Chuyen de Thep Nha Cao Tang

CHUYÊN ĐỀ

KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG

(CÔNG TRÌNH SHANGHAI SUPER TOWER)

Sinh viên thực hiện:

1. LÊ HOÀNG SƠN MSSV: TK07415

2. VÕ MINH DUY MSSV: TK07266

3. BÙI BÍCH NGỌC MSSV: TK07367

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN....................................................................................................4

1.1. Lý do chọn đề tài...............................................................................................................4

1.2. Giới hạn đề tài...................................................................................................................4

1.3. Tóm tắt đề tài....................................................................................................................4

CHƯƠNG 2. KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG..............................................................6

2.1. Hệ chịu lực chính..............................................................................................................6

2.1.1. Hệ kết cấu khung giằng có liên kết cứng...................................................................7

2.1.2. Hệ kết cấu khung dàn mắt cáo chịu lực cắt.............................................................10

2.1.3. Hệ kết cấu nửa lõi....................................................................................................11

2.1.4. Hệ kết cấu lõi, vách................................................................................................14

2.1.5. Hệ kết cấu hỗn hợp..................................................................................................20

2.2. Nguyên lý tính toán.........................................................................................................23

2.2.1. Hệ kết cấu khung giằng...........................................................................................23

2.2.2. Hệ kết cấu khung cứng............................................................................................24

2.2.3. Hệ kết cấu có sử dụng lõi-vách bê tông cốt thép.....................................................25

2.2.4. Hệ kết cấu dạng treo................................................................................................26

2.3. Liên kết...........................................................................................................................27

2.3.1. Cột và cột.................................................................................................................28

2.3.2. Cột và dầm...............................................................................................................28

2.3.3. Dầm và dầm.............................................................................................................30

2.3.4. Cột và móng.............................................................................................................30

2.3.5. Dầm và vách-lõi.......................................................................................................31

2.3.6. Liên kết giằng..........................................................................................................33

2.4. Chống cháy cho kết cấu..................................................................................................34

2.4.1. Sơn phụt và các tấm bảng bảo vệ............................................................................34

2.4.2. Lớp phủ ngoài trương nở.........................................................................................35

2.4.3. Bao bọc một phần bởi bê tông.................................................................................37

2.4.4. Bao bọc toàn phần bởi bê tông trong tiết diện ống..................................................37

2.4.5. Bao bọc toàn phần bởi nước trong tiết diện ống......................................................38

2.4.6. Thiết kế chống lửa...................................................................................................38

Chuyên đề : Kết cấu thép nhà cao tầng Trang 2

CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH SHANGHAI SUPER TOWER...................39

3.1. Giới thiệu........................................................................................................................39

3.2. Kiến trúc..........................................................................................................................39

3.3. Kết cấu-thi công..............................................................................................................42

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN......................................................................................................46

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành bài chuyên đề này chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn

Văn Giang, Giảng viên Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Kiến Trúc Tp.HCM. Cảm ơn

thầy vì những kiến thức quý báu mà thầy đã truyền đạt cho chúng em trong suốt thời gian

qua, hơn cả những kiến thức ấy đó là tinh thần ham học hỏi, trách nhiệm với nghề nghiệp

mà chúng em được tiếp nhận từ Thầy. Chúng em xin cảm ơn Thầy một lần nữa và luôn

mong rằng Thầy luôn mạnh khỏe để có thể tiếp tục thực hiện được những mong muốn

của Thầy.

Và bên cạnh đó, chúng em cũng không quên xin cảm ơn những người bạn đã cùng

chia sẻ, đóng góp những kiến thức để cùng nhau học hỏi, tiến bộ hơn và hơn hết nhờ thế

mà chúng em hoàn thành được chuyên đề này.


CHƯƠNG 1. TỔNG

QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài

Trong nhu cầu mới của xã hội cần phải có những công trình cao hơn, vững chắc hơn

nhưng đồng thời phải tiết kiệm diện tích và có tính thẩm mỹ cao trong các đô thị. Để làm

được điều đó là trách nhiệm của những kỹ sư xây dựng trong thời đại mới phải áp dụng

những vật liệu mới hiện đại hơn có khả năng chịu lực cao và dễ thi công được áp dụng

trong kết cấu nhà cao tầng. Mà vật liệu sử dụng trong kết cấu nhà cao tầng phải có khả

năng chịu lực lớn nhưng đồng thời phải nhẹ, do đó vật liệu thép đáp ứng được những yêu

cầu trên. Mặt khác, thép là vật liệu đàn dẻo, đồng nhất và đẳng hướng hay nói cách khác

thép là vật liệu lý tưởng do đó công tác tính toán thiết kế trong giai đoạn đàn hồi không

sai khác nhiều so với sự làm việc thực tế. Do vậy, kết quả tính toán lý thuyết phản ánh

tương đối thực tế làm việc của kết cấu nhờ vậy mà người thiết kế có thể dễ dàng thiết kế

những phương án tối ưu nhất.

Ngày nay, ở Việt Nam xu hướng sử dụng nhà cao tầng ngày một tăng nhanh ở các

thành phố lớn, sự phát triển mọi mặt của đời sống kinh tế xã hội đòi hỏi trình độ khả năng

áp dụng công nghệ xây dựng ngày một cao. Phát triển kết cấu thép nhà cao tầng sẽ giúp

chúng ta phần nào bắt kịp với trình độ khoa học kỹ thuật xây dựng tiên tiến của thế giới.

1.2. Giới hạn đề tài

Đề tài còn mới và thời gian chuẩn bị không nhiều, do vậy chúng em chỉ mang tính

chất giới thiệu những hệ kết cấu sử dụng thép chính trong nhà cao tầng, ưu nhược điểm

của từng loại, cách liên kết và công tác phòng cháy chữa cháy chúng. Chúng em cũng

không đi sâu vào công thức mà tính toán chỉ nêu lên nguyên lý tính toán và những quan

niệm tính toán. Chúng em cũng liên hệ một công trình thực tế ShangHai Super Tower để

giới thiệu chi tiết quá trình xây dựng có sử dụng kết cấu thép nhà cao tầng.

