còn mang ý nghĩa thể hiện sự giàu có của quốc gia, tốc độ tăng trưởng cao, sự thịnh vượng và những chính trị gia xem tịa nhà cao tầng như biểu hiện cho quyền lực là những yếu tố đẩy cơn sốt cao ốc tiếp tục trong nhiều năm nữa, ngay cả những thành phố ít được biết đến trong vùng cũng có tham vọng cháy bỏng được sở hữu các kiến trúc thật độc đáo để thay đổi diện mạo của mình, sẵn sàng đưa ra nhiều ưu đãi để biến điều đó thành hiện thực.

1.2. Định nghĩa và phân loại

Hiện nay chưa thể phân loại chính xác, rõ ràng và được mọi người thừa nhận về những cơng trình được xếp vào loại nhà cao tầng. Theo ủy ban quốc tế nhà cao tầng thì nhà cao tầng là nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng đến ý đồ và phương pháp thiết kế

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

được gọi là nhà cao tầng. Hoặc nói cách khác tổng quan hơn: một cơng trình được xem là nhà cao tầng ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà thông

− Phân loại theo hình dạng:

+ Nhà tháp: mặt bằng hình trịn, vng, đa giác đều cạnh,tam giác trong đó việc giao thông theo phương đứng tập trung vào một khu vực duy nhất.

+ Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thơng theo phương thẳng đứng.

− Phân loại theo chiều cao nhà:

+ Nhà cao tầng loại I : Có từ 09 đến 16 tầng (chiều cao không quá 50m). + Nhà cao tầng loại II : Có từ 17 đến 25 tầng (chiều cao không quá 75m). + Nhà cao tầng loại III : Có từ 26 đến 40 tầng (chiều cao không quá 100m). + Nhà cao tầng loại IV : Có từ 41 tầng trở lên (nhà siêu cao tầng).

− Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:

+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép. + Nhà cao tầng bằng thép.

+ Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tơng cốt thép và thép.

Trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà các nước có cách phân loại khác nhau. Hiện nay Việt Nam ta đang có xu hướng phân loại theo Ủy ban nhà cao tầng Quốc tế. Xét về mặt kết cấu, một cơng trình được gọi là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang này có thể ở dạng gió bão hoặc động đất. Hiện này chưa có sự thống nhất chung nào về định nghĩa Nhà cao tầng song có một ranh giới được đa số Kỹ sư kết cấu thừa nhận, đó là từ Nhà thấp

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

tầng sang Nhà cao tầng có sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học khi nhà chịu tải gió, động đất,… tức là vấn đề về dao động và ổn định nói chung.

1.3. Một số hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng

1.3.1. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản trong nhà cao tầng

1.3.1.1. Hệ khung chịu lực

Hệ khung chịu lực được tạo từ các cấu kiện thanh như dầm, cột, liên kết cứng tại các nút tạo thành các khung hệ phẳng hoặc khung không gian, dọc theo hệ lưới trục trên mặt bằng nhà. Tải tác dụng lên khung bao gồm tải trọng theo phương đứng và phương ngang. Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm trong khung vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo và nén. Chuyển vị khung gồm 2 thành phần là chuyển vị ngang do uốn tỷ lệ này khoảng 20%. Chuyển vị ngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do cột biến dạng khoảng 15%; cịn lại là dầm biến dạng khoảng 65%). Khung có độ cứng ngang bé, khả năng chịu tải không lớn, thơng thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng khoảng 6-9m, chỉ thích hợp cho nhà không quá 30 tầng [11].

1.3.1.2. Hệ vách chịu lực

Các cấu kiện chịu lực thẳng đứng của nhà là một hệ tấm phẳng. Theo cách bố trí tường có các sơ đồ sau: tường dọc chịu lực, tường ngang chịu lực, tường ngang và tường dọc cùng chịu lực.

Tường chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng. Tải trọng ngang được truyền đến các tấm tường chịu tải thông qua hệ các bản sàn. Do đó các vách cứng làm việc như cơng xon có chiều cao tiết diện lớn. Khả năng chịu lực của các vách cứng phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của vách.

Ngoài việc xây bằng gạch đá, hệ lưới thanh tạo thành các cột đặt gần nhau liên kết qua các dầm ngang, xiên cũng được xem là loại kết cấu này. Hệ tường chịu lực thích hợp cho các loại nhà cần phân chia không gian bên trong (nhà ở, nhà làm việc, khách sạn, bệnh viện…), cho các công trình chiều cao dưới 40 tầng.

1.3.1.3. Hệ lõi chịu lực

Lõi chịu lực có dạng rỗng, tiết diện kín hoặc hở được thiết kế để chịu tải trọng đứng và ngang tác dụng lên nó. Lõi chịu lực được xem là phần cốt lõi bên trong có khả năng

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

chịu lực và giữ cho kết cấu ổn định. Không gian bên trong của các ô giằng này thường để bố trí thang máy, thang bộ hoặc cho việc lắp đặt hệ thống kỹ thuật

1.3.1.4. Hệ hộp chịu lực

Hệ hộp chịu lực còn được gọi là hệ hộp cầu chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. Nó bao gồm các thành phần hình hộp hoặc hình hộp cầu được kết hợp để tạo ra một khung chịu lực mạnh mẽ và ổn định. Các bản sàn được gối lên các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tường ngồi mà khơng cần các kết cấu trung gian khác bên trong. Hệ hộp với giải pháp lưới khơng gian có các thanh chéo thường dùng cho các nhà có chiều cao lớn (trên 40 tầng).

1.3.2. Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp trong nhà cao tầng

Về mặt cấu tạo kết cấu được cấu tạo từ sự kết hợp giữa 2 hay nhiều hệ đã nêu trên: khung-vách, khung-lõi, khung-hộp, khung –vách-lõi….

1.3.2.1. Hệ khung - vách

Hệ này thường được sử dụng cho những nhà có mặt bằng chữ nhật kéo dài, chịu lực chủ yếu theo phương ngang nhà. Các vách cứng được bố trí chủ yếu dọc theo phương ngang nhà. Kết cấu khung-vách thường được sử dụng phổ biến hơn cả vì hệ này phù hợp với hầu hết các giải pháp kiến trúc nhà cao tầng.