1.3. Tóm tắt đề tài

Đề tài gồm 4 chương, trong đó chương 1 được dành để viết phần tổng quan giúp

người đọc có thể hình dung được nội dung chuyên đề. Trong chương 2, chúng em trình


bày về kết cấu thép nhà cao tầng với các phân mục nhỏ trong đó với những hệ chịu lực

chính, nguyên lý tính toán, các dạng liên kết và công tác phòng cháy chữa cháy. Trong

chương 3, chúng em sẽ giới thiệu một công trình cụ thể đã sử dụng kết cấu thép để có thể

tổng hợp và áp dụng những vấn đề đã nêu trên. Chương 4 sẽ được chúng em tóm tắt

những kết quả đã đạt được sau khi thực hiện chuyên đề này đồng thời cũng đưa ra một số

nhận xét trong kết cấu thép nhà cao tầng.


CHƯƠNG 2. KẾT

CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG

Trong chương này, các hệ kết cấu chịu lực chính được giới thiệu một cách khái quát

và ngắn gọn trong đó bao gồm đặc điểm cơ bản của từng hệ kết cấu ưu nhược điểm trong

từng loại, chiều cao giới hạn của mỗi loại kết cấu, để từ đó tiếp theo áp dụng cho sơ đồ

tính toán, nguyên tắc và sử dụng liên kết để từ đó nêu ra trình tự thi công và công tác

phòng cháy cho nhà cao tầng.

2.1. Hệ chịu lực chính

Các hệ chịu lực chính của kết cấu thép và thép kết hợp bê tông sử dụng trong nhà

cao tầng gồm 5 loại chính :

Hệ kết cấu khung giằng có liên kết cứng

Hệ kết cấu khung giàn mắt cáo chịu lực cắt

Hệ kết cấu nửa lõi

Hệ kết cấu lõi

Hệ kết cấu kết hợp


Hình 2.1. Các loại hệ kết cấu sử dụng cho nhà cao tầng

2.1.1. Hệ kết cấu khung giằng có liên kết cứng

a) Hệ kết cấu khung cứng

Hệ kết cấu khung cứng bao gồm cột và các dầm liên kết với nhau bởi các nút cứng

tức nút có khả năng chịu mô ment lớn. Độ cứng khung theo phương ngang phụ thuộc vào

độ cứng của cột, dầm và nút liên kết. Khung cứng có ưu điểm ở chỗ có các ô hình dạng

chữ nhật nên dễ dàng bố trí cửa và cửa sổ nhưng cũng làm tăng bậc tự do cho phép. Nếu

được sử dụng để chịu tải trọng ngang trong công trình thường có nhịp từ 6-9m, và hệ

khung cứng này kinh tế với công trình khoảng 20-30 tầng. Trên 30 tầng, khả năng chịu

uốn của khung lớn do vậy kích thước của các cấu kiện không còn kinh tế nữa.

Khung cứng là ý tưởng phù hợp với công trình kết cấu bê tông cốt thép bởi tận dụng

khả năng truyền độ cứng lớn của các nút khung. Trong kết cấu thép, khung cứng cũng

được gọi là khung thép nhưng mô ment trong liên kết có ảnh hưởng quan trọng đến độ

cứng của khung. Kích thước của cột và dầm tại bất kỳ cao độ nào đều ảnh hưởng lớn và

trực tiếp đến lực cắt tại cao độ đang xét, vì vậy kích thước tiết diện thường tăng từ đỉnh

công trình đến móng. Do đó, khi thiết kế khung và sàn không thể lặp lại như khung


giằng. Kết quả nữa đó là đôi khi chiều cao tầng phải tăng lên do kích thước của dầm quá

lớn để tạo được không gian sinh hoạt thông thường.

Hình 2.2. Hệ khung cứng với các liên kết phải chịu được mô ment

Tải trọng do trọng lượng bản thân gây nên cũng khá quan trọng, mô ment âm xuất

hiện trên các dầm gần cột bởi trong khi nhịp giữa có mô ment dương trong khung là đặc

điểm cơ bản trong khung cứng.

b) Hệ kết cấu khung giằng

Trong hệ kết cấu khung giằng, sau khi chịu tải trọng ngang nội lực truyền qua các

thanh giằng chéo cùng hệ khung thông qua các nút của chân cột này với đầu cột kia và

đầu dầm này với đầu dầm kia. Chúng được bố trí như vậy bởi lực cắt ngang lên công

trình được chịu bởi các cấu kiện theo phương ngang trong trạng thái làm việc kéo hoặc

nén thông qua các thăng giằng, do vậy hệ thống các thăng giằng có tác dụng cao trong

chịu tải trọng ngang cho công trình do đó với hệ giằng kết cấu thường đạt chiều cao 50-

70 tầng.


Giằng thường được dành riêng cho kết cấu thép bởi vì các thanh chéo hầu hết là cấu

kiện chịu kéo theo một hay nhiều hướng khác nhau của tải trọng ngang. Giằng bê tông

cốt thép đôi thỉnh thoảng được sử dụng, tuy nhiên với mỗi thanh chéo được thiết kế phải

là cấu kiện chịu nén, tuy nhiên họ cũng thay thế bằng giằng thép trong hệ giằng ấy để nội

lực trong khung lớn hơn. Do vậy, người ta cũng sử dụng giằng thép trong thanh chịu nén

tuy nhiên phải kể đến ảnh hưởng của độ mảnh và uốn dọc trong tính toán.

Giằng tạo nên một hệ kết cấu rất cứng chịu tải trọng ngang mà đỡ tốn vật liệu, điều

này làm cho kết cấu giằng không những tiết kiệm mà còn giảm được tải trọng cho công

trình do đó được sử dụng nhiều trong các công trình siêu cao tầng nữa. Loại giằng hình

tam giác có lợi thêm khi chúng hầu như không gây tác động tải trọng ngang lên phần sàn,

bởi vậy sàn được thiết kế độc lập theo chiều cao và do đó, nó có thể lặp lại dù chiều cao

tầng thay đổi, điều này rõ ràng kinh tế hơn và dễ dàng xây lắp hơn. Bất lợi lớn của thanh

giằng làm vướng theo phương ngang trên mặt bằng và khó khăn trong việc lắp đặt cửa đi,

cửa sổ. Để khắc phục nhược điểm này, giằng có khuynh hướng thường sát nhập vào

tường và vách ngăn, và đặc biệt quanh mặt đứng, cầu thang, khu vực kỹ thuật. Một khó

khăn khác của hệ giằng là liên kết các thanh chéo tương đối cao, và khó dựng thẳng góc.