1.3.2.2. Hệ khung - lõi

Trong hệ này, khung và lõi hoạt động cùng nhau để chịu lực và duy trì tính ổn định của kết cấu, khi tải trọng ngang tác dụng hầu như được truyền vào hệ lõi cứng còn hệ khung chỉ chủ yếu chịu phần tải trọng đứng trong phạm vi của nó. Đưa các hệ khung ra chu vi để tận dụng khả năng chịu uốn tốt của khung và hình thành nên hệ khối khơng gian để tăng độ cứng tổng thể cả chịu uốn và chịu xoắn của cơng trình.

1.3.2.3. Nhà có sơ đồ vách

Kết cấu chịu lực chính là các vách cứng (tường). Sàn chịu tải trọng đứng gối tường lên trên. Ưu điểm các tấm tường vừa có tác dụng chịu lực vừa là kết cấu bao che; khả năng cơ giới hóa cao trong q trình thi cơng. Nhược điểm là bố trí mặt bằng khơng linh hoạt; khó tạo được khơng gian lớn.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

1.3.2.4. Nhà có sơ đồ kết hợp khung-vách

Sử dụng sơ đồ nhà kết hợp trong thiết kế có thể tạo ra khơng giản mở và linh hoạt. Khung có thể làm từ thép, gỗ hoặc bê tơng, trong khi vách có thể là kính, tường ngăn hoặc nguyên vật liệu khác

Kết hợp theo phương đứng: Hệ thống khung không gian lớn ở tầng dưới đỡ vách cứng bên trên, biện pháp này đáp ứng được yêu cầu không gian tương đối lớn ở các tầng dưới, đồng thời khả năng chịu tải trọng ngang cũng lớn.

Kết hợp theo phương ngang: Bố trí mặt bằng gồm khung và các vách cứng, vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang. Biện pháp này có thể thấy lợi thế của cái này bổ sung cho cái kia, cơng trình vừa có khơng gian theo yêu cầu vừa có khả năng chịu tải trọng cao.

Tùy theo cách làm việc của hệ, có hai dạng nhà kết hợp theo phương ngang: Nhà có sơ đồ giằng là sơ đồ chịu lực của hệ hỗn hợp, khi đó tồn bộ tải trọng ngang và 1 phần tải trọng đứng do lõi vách chịu, khung chịu tải trọng đứng tương ứng với diện tích truyền tải đến. Trong sơ đồ này tất cả các nút khung đều có cấu tạo khớp, hoặc các cột có độ cứng vơ cùng bé và nhà có sơ đồ khung-giằng: là sơ đồ kết cấu hỗ hợp, khi đó khung chịu tải trọng đứng tương đương với diện tích chịu tải và một phần tải trọng ngang, một phần tải trọng ngang sẽ truyền vào cho lõi, vách chịu.

1.4. Các yêu cầu khi thiết kế nhà cao tầng

Khi thiết kế nhà cao tầng cần đảm bảo hình khối ngơi nhà phải đơn giản, đều đặn, đối xứng, và liên tục nhau.

Khi thiết kế nhà cao tầng, có một số yêu cầu quan trọng cần xem xét:

- Xác định và tính tốn chính xác tải trọng của tịa nhà để đảm bảo kết cấu có độ

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

- Chọn vật liệu xây dựng chất lượng và kiểm soát quá trình xây dựng để đảm bảo

- Thực hiện kiểm tra chất lượng thường xuyên trong quá trình xây dựng để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn và quy định.

- Thực hiện các kiểm tra cần thiết để đảm bảo tính chính xác và an toàn của kết cấu.

Đối mặt với những yêu cầu này đòi hỏi sự chuyên sâu trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và thiết kế kết cấu. Hợp tác chặt chẽ với kỹ sư kết cấu và chuyên gia xây dựng là quan trọng để đảm bảo một kết cấu nhà cao tầng an tồn và hiệu quả.

Vì mang đặc trưng của cơng trình có chiều cao lớn, nhà cao tầng chịu tác động mạnh

mẽ bởi tải trọng ngang tác dụng lên nhà cao tầng (Tải trọng gió tĩnh + động, tải trọng động đất). Là yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng, nó quyết định nội

lực và chuyển vị của cơng trình. Nếu chuyển vị ngang trong cơng trình lớn sẽ làm tăng giá trị các nội lực do độ lệch tâm tăng theo, có thể làm hư các bộ phận phi kết cấu (tường), làm tăng dao động ngôi nhà, làm cho con người cảm giác khó chịu và hoảng sợ, có thể làm mất ổn định tổng thể nhà. Chuyển vị ngang nhà không vượt qua giới hạn cho phép. Kết cấu nhà cao tầng phải có khả năng kháng chấn cao (Chống động đất): Tải trọng động đất là yếu tố chính trong thiết kế kết cấu: Không hư hại khi động đất nhẹ, hư hại các bộ phận không quan trọng khi động đất vừa, có thể hư hại nhưng khơng sụp đổ khi động đất mạnh.

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Kết cấu chịu lực phương đứng và phương ngang phải chọn và bố trí sao cho hợp lý

(Khung, vách, lõi cứng …). Cần có độ dẻo cao (Kết cấu xuất hiện biến dạng dẻo) và có

khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng khi động đất xảy ra, kết cấu có thể duy trì sức chịu tải mà khơng bị sụp đổ.

Giảm trọng lượng bản thân có ý nghĩa quan trọng hơn đối với nhà thấp tầng. Giảm tải trọng truyền xuống móng, giảm lực động đất, giảm giá thành đồng thời tăng độ an toàn và thời gian sử dụng.

Có khả năng chịu lửa cao, thốt hiểm an tồn. Có độ bền, tuổi thọ cao. Móng phải phù hợp.

1.4.1. Hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng

Về sơ đồ làm việc và cấu tạo, phân làm các loại sau: Hệ kết cấu cơ bản, hệ kết cấu hỗn hợp và hệ kết cấu đặc biệt.