Hình 2.3. Khung giằng với các cách áp dụng khác nhau


2.1.2. Hệ kết cấu khung dàn mắt cáo chịu lực cắt

Loại kết cấu này do kết cấu giàn mắt cáo chống lực cắt được bố trí hướng đứng và

dầm, dàn khung cột lắp ghép lại, lực ngang chủ yếu do dàn mắt cáo hướng đứng gánh

chịu. Dưới tác dụng của lực ngang, các thanh chống của dàn mắt cáo thép chỉ chịu ứng

lực kéo, nén hướng trục, dù được cân nhắc từ mặt cường độ hoặc biến dạng đều đảm bảo.

dầm và dàn khung cột có thể liên kết khớp hoặc liên kết nửa cứng, cường độ bên của

chúng có thể bỏ qua không tính toán.

Hình 2.4. Hệ kết cấu khung dàn mắt cáo chống cắt

Lượng thép sử dụng cho loại kết cấu này so với kết cấu thuần dàn khung nhỏ hơn,

mối nối dầm dàn khung và cột tương đối đơn giản. Do kết cấu hệ chống hướng đứng

nâng độ cứng toàn khối của kết cấu lên nhiều lần, khả năng chống cắt cũng được cải

thiện, do đó chiều cao nhà cũng có thể nâng lên đạt tới khoảng 40 tầng.

Dàn mắt cáo chống lực cắt hướng đứng thực tế là kết cấu tăng cường cho hệ thống

khung dầm, cột. Cột là các thanh bụng thẳng đứng, dầm chính và dầm phụ của sàn là hệ

thống chống ngang, hệ chống xiên cũng được tăng lên.

Như vậy, dưới tác dụng của lực ngang loại nhẹ và loại vừa thì có thể độ cứng rất

lớn, nhưng nếu gặp tác dụng của lực động đất cực mạnh thì lại có độ dẻo rất tốt. Do hệ

thống làm giảm năng lượng dao động của nó, dầm nối lúc đầu phát sinh lực cắt phá hỏng


nhưng bị hệ thống hấp thụ hết phần năng lượng ấy, vì thế đảm bảo cho hệ kết cấu chịu

lực chính giảm khả năng làm việc.

Hình 2.5. Các loại hệ khung đứng chống cắt được sử dụng

a, b, c) hệ thống chống hình chữa K; d, e) hệ chống hình chữ T và hệ

khung chữ pi,; f, g) hệ thống kiểu dầm; h) hệ chống đan xen lớn; i) hệ

thống dàn mắt cáo xen kẽ nằm ngang một tầng nhà

2.1.3. Hệ kết cấu nửa lõi

Hệ kết cấu nửa lõi trong của kết cấu dàn khung và lõi trung tâm tương đối nhỏ, độ

cứng bên của nó bị hạn chế, cho nên có khi đem kết cấu chịu lực cắt từ tải trọng ngang

kéo dài đến hết bề rộng cạnh ngắn của tòa nhà, cạnh dài bị cắt ở giữa, trên mặt bằng hình

thành công xôn chống cắt hình I, hoặc gia thêm một lõi trung gian bịt kín. Việc chống cắt

của loại kết cấu khung dàn và dàn mắt cáo từ bốn phía kéo dài ra ngoài . Loại kết cấu này

trên mặt bằng được chống theo hướng đứng tại các tầng đỉnh của tòa nhà cứ cách khoảng

12 tầng, dọc theo chiều rộng của tòa nhà về hướng dọc và hướng ngang đều bố trí dàn

mắt cáo kéo dài ra ngoài với chiều cao của dàn bằng chiều cao của tầng đó, tạo nên liên

kết hệ thanh chống chịu lực cắt và cột ngoài thành một khối. Điều này cho phép toàn bộ

cột biên của tòa nhà tham gia chống uốn đồng thời cùng với các kết cấu khác. Người ta

còn bố trí thêm dàn mắt cáo ở bốn phía ngoài nhà nối liền các dàn mắt cáo kéo dài ra

ngoài nhà.

Hệ kết cấu dầm chìa bao gồm lõi, khung, giằng và các dầm công xôn theo phương

ngang có thể là giàn hay lưới liên kết với lõi như Hình 2.6 (a), trong đó lõi có ảnh hưởng

lớn nhất. Khi kết cấu chịu tải trọng ngang mô ment theo phương đứng của lõi sẽ tạo ra


chuyển vị xoay trên toàn khung, trong đó có hàng cột bị kéo và hàng cột chịu nén như

Hình 2.6 (b). Chiều cao của kết cấu công trình giảm ảnh hưởng tăng do tăng thêm độ

cứng theo phương ngang của công trình và làm giảm biến dạng ngang và mô ment của

lõi. Thực vậy, hệ kết cấu có dầm chìa liên kết các cột với lõi bằng ứng xử riêng lẻ theo

các dầm công xôn hỗn hợp.

Những cột đầu tiên liên kết trực tiếp với cuối của liên kết khớp, liên kết giữa các cột

cũng có thể được tạo bằng cách tạo các dàn hoặc lưới theo phương ngang trên bề mặt

công trình tại cao độ dầm chìa. Hơn nữa, thường 2 tầng chiều cao dầm và đoạn đầu dàn

khiến chúng cố định vị trí trên chiều cao của công trình.

Các cột đầu của mỗi dầm chìa ứng xử như hệ hỗn hợp mà chúng phụ thuộc vào độ

cứng của số dầm chìa. Kết cầu dầm chìa ở độ cao nào đó chỉ quan tâm sự gia tăng giá trị

mô ment trên dàn chìa. Sự gia tăng này giảm bớt, tuy nhiên với mỗi khi tăng chiều cao

của dầm để nâng lên 4, 5 tầng thì kinh tế nhất. Dàn chìa có giằng là hệ kết cấu được sử

dụng cho các công trình có chiều cao khoảng 40-70 tầng nhưng không nên sử dụng cho

công trình có chiều cao lớn hơn.