Trong nhà cao tầng, hệ kết cấu chịu lực được thiết kế để chịu đựng và truyền tải tải trọng của toàn bộ tòa nhà từ các tầng trên xuống tầng dưới và đến nền đất. Các hệ kết cấu chịu lực phổ biến bao gồm:

- Khung Chống Động Đất: Sử dụng khung chống động đất, thường là khung thép cường độ cao, để giảm thiểu tác động của động đất lên tòa nhà.

- Cột và Dầm: Hệ thống cột và dầm cung cấp cấu trúc chính để chịu tải trọng từ trên xuống và phân phối chúng đều đặn ra tồn bộ tịa nhà.

- Nền Đất và Đài Nền: Tính toán và xây dựng nền đất vững chắc để chịu lực từ cả tòa nhà và giữ cho tòa nhà ổn định.

-Vật liệu Cường độ Cao: Sử dụng vật liệu như bê tông cường độ cao hoặc thép chịu lực để đảm bảo kết cấu mạnh mẽ và ổn định.

- Hệ Thống Góc Cao Su và Bạc Đạn: Sử dụng các phụ kiện như hệ thống góc cao su và bạc đạn để giảm thiểu dao động và chấn động.

- Vật Liệu Siêu Nhẹ: Cân nhắc sử dụng vật liệu nhẹ như thép cường độ cao để giảm trọng lượng tổng của tòa nhà.

Một hệ kết cấu chịu lực hiệu quả đảm bảo sự an tồn và ổn định của tịa nhà, đặc biệt là trong các điều kiện môi trường đặc biệt như động đất hay gió mạnh. Thiết kế này

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

thường đòi hỏi sự hợp tác giữa kiến trúc sư và kỹ sư kết cấu để đảm bảo tính tồn vẹn và hiệu suất của tòa nhà.

Hệ kết cấu cơ bản gồm: Kết cấu khung, kết cấu tường (vách) chịu lực, kết cấu lõi và kết cấu ống.

Hệ kết cấu hỗn hợp là có sự kết hợp các dạng kết cấu cơ bản lại để cùng chịu tải, bao gồm: kết cấu khung – giằng, kết cấu khung – vách, kết cấu ống – lõi, kết cấu ống tổ hợp. Hệ kết cấu đặc biệt gồm: Kết cấu có dầm truyền, kết cấu có các tầng cứng, kết cấu có giằng liên tầng, kết cấu có hệ khung ghép v.v…

(Nguồn:Lê Thanh Huấn (2007), Kết cấu Nhà cao tầng BTCT).

Hình 1.1. Sơ đồ tổ hợp các hệ chịu lực nhà cao tầng

Dựa vào tính chất chịu lực và cách cấu tạo của các hệ kết cấu khung nhà cao tầng, người ta phân biệt theo hai hệ chủ yếu: Hệ kết cấu khung cứng và hệ khung giằng.

1.4.2. Hệ kết cấu khung cứng

Hệ kết cấu khung cứng gồm cột và dầm được liên kết cứng với nhau tạo thành khung phẳng hoặc khung khơng gian: nó tiếp thu tải trọng ngang và tải trọng đứng tác động vào nhà.

Hệ khung chịu lực thuần tuý là hệ mà theo phương ngang có độ uốn thấp nên bị hạn chế sử dụng trong nhà có chiều cao từ 40m trở lên. Nhà cao tầng ln có những bộ phận như hộp thang máy, thang bộ, tường ngăn hoặc bao che liên tục trên chiều cao nhà có thể sử dụng như lõi, vách cứng nên hệ kết cấu khung chịu lực thần túy trên thực tế không tồn tại.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

(Nguồn: Giáo trình kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép, Huỳnh Quốc Hùng, 2012)

Hình 1.2. Sơ đồ hệ khung

Khi có tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịu kéo, nén. Chuyển vị của khung gồm 2 thành phần chuyển vị ngang do uốn khung như chuyển vị ngang của thanh console thẳng đứng, tỷ lệ này khoảng 20%. Chuyển vị ngang do biến

dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do dầm biến dạng khoảng 65%; do cột biến dạng khoảng 15%).

Khung có độ cứng ngang bé, khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng khoảng 6-9 m, chỉ nên áp dụng cho nhà dưới 30 tầng. Về tổng thể, biến dạng ngang của khung cứng thuộc loại biến dạng cắt.

Để tăng độ cứng ngang của khung, có thể bố trí thêm các thanh xiên tại một số nhịp trên suốt chiều cao của nó, phần kết cấu dạng dàn được tạo thành sẽ làm việc như một

vách cứng thẳng đứng. Nếu thiết kế thêm các dàn ngang (Tầng cứng-OUTRIGGER) ở

tầng trên cùng hoặc ở một số tầng trung gian liên kết khung còn lại với dàn đứng thì hiệu quả tăng độ cứng sẽ tăng lên và làm giảm thiểu chuyển vị ngang. Dưới tác động của tải trọng ngang, kết cấu dàn ngang sẽ đóng vai trị phân phối lực dọc giữa các cột khung, cản trở chuyển vị xoay của cả hệ và giảm mômen uốn ở dưới khung.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

(Nguồn: Giáo trình kết cấu nhà cao tầng, Phạm Phú Anh Huy, 2010)

Hình 1.3. Sơ đồ chịu lực hệ kết cấu khung

Mặc dù vậy, theo Nguyễn Hồng Hải (2015) thì kết cấu khung cũng có hạn chế khi sử dụng cho các cơng trình cần khơng gian rộng như văn phịng hay trung tâm thương mại, do tương đối nhiều cột. Hệ kết cấu này thích hợp cho cơng trình dưới 25 tầng, với cơng trình cao hơn hệ kết cấu khung tỏ ra không kinh tế.

Hệ kết cấu khung sử dụng hiệu quả cho cơng trình có khơng gian lớn, bố trí nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại cơng trình. Tuy nhiên hệ khung có khả năng chịu cắt theo phương ngang kém. Ngoài ra hệ thống dầm thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến không gian sử dụng và làm tăng độ cao của cơng trình.