Hệ kết cấu treo bao gồm một lõi trung tâm, các dầm theo phương ngang, có thể là

công xôn lên tới mái được treo theo phương đứng bằng các cáp thép, thanh, hoặc các tấm

phẳng cùng gắn vào. Sàn được treo lên như Hình 2.7 (a).

Ưu điểm của loại kết cấu này là hình thức được ưu tiên trong kiến trúc về không

gian, ngoại trừ lõi cứng, tầng trệt có thể được đặt tự nhiên theo phương đứng và cho phép

một số lượng lớn người tập trung, mặt khác kể cả những người ở trên, bởi vì chúng chịu

kéo nên tận dụng được tối đa vật liệu thép, cấu kiện có kích thước tiết diện nhỏ nhất. Khả

năng có lợi sau đó có xu hướng được nâng lên, tuy nhiên, là chúng có khẳ năng tự chống

lửa và gỉ rất tốt để tăng thêm tính ổn định. Kết cấu treo có ưu điểm trong các công trình

có lõi cứng, dầm công xôn, và được treo trong khi sàn được trải ra ở tầng trên, các sàn

còn lại được treo và lắp đặt vào vị trí như Hình 2.7 (b).


Hình 2.6. Hệ kết cấu dầm chìa với các dàn ngang

Bất lợi của hệ kết cấu này là không thuận tiện trong cách truyền tải trọng, nghĩa là

tải trọng được truyền qua dây treo lên ngược trên mái, từ đó mới truyền qua lõi xuống đất

nền, và chiều rộng của phần dưới kết cấu được giới hạn bởi để có quan hệ chung với

chiều cao của phần lõi, điều này làm giảm chiều cao của công trình đáng kể. Vấn đề khó

hơn xuất phát từ sự vươn ra của các các dầm sàn mảnh, có thể kết quả thay đổi quan

trọng trong chiều cao của vật treo và giới hạn tối đa số lượng sàn treo khoảng 10 và có

thêm sàn phụ trên hệ thống công xôn như Hình 2.7. Tương tự kết cấu dầm chìa, và cùng

một lý do, dầm công xôn thường làm việc trong mặt phẳng.

Sự khác nhau từ việc treo cấu kiện trên lõi đơn thì người ta đã tăng thêm số lõi với

công trình có thể có 2 hoặc 4 lõi, trong đó các hệ treo theo phương đứng có kích thước

lớn giữa các lõi hay những vật nhỏ như rèm chúng được nối lại với nhau giữa các lõi. Cái

ưu điểm khi có nhiều lõi là có lượng lớn sàn trên không gian và không sử dụng cột ở tầng

trệt.


Hình 2.7. a) hệ kết cấu treo, b) quá trình thi công

2.1.4. Hệ kết cấu lõi, vách

Loại kết cấu lõi này không phải tường đặc ruột mà là mạng dàn khung dày, trong

quá trình truyền chuyển lực dàn khung mềm tạo ra tổn thất ứng suất, làm cho ứng suất

chính hai bên lớn, ở giữa bé, lực hướng trục của cột góc lớn hơn lực hướng trục của cột

giữa hình thành hiện tượng tăng thêm lực cắt. Tuy nhiên, hiện tượng này đã được khắc

phục bởi dàn khung siêu cấp.

Bốn góc của tòa nhà cứ bố trí vách công xôn, giữa chúng cứ cách 12 đến 14 tầng

dùng dàn mắt cáo nằm ngang để liên kết lại. Do đó, bố trí cấu kiện thẳng dứng dày đặc ở

bốn góc nên khẳ năng chống lực ngang rất tốt. Lõi dàn khung ngoài dựa vào sức chịu uốn

của dầm cột để chống lại lực cắt ngang, nhưng trái lại lõi có mắt cáo xen kẽ ở ngoài lại

dựa vào lực hướng trục của các thanh xiên để chống lại. Trong tình hình bình thường, lực

kéo thanh xiên do lực ngang gây nên lại bị lực nén do tải trọng đứng gây ra làm triệt tiêu,

loại tác dụng song trùng đó của thanh xiên làm cho loại kết cấu này có năng suất làm việc

cao, và lượng vật liệu thép có thể tiết giảm 10%.


Lõi cột: Khẳ năng chịu tải trọng ngang của khung ống rất cứng bởi mô ment chống

uốn của ống rất lớn bao quanh công trình tức là hệ khung bao gồm các khung được liên

kết với nhau và bao quanh công trình. Trong hệ kết cấu các cột cách tâm công trình

khoảng 2-4m. Hệ ống được xem như chịu hết tải trọng ngang, tải trọng đứng được truyền

xuống hệ ống và hệ cột và tường. Do đó, cũng như phương án khung giằng, sàn có thể

được tách ra tính toán riêng và áp dụng cho các chiều cao khác nhau.

Xét chọn tiết diện cột vẫn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cột và chiều cao các

tầng. Do vậy, các cột thường được giảm theo chiều cao tầng. Dạng kết cấu này được bắt

đầu từ những mặt bằng công trình hình chữ nhật, và có khả năng ứng dụng trong các mặt

bằng dạng khác như hình tròn, hình tam giác.

Hình 2.8. Các hệ kết cấu nửa lõi được sử dụng

a) Lõi dàn khung ngoài

b) Lõi dàn mắt cáo đan xen ngoài

c) ,d) Lõi trong lõi

Hệ kết cấu ống phù hợp với khi sử dụng cả thép và bê tông cốt thép và được dùng

nhiều trong trong xây dựng các nhà cao tầng từ 40-100 tầng. Kết cấu khung ống kết hợp

là đặc trưng cao cho tận dụng thép đã được tiền chế sẵn., và sự dụng hoàn toàn sự di

chuyển đổ bê tông theo lượt mà rất khả thi trong xây dựng.

Khung ống là một trong những hệ kết cấu quan trọng trong công nghệ xây dựng nhà

cao tầng hiện đại. Nó tạo nên sự làm việc hiệu quả, thi công kết cấu dễ dàng để có thể đạt

được chiều cao tối đa. Hình thức bên ngoài của ống hiển nhiên được xem sự làm việc

đồng thời bởi tính hợp lý của tốc độ thi công kết cấu trong khi các đặc tính khác giống

với hệ khung.