Chiều cao nhà thích hợp cho kết cấu bê tông cốt thép là không quá 30 tầng. Nếu trong vùng có động đất từ cấp 8 trở lên thì chiều cao khung phải giảm xuống. Chiều cao tối đa của ngôi nhà còn phụ thuộc vào số bước cột, độ lớn các bước cột, tỷ lệ chiều cao và chiều rộng nhà.

Theo Nguyễn Phú Cường (2020), Tạp chí xây dựng Việt Nam, Phân tích ảnh hưởng của tầng cứng lên giao động nhà cao tầng bằng phần mên Etabs thì tầng cứng tạo ra nhiều ảnh hưởng tích cực lên giá trị chuyển vị cơng trình và chu kỳ giao động. Vị trí là việc

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

thích hợp của tầng cứng trong một cơng trình nhà cao tầng nằm vào khoảng 0.3-0.6H ( H là chiều cao tổng thể của cơng trình)

1.4.3. Hệ tường cứng chịu lực

Hệ kết cấu tường cứng chịu lực làm việc như thanh console ngàm vào móng, được bố trí liên tục suốt chiều cao nhà.

Là một tấm tường phẳng vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng, vừa là hệ thống chịu tải trọng ngang và là tường ngăn giữa các phòng. Căn cứ vào cách bố trí các tấm tường chịu tải trọng thẳng đứng chia làm 3 sơ đồ: Tường dọc chịu lực, tường ngang chịu lực, tường dọc và tường ngang cùng chịu lực.

Nếu hệ tường cứng chỉ là một tấm tường bêtông cốt thép, tiết diện ngang hình chữ

nhật thì gọi là tường cứng phẳng (vách cứng).

(Nguồn: Giáo trình kết cấu nhà cao tầng, Phạm Phú Anh Huy, 2010)

Hình 1.4. Hình dạng vách cứng (Tường chịu lực)

1.4.4. Kết cấu khung - vách

Hệ kết cấu khung – vách là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và khung cùng chịu tải trọng ngang. Hệ kết cấu này có ưu điểm so với kết cấu khung bởi tương tác giữa

hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng

độ cứng của hệ. Loại kết cấu này thích hợp với cơng trình khoảng từ 10 đến 50 tầng và có thể cao hơn. Nếu sử dụng dầm mở rộng nách, hệ kết cấu này có thể áp dụng cho cơng trình đạt tới 70 hoặc 80 tầng. Tuy nhiên, việc lựa chọn hệ kết cấu này cho cơng trình cao

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

hơn 50 tầng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề như khoảng cách giữa các cột gần nhau, dầm có chiều cao lớn, tường có nhiều lỗ mở, dẫn đến làm việc giống khung, sự làm việc tương tác khung-vách sẽ bị hạn chế.

(Nguồn: Nguyễn Hồng Hải, 2015)

Hình 1.5. Mơ hình chịu lực cảu kết cấu khung – vách

1.4.5. Hệ khung giằng

Hệ khung giằng là một kết cấu hỗn hợp bao gồm hệ khung và kết cấu hệ tấm thẳng

đứng (vách, lõi) được liên lết với nhau bởi các hệ thống nằm ngang (sàn cứng): Đặc

điểm của hệ này là hệ khung chỉ chịu tải trọng đứng hoặc chỉ chịu một phần nhỏ tải trọng

ngang. Vách cứng (lõi) chịu toàn bộ tải trọng ngang.

Đối với nhà cao tầng nội lực trong kết cấu sinh ra chủ yếu do tải trọng ngang, nên

các tấm cứng (vách, lõi) có vai trị qut định bảo đảm sự ổn định tổng thể, độ nghiêng,

độ uốn của tồn bộ ngơi nhà.

Các kết cấu chịu lực phải bố trí sao cho tâm cứng gần trùng với trọng tâm của nhà để giảm moment xoắn do tải tải trọng gió gây ra.

1.4.6. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang

Nguyên tắt bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang thường bao gồm việc đảm bảo sự cân bằng giữa lực nén và lực căn, tối ưu hóa hệ thống chống đẩy và chống kéo cũng như đảm

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

bảo tính ổn định của kết cấu dưới tác dụng của lực ngan. Điều này thường đòi hỏi phân phối vững chắc vật liệu, kết cấu và các nguyên tắt thiết kế kỷ thuật để giảm nguy cơ biến dạng.

1.5. Nhận xét chương

Như vậy có rất nhiều cách lựa chọn hệ kết cấu chịu lực trong nhà cao tầng bê tông cốt thép. Việc lựa chọn hệ kết cấu như thế nào cho phù hợp tùy thuộc vào năng lực người thiết kế. Trong nghiên cứu này chỉ tập trung quan tâm đến hệ kết cấu có tầng cứng chịu tải trọng ngang.

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ KẾT CẤU CÓ TẦNG CỨNG

2.1 Giới thiệu về hệ outrigger trong nhà cao tầng bê tông cốt thép

Hệ thống Outrigger được sử dụng rộng rãi để cung cấp khả năng chịu tải bên hữu hiệu trong các cơng trình hiện đại có độ mảnh cao. Outrigger là những cấu trúc nằm ngang cứng nhắc kết nối lõi hoặc cột sống của một tòa nhà với các cột ở xa. Chúng cải thiện độ cứng chống lật bằng cách phát triển một cặp lực căng trong các cột chu vi khi lõi trung tâm cố gắng nghiêng, tạo ra điểm phục hồi trên lõi ở mức outrigger. Hoạt động của hệ thống Outrigger về nguyên tắc là đơn giản, nhưng việc phân tích, thiết kế, chi tiết hóa và xây dựng một hệ thống lõi và hệ thống bên ngoài hoàn chỉnh là rất phức tạp trong thực tế: không xác định được, sự phân bố lực giữa lõi và hệ thống bên ngoài phụ thuộc vào độ cứng tương đối của các phần tử , sự biến dạng giữa các yếu tố và các yếu tố khác. Nhóm cơng tác của Hội đồng về nhà cao tầng và môi trường sống đô thị đã phát triển một hướng dẫn thiết kế trình bày lịch sử bên ngồi, các cân nhắc thiết kế, các khuyến nghị và các ví dụ tạm thời và các khuyến nghị.

2.1.1. Lợi ích của hệ outrigger

Một lợi ích quan trọng của hệ outrigger là giảm gia tốc tòa nhà ở các tầng trên bằng cách giảm chuyển vị thông qua giảm mô men lật. Đối với các hệ thống có giàn đai giằng với tất cả các cột theo chu vi, các cột đã có kích thước cho tải trọng bản thân vẫn có thể có khả năng chống lại lực do hệ outrigger truyền đến. Đồng thời, giảm lật ngược lõi làm giảm lực cắt và uốn trong nền móng bên dưới lõi. Lực lật được trải rộng trên toàn bộ chiều rộng chân tháp. Hệ outrigger và hệ dàn giằng đai biên có thể giúp giảm sự co ngắn chênh lệch theo chiều dọc giữa các cột hoặc giữa cột và lõi. Hệ thanh giằng vành đai cũng có thể làm cho các cột chu vi hoạt động như các sợi của ống chu vi, tuy rằng nó ít cứng hơn so với hệ kết cấu có khung liên tục nhưng đóng góp vào độ cứng chống xoắn là đáng kể. Khi xem xét sự mất đột ngột của thành viên cục bộ hoặc khả năng kết nối, các hệ thống outrigger có thể cung cấp các đường dẫn tải thay thế để hỗ trợ khả năng chống sập không tương xứng (có lợi). Các tịa nhà siêu cao với hệ outrigger có thể có

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

một vài cột lớn bên ngoài trên mỗi mặt, điều này mở ra hệ thống mặt tiền để thể hiện thẩm mỹ và kiến trúc linh hoạt so với hệ thống hình ống khép kín.

2.1.2. Tầm quan trọng và những thách thức khi thiết kế hệ outrigger

Việc kết hợp hệ thống outrigger trong thiết kế một tòa nhà cao tầng đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật và phối hợp với các thành viên khác của nhóm thiết kế bị ảnh hưởng bởi các yêu cầu về khung của nó. Hệ thống Outrigger bao gồm các phần tử nằm trong mặt phẳng thẳng đứng (tường, đường chéo giàn) có thể gây cản trở khơng gian ở hoặc cho th. Bố trí outrigger trên các tầng kỹ thuật vận hành tòa nhà đòi hỏi sự phối hợp cẩn thận với bố cục phòng máy, yêu cầu tiếp cận và tuyến đường dịch vụ để tránh xung đột tiềm ẩn.

Các sàn cứng tương tác với hệ thống outrigger. Trong một hệ thống outrigger trực tiếp hoặc thông thường, các mơ hình có đặc tính màng ngăn khơng chính xác hoặc không thực tế sẽ báo cáo các giá trị lực khơng chính xác trong các hợp âm outrigger hỗ trợ các tấm, cũng như các biến dạng của tịa nhà khơng chính xác. Mơ hình hóa độ cứng đường kính đặc biệt quan trọng đối với hệ thống giàn đai / giàn ngoài ‘ảo’ gián tiếp, vì các màng ngăn là yếu tố quan trọng trong các đường dẫn tải làm cho hệ thống hoạt động.

Các thiết kế hệ thống outrigger thông thường hoặc được đóng khung trực tiếp phải giải quyết được khả năng phân bố lại tải giữa các cột và lõi do các biến dạng trục vi sai. Không giống như các hệ thống hoàn toàn bằng thép, các tịa nhà bê tơng trải qua các biến dạng thẳng đứng lâu dài do biến dạng co ngót và rão tích lũy ngồi hiện tượng rút ngắn đàn hồi. Độ lớn và thời gian của các biến dạng đó sẽ khác nhau giữa các cấu kiện như ứng suất, hỗn hợp bê tơng, tỷ lệ thể tích trên bề mặt và tỷ lệ cốt thép khác nhau. Điều này làm cho việc dự đoán các chuyển động vi sai trở thành một thách thức liên quan đến thời gian và trình tự. Sự chuyển đổi lực cũng có thể xảy ra thơng qua các đường truyền thông thường hoặc trực tiếp khi cột và lõi trải qua các điều kiện nhiệt độ chênh lệch, như từ chu vi cột tiếp xúc với thời tiết.

Các hệ outrigger nằm ở một vài điểm dọc theo chiều cao của tịa nhà có xu hướng tạo ra các lực lớn để giúp chống lại các mômen lật ngược lõi. Thách thức gia tăng đối với các hệ thống hỗn hợp như giàn thép ngoài trời giữa các cột bê tông lớn và tường lõi

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

bê tông, và tại các hệ thống hỗn hợp với các thành phần thép được nhúng bên trong hoặc bao quanh bê tông.

Nhiều thành viên đặc biệt và các kết nối nặng nề của các hệ outrigger và giàn đai và những thay đổi từ khung sàn điển hình ở các mức ngồi có thể làm chậm đáng kể q trình lắp dựng. Việc trì hỗn các kết nối outrigger để cho phép rút ngắn vi sai ban đầu sẽ làm giảm lực truyền tải trọng lực, nhưng đối với một số dự án, các outrigger phải hoạt động đối với gió lớn tiềm ẩn trong thời gian xây dựng, cũng như để kiểm soát độ lệch đối với hoạt động một phần của các tòa nhà vẫn đang xây dựng, một tập quán phổ biến ở một số nơi trên thế giới.

Tiêu chuẩn ASCE7-05 được tham chiếu trong các quy tắc xây dựng kiểu mẫu như một tiêu chuẩn quốc tế bao gồm 82 hệ thống và tổ hợp kết cấu địa chấn nhưng không có nhắc đến hệ outrigger. Sự thiếu sót này khơng có gì đáng ngạc nhiên vì khơng có phương pháp thiết kế tiêu chuẩn duy nhất nào phù hợp cho tất cả các tình huống outrigger. Các hệ outrigger và giàn giằng đai là các phần tử cứng và mạnh tại các vị trí rời rạc trong một cấu trúc. Điều này có thể khơng phù hợp với các phương pháp thiết kế địa chấn dựa trên độ cứng và độ bền phân bố. Các tác nhân mạnh cũng có thể áp dụng các lực đủ lớn để tải các phần tử khác đến điểm hư hỏng và ứng xử không dẻo.