Ảnh hưởng của kết cấu dạng ống theo chiều cao mặc dù còn một số tiêu chuẩn hạn

chế chưa cải tiến bởi vì mặt “cánh” của khung có khuynh hướng bỏ qua lực cắt mà chỉ

xét chịu mô ment theo phương dọc của phần bụng, điều này tạo kết quả “cánh” của mặt

giữa cột giảm ứng suất hơn so với góc cột và do vậy, không phân bố hết ứng suất trong

cùng một tiết diện.

Hình 2.9. Hệ kết cấu khung và ống kết hợp

Hệ kết cấu lõi vỏ: là một dạng phát triển của khung ống có hệ cột ở trung tâm với

khung bao gồm hệ ống ở ngoài hay chúng ta vẫn thường gọi dạng vỏ, cùng với lõi làm

việc như trên Hình 2.10. Lõi và vỏ cùng nhau chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng.


Trong hệ kết cấu lõi vỏ,kết cấu bê tông cốt thép được xem như một vách cứng được và hệ

khung ống được làm bằng thép.

Xét tới một số quy mô khác, Khung bên ngoài và lõi bên trong tương tác theo

phương ngang khi cấu kiện chịu cắt và chịu uốn như một vách cứng với điểm mạnh gia

tăng độ cứng theo phương ngang. Tuy nhiên, kết cấu dạng ống thường có vai trò trội hơn

bởi chiều cao kết cấu của nó.

Hình 2.10. Hệ kết cấu ống vỏ

Kết cấu ống bó: hình thức kết cấu này đã nổi tiếng khi được sử dụng cho công

trình tháp Sears ở Thành phố Chicago, một trong những tòa nhà từng cao nhất thế giới.

Sears Tower bao gồm bốn khung cứng thép song song được sắp xếp vuông góc với nhau,

liên kết bên trong từ 9 bó ống được mô tả trong Hình 2.11. Trong mỗi kết cấu ống đơn

của khung theo phương ngang, tải trọng ngang được truyền vào như các thanh “bụng”


theo công xôn phương đứng với các khung thông thường và bỏ qua ảnh hưởng của

“cánh”.

Hình 2.11. Hệ kết cấu ống bó

Giới thiệu những dầm lớn ở bên trong có tác dụng làm giảm giá trị lực cắt ở các

cánh do đó cột chịu nhiều ứng suất hoàn toàn hơn trong các ống đơn. Và do đó, sự phân

bố tải trọng theo độ cứng theo phương ngang nhiều hơn. Điều này cho phép các cột của

khung làm việc trong không gian ít bị ảnh hưởng hơn, tức tận dụng khả năng chịu nén mà

ít ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn. Trong tháp Sears Tower, lợi ích của hệ kết cấu

khung ống đã được tận dụng bằng cách không tiếp tục bởi các ống mà giảm kích thước

mặt bằng của công trình để tăng chiều cao tầng như Hình 2.11 (b, c, d).

Hệ kết cấu ống giằng : là một dạng kết cấu khác dựa trên hệ kết cấu khung ống,

hệ kết cấu này tăng khả năng sử dụng ngay cả khi chiều cao và khoảng cách nhịp lớn,

chúng thường thêm các thanh giằng trên bề mặt của ống. Chính sự sắp xếp này đầu tiên

đã được sử dụng trong kết cấu thép năm 1969 ở Chicago bởi John Hancock Building

trong Hình 2.12. Trong kết cấu thép dạng ống hệ giằng tác dụng lên bề mặt của khung

cứng.


Hình 2.12. Hệ kết cấu khung ống có thêm giằng

Bởi vì thanh giằng được liên kết với cột tại mỗi tiết diện, chúng giúp giới hạn lại lực

cắt trong cả trong cánh và khung dầm. Kết quả ấy làm cho kết cấu ứng xử khi chịu tải

trọng ngang giống khung giằng khiến bớt đi đáng kể sự uốn trong cấu kiện của khung.

Do đó, khoảng cách giữa các cột có thể rộng hơn và cao hơn cho mắt cửa vì thế cho phép

kích thước cửa sổ rộng hơn là ưu điểm trong kết cấu dạng ống.

Trong hệ kết cấu khung ống có giằng, giằng cũng có tác dụng phân phối tải trọng

của theo phương đứng cho ống, sự khác nhau giữa ứng suất do tải trọng của phương đứng


trong cột vẫn luôn tồn tại mà giằng chỉ truyền giá trị lực dọc trục từ cao xuống ít hơn cho

cột.

2.1.5. Hệ kết cấu hỗn hợp

Nhiều mô tả rõ ràng được sắp xếp để phân biệt hóa để phù hợp với các hình dạng

lăng trụ, tháp, khối tức chúng được gọi là công trình hiện đại mà được hoàn thành kết cấu

bởi riêng một hệ thống kết cấu, ví dụ sử dụng hệ ống hoặc vách cứng khung cùng các hệ

giằng vừa thỏa mãn yêu cầu kiến trúc mà đáp ứng được kết cấu.

Các ảnh hưởng riêng đến sự gia tăng đơn giản từ ủy ban môi trường bao gồm hình

dáng và công trình hiện đại có tính chất lặp lại, riêng do phân tích và thiết kế nhiều kết

cấu phức tạp nên chúng trở nên khả thi, các kiến trúc sư với một thế hệ các công trình

hiện đại đã nhấn mạnh rằng không nguyên tắc trong hình khối, với những kiểu binh, cầu

kỳ, nhiều mặt và tô lên vẻ mới lạ độc đáo trong từng công trình.


Hình 2.13. Hệ kết cấu hỗn hợp khung ống và dầm chìa

Công trình với một khối hình lăng trụ thì ít sử dụng một hình thức kết cấu độc lập

và do dó, các kỹ sư phải phát huy giải pháp kết cấu. Trong nhiều hoàn cảnh kết hợp hai

hay nhiều hình dáng kết cấu cơ bản thường được sử dụng trong một công trình cũng bằng

sự kết hợp trực tiếp, ví dụ: trong hệ kết cấu ống và dầm chìa Hình 2.7 hoặc có thể thêm

bởi hình thức kết cấu khác của kết cấu, ví dụ : trong hệ ống, trên ba mặt của công trình và

hệ khung không gian và mặt thứ tư như trong Hình 2.14.