Các điều khoản về địa chấn của các tầng mềm trong các mã xây dựng mô hình thường xem xét sự thay đổi về độ cứng từ tầng một đến tầng trên cùng. Trong một hệ thống outrigger, các tầng cứng thể hiện độ lệch tầng nhỏ hơn từ lực cắt ngược trong lõi. Do đó, những tầng bên ngồi có thể được coi là ‘câu chuyện khó hiểu’ vốn có và những câu chuyện ngay bên dưới một bên ngồi ln là ‘tầng nhẹ nhàng’. Trong hệ thống lõi và cột ngoài, việc cung cấp chùm tia yếu cho cột mạnh dường như khơng cần thiết hoặc thích hợp ở các cột chu vi vì các bức tường lõi trung tâm hoặc các vịnh có giằng lõi đã cung cấp một cột sống vững chắc. Triết lý chùm tia yếu của cột mạnh có thể được áp dụng riêng cho sự tương tác của các tác nhân bên ngồi và cốt lõi thơng qua thiết kế dựa trên công suất hạn chế lực tác động bên ngoài hoặc thiết kế dựa trên hiệu suất đánh giá các lực từ kích thích địa chấn thực tế.

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

2.1.3. Sự bất lợi của hệ thống outrigger

Các hệ thống kết cấu được điều chỉnh bởi các biến dạng cắt tầng, chẳng hạn như khung moment, sẽ khơng đủ lợi ích từ những hệ outrigger để biện minh cho chi phí của chúng. Hệ thống Outrigger tương tác với các lõi dựa trên độ cứng tương đối. Nếu một lõi đã tương đối cứng hoặc tỷ lệ khung hình (chiều cao tịa nhà / chiều rộng lõi) thấp, thì việc cố gắng cung cấp thêm độ cứng thông qua các hệ outrigger có thể là khơng thực tế hoặc không hiệu quả.

Một hệ thống không đối xứng có thể có các cặp lực vượt trội liên quan đến các lực dọc trục trong lõi, làm phức tạp việc phân tích và thiết kế lõi. Việc truyền lực bản thân trong một hệ thống không đối xứng có thể dẫn đến moment lật cho tịa nhà, dẫn đến các vị trí bên dưới tác dụng của trọng lực. Tuy nhiên, điều này khơng có nghĩa là không thể sử dụng các hệ thống không đối xứng.

Nếu việc kiểm soát lực xoắn và biến dạng có tầm quan trọng hàng đầu, thì hệ thống ống (khung) hoặc giàn đai sẽ hiệu quả hơn hệ thống outrigger và hệ đai biên.

Các giới hạn về kích thước cột outrigger có thể làm cho hệ thống outrigger không hiệu quả, đặc biệt nếu các outrigger bị giới hạn ở các vị trí cao trong một tịa nhà vì kích thước cột lớn hơn sẽ cần thiết để tăng độ cứng để bù đắp hiệu ứng làm mềm của khoảng cách dài đến outrigger.

2.1.4. Nguyên lý làm việc của hệ một tầng cứng và hai tầng cứng (outrigger)

Tầng cứng trong nhà cao tầng thông thường được thiết kế như một hệ dầm ngang,

rất cứng (thường gọi là dầm cứng) hay tầng cứng kết nối lõi với các tường và cột ở phía

ngồi. Theo đó, lõi thường được bố trí ở giữa các cột và dầm cứng phát triển ra các hướng để liên kết lõi và cột.

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

(Nguồn: Tầng cứng trong nhà cao tầng, Nguyễn Hồng Hải, 2015)

Hình 2.1. Hệ kết cấu được bố trí tầng cứng

Khi có tải trọng ngang tác dụng vào cơng 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 ngồi thơng qua cánh đòn của tầng cứng. Những dầm cứng này được phát triển ra dàn đai biên (belt truss) cho phép các cột biên tham gia vào chịu moment lật. Do đó, khi tải trọng ngang tác động lên cơng trình, tầng cứng, các cột biên kết hợp cùng với đai biên ngăn cản góc xoay và làm giảm chuyển vị theo phương ngang của kết cấu. Hệ tầng cứng trong nhà cao tầng làm tăng độ cứng của cơng trình so với hệ kết cấu khơng dùng tầng cứng. Tầng cứng đóng vai trị quan trọng trong việc kết nối lõi và các cột ngoài cùng chịu lực. Hệ thống này cịn có tác dụng hạn chế sự khác nhau về việc co ngắn lại giữa cột ngồi và lõi do tác động mơi trường và lực dọc gây ra.

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Dựa trên một nguyên lý vật lý đơn giản để chuyển hóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tải trọng ngang. Thơng qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị trí hợp lý theo chiều cao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của cơng trình. Hơn nữa, hệ kết cấu tầng cứng cịn có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc gây ra. Hiện nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều. Theo Nguyễn Hồng Hải (2015) có 73% kết cấu nhà cao tầng sử dụng hệ kết cấu lõi cứng – tầng cứng, trong đó 50% là kết cấu bê tông cốt thép. Với ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi – tầng cứng có thể cao tới 150 tầng.