Trong khi kỷ nguyên hình thành sự phát triển của hình thức kết cấu từ những năm

1950 cho đến giữa những năm 1970, hình thức kết cấu thuần túy trong nhà cao tầng đã có


những ưu điểm mà chúng được sử dụng để sử dụng trong các phân tích và thiết kế bằng

tay hoặc những máy tính nhỏ. Ngày nay, với sự trợ giúp đắc lực của máy tính điện tử, các

chương trình hỗ trợ phân tích thiết kế, một kỹ sư có thể cảm nhận được hình dáng kết

cấu và ứng xử của chúng để từ đó phân tích, đưa ra những chi tiết phù hợp cho công trình

mới lạ bắt đầu.

Hình 2.14. Hệ kết cấu hỗn hợp với khung vách và không gian


2.2. Nguyên lý tính toán

Trong phần này, chúng tôi giới thiệu mô hình tính toán và nguyên lý tính toán cơ

bản của các hệ kết cấu ở trên, nhưng trong mỗi hệ kết cấu riêng chúng tôi cũng không

quên nêu những đặc điểm riêng biệt được áp dụng để tính toán thiết kế loại kết cấu đó.

Tuy nhiên, chúng cũng có những đặc điểm tính toán chung dựa trên nguyên tắc và quan

niệm thiết kế chung. Đối với dạng kết cấu hỗn hợp thì áp dụng các quan niệm của các

quan niệm tính toán thiết kế mà được áp dụng.

2.2.1. Hệ kết cấu khung giằng

Vì tải trọng ngang của công trình có thể đảo ngược theo các phương khác nhau nên

giằng trở thành cấu kiện vừa chịu kéo và chịu nén, do đó chúng thường được thiết kế

nghiêm túc trong quá trình chịu nén, chính vì vậy mà những hệ giằng ngắn, hay hình chữ

K thích hợp hơn với những giằng xiên để tăng độ ổn định của giằng và trong mỗi thanh

giằng phải chịu được lực kéo của lực cắt sàn. Cũng dùng chung tương tự như nguyên lý

này, hệ giằng sẽ biến lực cắt thành các lực kéo nén dọc trục trong các trường hợp tính

toán khác mà có kể đến hệ giằng.

Hình 2.15. Sàn truyền lực cắt qua dàn, a) thông qua sự làm việc của một

thanh giằng, b) của hai thanh giằng, c) của thanh giằng dạng chữ K, d)

giằng gối theo chiều cao tầng.


Đối với các lực dọc do cột truyền xuống cũng tương tự như trường hợp lực cắt trong

sàn đối với trường hợp sàn có thể truyền tải ngang thì nội lực trong giằng cũng tăng thêm.

Đối với trường hợp khung cứng có độ cứng lớn thì nội lực trong thanh giằng lại nhỏ lại,

chính điều này làm cho một số trường hợp giằng không có tiết diện đồng đều.

Hình 2.16. Các hệ giằng chịu tải trọng do cột truyền, a) hệ giằng đơn, b)

hệ giằng đôi, c) giằng chéo đơn liên tiếp, d) hệ giằng chữ K

Để phân tích tính toán hệ giằng dựa trên nguyên lý các nút liên kết đều là khớp và

có thể xoay tự do, tải trọng được gán tại các nút của khung giằng, riêng tải trọng trên

khung vẫn có thể tính toán bình thường. Khi nhập trong mô hình bằng phần mềm phần tử

hữu hạn, để cho kết quả chính xác và biết được sự làm việc của khung và giằng nên giải

khung giằng kết hợp. Đối với một số trường hợp, giằng được thêm vào để tăng độ ổn

định cho khung, hoặc giữ ổn định tạm thời trong quá trình thi công.

2.2.2. Hệ kết cấu khung cứng

Đối với hệ khung cứng, các nút khung là các nút cứng có khả năng chịu được mô

ment, nguyên lý tính toán và sơ đồ tính như trong kết cấu bê tông cốt thép và có thể áp

dụng trong kết cấu thép. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa góc


xoay giới hạn mà mô ment của ngoại lực có thể gây ra được nhằm giữ an toàn cho kết

cấu.

2.2.3. Hệ kết cấu có sử dụng lõi-vách bê tông cốt thép

Khi sử dụng lõi và vách, để đơn giản trong tính toán, người ta quan niệm chỉ để lõi

và vách chịu tải trọng ngang, các bộ phận khác được liên kết với lõi và vách chịu các tải

trọng, tuy nhiên nhưng nghiên cứu mới đây cho rằng, khả năng chịu xoắn của nhà cao

tầng rất lớn, do đó ảnh hưởng của xoắn được tính đến và lõi vách có tác dụng chống xoắn

cho công trình.

Các kết cấu thép sử dụng lõi hoặc vách kết hợp với các khung thường tính bằng các

liên kết khớp. Trong mô hình tính toán được phân theo hai phương, để đơn giản hơn

người ta cũng chia theo từng phương để tính toán, có nghĩa là bỏ qua ảnh hưởng khả

năng chịu lực của một số phương bất lợi của kết cấu đó nếu độ cứng của phương ấy nhỏ

hơn nhiều lần so với phương khác.

Hình 2.17. Lõi vách giúp chịu tải trọng ngang cực lớn


Trong mô hình tính toán, lõi vách được tính như bê tông cốt thép thông thường, tuy

nhiên, chúng có thể thay đổi độ cứng theo chiều cao để phù hợp với nội lực, ngoài ra có

thể bố trí theo nhiều phương khác nhau của tòa nhà. Đối với sơ đồ này, có thể bỏ qua ảnh

hưởng của sàn tới khả năng chịu lực của vách để dễ dàng tính toán sàn hơn, xem sàn là

cấu kiện độc lập được tính toán riêng biệt và áp dụng cho các tầng nhưng không làm thay

đổi tính chất sàn vẫn tuyệt đối cứng theo phương ngang.

Hình 2.18. Từ sơ đồ thực đến sơ đồ tính trong kết cấu sử dụng lõi vách

2.2.4. Hệ kết cấu dạng treo

Hệ kết cấu dạng treo là một trong những hệ kết cấu đặc biệt cùng với hệ kết cấu

dầm chìa có nguyên lý tính toán tương tự như nhau đều truyền vào lõi chịu lực chính

nhưng chúng cũng có vài điểm khác biệt.

Lõi chịu lực không phải là vách, lõi bằng bê tông cốt thép mà sử dụng bằng kết cấu

thép với các hệ giằng bằng thép hình hay nói cách khác nó là thanh chịu lực chính của kết

cấu theo phương xiên. Lõi này vừa chịu tải trọng ngang và đứng do công trình.


Hình 2.19. Hệ kết cấu dầm chìa, treo

Sử dụng phương pháp đàn hồi tuyến tính để phân tích hệ kết cấu này, quan niệm chỉ

lực dọc trục tác dụng lên các cột hay cột chỉ chịu lực dọc, các dầm cứng được gắn vào

các lõi cứng và ngàm chặt vào đất. Một đặc

điểm khác trong hệ kết cấu này đó là sự đồng

bộ về tiết diện của lõi, các dầm và cột theo

chiều cao, tức tiết diện của chúng thay đổi

theo chiều cao.

2.3. Liên kết

Liên kết trong kết cấu nhà cao tầng gồm

nhiều dạng và phương thức khác nhau, chúng

tôi không đi sâu vào các liên kết cơ bản mà tập

trung vào những liên kết cụ thể được sử dụng

chính : cột với cột, cột với dầm, cột và móng,

dầm với vách-lõi, liên kết giằng.

Hình 2.20. Các dạng liên kết cơ bản trong kết cấu thép


2.3.1. Cột và cột

Trong liên kết cột và cột, phải đảm bảo cách đoạn sao cho các cấu kiện dễ dàng vận

chuyển và dựng lắp tại công trường đồng thời vẫn đảm bảo khả năng chịu lực cho công

trình. Tùy thuộc vào sơ đồ tính toán của công trình mà lựa chọn vị trí liên kết sao cho phù

hợp, đại đa số các liên kết thường chọn tại vị trí có mô ment nhỏ nhất hoặc bị triệt tiêu,

tính toán liên kết chủ yếu phụ thuộc vào lực cắt của cột. Thông thường, trong khung nhà

cao tầng, vị trí cột được cắt để liên kết nằm giữa tầng. Một số trường hợp nằm trên mặt

sàn nhưng không nhiều và thường có tính chất không quan trọng hoặc tải trọng bé.

Hình 2.21. Một số dạng liên kết giữa cột và cột

Trong phần liên kết này, tùy từng tải trọng và phương tiện di chuyển để ta có thể

quy định chiều cao cũng như phương thức liên kết, tuy nhiên đối với kết cấu nhà cao tầng

để tiện vận chuyển và thi công lắp dựng trên cao, người ta thường sử dụng liên kết bu

lông là chính.

2.3.2. Cột và dầm

Tại vị trí liên kết cột và dầm chịu lực cắt lớn và mô ment (tùy từng mô hình tính

toán) đáng kể. Do đó, liên kết tại vị trí này khá quan trọng và được tính toán kỹ lưỡng.

Liên kết giữa cột và dầm có thể là dạng thẳng góc hoặc xiên góc, tùy theo nội lực và

phương pháp thi công mà chúng ta thiết kế phương án liên kết sao cho hợp lý mà tiết

kiệm nhất.


Hình 2.22. Ba loại liên kết cột và dầm cơ bản

Tùy chiều dài dầm mà vị trí liên kết được chọn sát cột hay xa cột, thông thường đối

với nhịp dầm ngắn, vị trí liên kết gần cột (khoảng 5-10 cm), đối với nhịp dài vị trí cách

cột xa hơn (khoảng 30-50 cm) bởi tận dụng khả năng chế tạo chính xác tại công trường

và dễ dàng thi công lắp dựng. Tuy nhiên, đối với những vị trí xa cấu kiện cột tại công

trường thường phức tạp hơn và khó chuyên chở hơn nhưng xét về khả năng chịu lực thì

đảm bảo hơn vì vị trí xa cột có nội lực nhỏ hơn vị trí gần cột.

Hình 2.23. Liên kết hệ cột dầm trong kết cấu khung

2.3.3. Dầm và dầm


Hình 2.24. Một số dạng nối dầm cơ bản

a) Có bản cánh rộng; b) bản cánh hàn thêm tấm thép; c) cánh trên gia

cường thêm thép lòng máng.

Dầm liên kết với dầm thường có các loại sau đây: dầm chính và dầm phụ, dầm

chính và dầm chính, nối dầm dọc trục. Đối với các loại liên kết này cần phải thiết kế sao

cho phù hợp với sơ đồ tính toán ( ngàm hay khớp) để phản ánh đúng giữa lý thuyết tình

toán và sơ đồ thực dù chỉ mang tính chất tương đối.

Hình 2.25. Nối dầm theo phương vuông góc và dọc trục

Trong liên kết dầm, có thể dùng liên kết hàn, liên kết bu lông hoặc đinh tán, hoặc

các loại liên kết trên. Tuy nhiên, tùy từng loại công trình và khả năng thi công mà người

ta chọn loại liên kết cho phù hợp nhất. Song, liên kết bu lông vẫn được ưu tiên dùng hơn

cả bởi vì dễ dàng lắp dựng và có thể dịch chuyển trong quá trình thi công và lắp ghép.

2.3.4. Cột và móng

Đây là một trong những dạng liên kết khó của nhà cao tầng, liên kết này chịu tải

trọng rất lớn của công trình bao gồm mô ment, lực dọc và lực cắt đều lớn khi sơ đồ tính

là ngàm hoặc lực cắt và lực dọc khi sơ đồ tính là khớp, song ảnh hưởng của lực dọc

thường rất nhỏ nên không kể đến trong quá trình tính toán nhưng chúng ảnh hưởng đến

nội lực trong kết cấu.