(Nguồn: Nguyễn Hồng Hải, 2015)

Hình 2.2. Hệ hai tầng cứng

Một cấu trúc có hai tầng cứng sẽ được sử dụng để giải thích cho phương pháp phân tích vì nó bao gồm tất cả các bước cần thiết trong hình thức đơn giản nhất của chúng. Các phân tích kết cấu với nhiều hơn hoặc ít hơn hai tầng cứng sau đó có thể dễ dàng được thực hiện trên cơ sở của phương pháp cho trường hợp của hai tầng cứng. Bắt đầu từ lõi tự do tĩnh định, kết cấu một tầng cứng là cấu trúc một bậc siêu tĩnh, hai tầng cứng là cấu trúc hai bậc siêu tĩnh…và theo đó số lượng phương trình tương thích cần thiết cho một lời giải tương ứng với bậc siêu tĩnh. Các phương trình tương thích về trạng thái của từng mức tầng cứng là các chuyển vị xoay của lõi và của tầng cứng này phải bằng nhau.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Chuyển vị xoay của lõi được thể hiện ở độ cong của nó, và của tầng cứng là biên dạng dọc trục của các cột và uốn của tầng cứng này.

(Nguồn: Nguyễn Hồng Hải, 2015)

. Hình 2.3. Mơ hình phân tích cấu trúc 2 tầng cứng

Theo Trương Quang Hải (2012) từ phương pháp nhân biểu đồ, các chuyển vị xoay của lõi ở các mức 1 và 2 là:

Trong đó: EI và H là độ cứng chống uốn và tổng chiều cao của lõi. w là cường độ tải trọng ngang.

x1, x2 là độ cao tương ứng của các tầng cứng 1 và 2 tính từ đỉnh của lõi. M1 và M2 là những moment ngàm của các tầng cứng trên lõi.

Biểu thức cho chuyển vị xoay của các tầng cứng tại các điểm chúng được kết nối với

các lõi (ở các đầu cuối vùng phía trong) được xác định như sau.

Tầng cứng ở mức 1 là:

(2.3)

Và cho tầng cứng ở mức 2 là:

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

(2.4)

Trong đó: (EA)c là độ cứng dọc trục của cột.

d/2 là khoảng cách ngang từ cột dến trọng tâm của lõi.

(EI)0 là độ cứng uốn hiệu quả của tầng cứng, cho phép các hiệu ứng cột rộng của lõi và được xác định qua độ cứng uốn của tầng cứng như sau.

(EI)0 = (1+a/b) (EI’)0

Các chuyển vị xoay của lõi và tầng cứng ở mức 1 bằng nhau là:

Các phương trình (1.7) và (1.8) có thể viết lại thông qua hai đại lượng không thứ nguyên 𝛼, 𝛽 đại diện cho độ cứng của lõi-cột và lõi-tầng cứng tương ứng như sau:

Kết hợp 𝛼 và 𝛽 vào một tham số 𝜔 duy nhất, và được định nghĩa như sau:

(2.9) Đặt x1 = 𝜉1H, x2 = 𝜉2H thì phương trình (1.7), (1.8) được viết lại như sau:

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Chuyển vị ngang của cấu trúc có thể được xác định từ biểu đồ moment uốn bằng cách sử dụng phương pháp nhân biểu đồ, kết quả nhận được như sau:

(2.13)

2.2. Xác định tải trọng gió theo một số tiêu chuẩn 2.2.1. Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ ASCE/SEI 7-16

- Kz là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao cũng như theo mức độ luồng gió tiếp xúc với địa hình. Để xác định hệ số này, ASCE 7-16 chia các dạng địa hình xây dựng ra làm 3 loại B, C, D (Bảng 2.2). Có thể tra hệ số Kz theo mục 26.10.1 phụ thuộc vào chiều cao z và dạng địa hình.

- Kzt là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió khi gió vượt lên hoặc va đập vào các dạng địa hình khác nhau, ví dụ như sườn đồi, chóp núi hay vách dốc đứng. Kzt được tính tốn cụ thể trong mục 26.8.2. Trong điều kiện địa hình thông thường, Kzt =1.

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

- Kd là hệ số kể đến tác động của luồng gió theo hướng chính lên cơng trình. Kd được trình bày cụ thể trong bảng 26.6 . Khi tính tốn hệ khung chịu lực chính, Kd = 0.85. - Ke là hệ số độ cao mặt đất, lấy theo mục 26.9

- V là vận tốc gió (m/s) trong điều kiện tiêu chuẩn luồng gió thổi trong thời gian 3s tại cao độ 10m so với mặt đất tự nhiên, xét ở dạng địa hình C (tương đương dạng địa hình B theo TCVN). Giá trị V được trình bày trong bảng 26.5 trong tiêu chuẩn.

- q = qz - áp lực lên mặt đón gió tính tại độ cao z so với mặt đất; q = qh – áp lực lên mặt khuất gió tính tại độ cao h.

- qi = qh - áp lực gió bên trong.

- Cp - hệ số áp lực bên ngồi, lấy theo hình 27.3-1, 27.3-2 và 27.3-3.

- (GCpi) - Hệ số áp lực bên trong phụ thuộc chủ yếu vào mức độ kín hở của cơng trình. ASCE đã chia các cơng trình xây dựng ra làm 3 loại: nhà kín, nhà kín một phần và nhà hở thông qua tỷ số giữa diện tích các ơ mở với diện tích của tồn bộ các bề mặt bao che, lấy theo bảng 26.13.1.

- G là hệ số gió giật, xác định như sau:

- f1 - tần số dao động thứ nhất của kết cấu.

- Iz, gQ, Q, gR, R, gv – được tính như trong mục 26.9.4 và 26.9.5 [16].

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

2.2.2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1991-1.4 (2005) 2.2.2.1. Vận tốc gió cở sở Vb

Giá trị vận tốc gió cơ sở trong tiêu chuẩn Châu Âu EN được xác định thông qua giá trị vận tốc độ gió tiêu chuẩn tham chiếu Vb,0, là giá trị vận tốc gió đo được trung bình trong 10 phút khơng phân biệt hướng gió và thời gian của năm với xác suất vượt một lần trong 50 năm ở độ cao 10m kể từ mặt đất ở khu vực có dạng địa hình II tương ứng với địa hình B của TCVN (EN chia ra 5 dạng địa hình từ 0 đến IV). Giá trị vận tốc gió cơ sở được xác định theo công thức :

- Vb là giá trị vận tốc gió cơ sở được định nghĩa là đại lượng phụ thuộc vào hướng gió và thời điểm trong năm.

- Cdir là hệ số kể đến ảnh hưởng của hướng, có thể tìm thấy trong các phụ lục quốc gia, trong trường hợp khơng có lấy giá trị bằng 1.

- Cseason là hệ số kể đến yếu tố theo mùa, có thể tìm thấy trong các phụ lục quốc gia, trong trường hợp không có lấy giá trị bằng 1.

Vận tốc gió hiệu dụng theo độ cao

Vận tốc gió hiệu dụng Vm(z) ở độ cao z trên một địa hình phụ thuộc vào độ nhám (gồ ghề) địa hình và vận tốc gió cơ bản (Vb) được xác định theo:

- z0 là chiều dài nhám, lấy theo Bảng 4.1

- kr là hệ tố địa hình phụ thuộc vào chiều dài nhám z0

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

- zmin là chiều cao tối thiểu lấy theo Bảng 4.1 [29] - zmax = 200m

- C0(z) - hệ số orography (kể đến địa hình đồi núi, vách đá,…) lấy bằng 1, ngoại trừ trường hợp có các ghi chú khác.

2.2.2.2. Áp lực gió theo độ cao qp(z)

Được xác định theo công thức sau:

2.3.2.3 Áp lực gió lên bề mặt cơng trình

Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên ngồi cơng trình We, được xác định theo

( ).

Trong đó:

qp(ze) - là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên ngoài;

Cpe - hệ số áp lực gió cho các mặt bên ngoài, chỉ dẫn trong chương 7;

ze - chiều cao tham chiếu cho áp lực bên ngoài, phụ thuộc vào hình dạng và kích thước cơng trình.

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

Áp lực gió tác dụng vào bề mặt bên trong cơng trình Wi, được xác định theo

qp(zi) là giá trị áp lực vận tốc đỉnh bên trong.

Cpi là hệ số áp lực gió cho các mặt bên trong, chỉ dẫn trong chương 7.

- CsCd là hệ số kể đến tác dụng động (kể đến tương quan không gian (Cs) và ảnh hưởng của rung động kết cấu do gió (Cd)), có thể xác định nhanh giá trị CsCd theo mục 6.2 [2] hoặc tra đồ thị phụ lục D.

- Cf là hệ số áp lực cho toàn bộ kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu, giá trị cho các dạng cơng trình xem chương 7,8.

- Aref là diện tích tham chiếu của kết cấu hoặc các bộ phận kết cấu.

* Tải trọng gió Fw, tác động lên kết cấu hoặc bộ phận của kết cấu cịn có thể được xác định bằng cách tổng hợp các lực thành phần Fw,e, Fw,i và Ffr tính từ áp lực bên ngồi, bên trong và các lực ma sát do ma sát của dịng gió thổi song song với các bề mặt bên ngoài:

+ Lực bên ngoài: Fw e, =C Csd



W Aeref (2.31) + Lực bên trong: Fw e, =C Csd



W Airef (2.32) + Lực ma sát:

F

fr

=C q z A

frp

( )

efr (2.33) Trong đó:

We - áp lực bên ngoài lên bề mặt kết cấu ở độ cao ze

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Wi - áp lực bên trong lên bề mặt kết cấu ở độ cao zi

Cfr - hệ số ma sát, quy định trong mục 7.5

Afr - diện tích bề mặt ngồi song song với hướng gió.

2.2.3. Xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995

Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 2737:1995 được biên soạn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn Nga SNiP 2.01.07-85. Trong quá trình biên soạn, một số nội dung trong tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 đã được hiệu chỉnh khác với SNiP 2.01.07-85*. Một trong những thay đổi đó là chuyển vận tốc gió cơ sở V0, từ lấy trung bình trong 10 phút, chu kỳ lặp 5 năm trong tiêu chuẩn SNiP 2.01.07-85* thành lấy trung bình trong 3 giây, chu kỳ lặp 20 năm. Việc giảm thời gian lấy trung bình vận tốc gió và tăng chu kỳ lặp làm cho vận tốc gió tăng lên đáng kể so với tiêu chuẩn Nga. Để thay đổi được những nội dung như đã nêu ở trên thì trong tiêu chuẩn TCVN đã sử dụng một số quy định liên quan đến tính tốn tải trọng gió trong tiêu chuẩn tải trọng và tác động của Úc AS 1170.2-2011. Tiêu chuẩn TCVN phân chia địa hình thành 03 dạng ký hiệu là A, B và C (Bảng 2.2). Dạng địa hình chuẩn được quy ước là dạng địa hình B.

Theo đặc trưng động lực học và sự nhạy cảm của tác động gió đối với cơng trình, tải trọng gió gồm thành phần tĩnh (Wj) và thành phần động (Wpj).

Thành phần động của tải trọng gió khơng bắt buộc phải tính đến khi xác định áp lực mặt trong cũng như khi tính tốn nhà nhiều tầng cao dưới 40 m và nhà công nghiệp một tầng cao dưới 36 m với tỉ số độ cao trên nhịp nhỏ hơn 1.5, xây dựng ở các địa hình dạng

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

Giá trị tính tốn của áp lực gió tĩnh tác dụng vào điểm j (cao độ z) được xác định

Đối với cơng trình và các bộ phận kết cấu có tần số dao động cơ bản

f

1

(H )

z

f

L

(H )

z (trong đó

f

L phụ thuộc vào vùng áp lực gió và vật liệu, xem bảng 2 của TCXD 229:1999), thành phần áp lực gió động được xác định theo:

- Wjtc: được tính theo cơng thức (2.34)



j: hệ số áp lực động, phụ thuộc vào dạng địa hình và độ cao zj. - : hệ số tương quan không gian, tra bảng với  = B và  = H.

Đối với các nhà có mặt bằng đối xứng, có f1 < fL , thì ảnh hưởng của dạng dao động thứ nhất đến giá trị thành phần gió động là chủ yếu. Khi đó có thể xác định giá trị tiêu chuẩn áp lực thành phần gió động theo cơng thức:

- Mj: khối lượng tầng j, bằng tổng khối lượng các nút trong tầng. -