Hình 2.26. Bu lông neo được thiết kế ngàm sâu vào bê tông móng

Khi sử dụng kết cấu thép nhà cao tầng, móng vẫn được sử dụng bằng bê tông cốt

thép đúc sẵn, do đó liên kết của kết cấu thép và bê tông phải được gắn chặt với nhau

thông qua các bu lông neo hoặc chính thanh thép được ngàm sâu vào trong bê tông móng.

Thông thường người ta hay sử dụng bu lông neo là hơn cả, bởi vì bu lông neo đỡ tốn vật

liệu, dễ dàng bố trí thép trong bê tông và quá trình thi công đơn giản hơn. Khi tính toán,

chiều dài bu lông neo, đường kính và số lượng bu lông neo là các thông số cần tìm sau

khi biết được nội lực tại các chân cột.

Hình 2.27. Một số mô hình bu lông neo tại chân cột

2.3.5. Dầm và vách-lõi

Cũng là dạng liên kết giữa khối bê tông và cấu kiện thép như móng, tuy nhiên chỉ

khác nhau về phương diện chịu lực. Cũng có rất nhiều phương thức khác nhau để thiết kế

liên kết này, thông thường được chia ra làm hai trường hợp chính. Trường hợp thứ nhất,

đặt liên kết là các bu lông neo hay bản thép chờ sẳn như cấu kiện của các dầm trong khối

bê tông, sau khi bê tông đủ cường độ có thể liên kết bình thường. Trường hợp thứ hai, có


thể cho ngay dầm vào trong khối bê tông và thực hiện liên kết thông thường bằng cách

đặt thêm các thép cấu tạo sao cho phù hợp với ứng xử của khối bê tông trong lõi. Tuy

nhiên người tà thường sử dụng cách thứ nhất vì đơn giản mà không ảnh hưởng lớn đến

cốt thép trong vách.

Hình 2.28. Sơ đồ cấu tạo của bu lông neo trong lõi và vách

Cả hai trường hợp vách và lõi cũng như nhau. Tùy vào mục đích liên kết và vị trí

liên kết mà ta cấu tạo sao cho phù hợp. Về nguyên lý tính toán thường chọn liên kết khớp

bởi vì độ cứng của vách và lõi theo phương trong mặt phẳng uốn với dầm lớn hơn rất

nhiều lần, mặt khác cũng tạo an toàn hơn cho kết cấu dầm tại vị trí mô ment giữa nhịp

trong thực tế. Ngày nay, để tăng cứng cho công trình bê tông cốt thép, ngoài hệ giằng thì

lõi và vách là một trong những phương án tối ưu được sử dụng trong kết cấu nhà cao tầng

và siêu cao tầng, do đó đây là một trong những liên kết quan trọng và cần được nghiên

cứu kỹ lưỡng hơn.


Hình 2.29. Công trình sử dụng lõi và khung thép liên kết với nhau

2.3.6. Liên kết giằng

Là một trong những loại liên kết tương đối đơn giản và phổ biến, liên kết giằng

thường quan niệm là khớp có khả năng xoay tự do. Tuy nhiên, thực tế chỉ đúng một phần

nhưng quan niệm như trên hoàn toàn thiên về an toàn.

Liên kết giằng có thể nối các cột với cột, cột với dầm, hoặc dầm với dầm là loại liên

kết giằng thông thường. Hiện nay, một số hệ giằng còn liên kết nhiều cột và dầm với

nhau để tạo ra những hệ giằng lớn hơn, tăng cứng lớn hơn. Do đó, hệ giằng ngày càng

được áp dụng nhiều và phát huy tính hiệu quả của nó.

Thanh giằng có nhiều loại, có thể là thanh có tiết diện kín, hoặc hở. Do vậy, phụ

thuộc vào từng cấu kiện mà chúng ta thiết kế sao cho phù hợp. Thông thường trong các

cấu kiện chịu lực lớn, thanh giằng được liên kết bằng các bu lông hoặc đinh tán, trong các

cấu kiện chịu lực nhỏ hơn người ta sử dụng các bản mã và liên kết hàn. Cũng không nằm

ngoài mục đích khác bởi tính dễ thi công và yêu cầu độ chính xác cao của kết cấu thép

nhà cao tầng.


Hình 2.30. Một số giằng được sử dụng trong kết cấu nhà cao tầng

2.4. Chống cháy cho kết cấu

Thép là vật liệu có khả năng chịu lực cao nhưng dễ bị chảy ở nhiệt độ khoảng

600oC, khi nhiệt độ khoảng 550 oC thì cường độ chịu lực của thép chỉ còn khoảng 60% so

với cường độ khi thiết kế, do đó công tác ngăn cháy, phòng cháy cho nhà cao tầng được

chú trọng và quan tâm từ những năm 1990s. Có nhiều biện pháp chống cháy cho công

trình, tuy nhiên đối với kết cấu thép người ta thường sử dụng 7 phương pháp sau đây:

Khẳ năng thiết kế chống cháy của công trình phụ thuộc vào các đặc điểm : kích

thước của tòa nhà (đặc biệt là chiều cao), tải trọng lửa (số lượng chất dễ cháy), khả năng

chống cháy của công trình (lượng nước, bình chữa cháy dự trữ,…) để từ đó thiết kế

chống cháy cho kết cấu của công trình được đảm bảo chính xác hơn.

Các vật liệu phòng hỏa cho kết cấu thép công trình thường được sử dụng là : bê

tông, thạch cao, hợp chất Magie clorua, sợi khoáng (thường là ami ăng), chất trát trương

nở, … và một số loại sơn phủ khác.

2.4.1. Sơn phụt và các tấm bảng bảo vệ

Phương pháp phun xịt là phương pháp rẻ nhất, chúng phụ thuộc vào chất lượng yêu

cầu và diện tích của kết cấu. Được áp dụng một cách đơn giản, xịt lớp bảo vệ bao quanh


chu vi bên ngoài của kết cấu và do đó, ứng dụng này được phát triển nhang và nó dễ dàng

bảo vệ những kết cấu phức tạp hoặc ở các vị trí liên kết. Tuy nhiên, xịt được thực hiện

cho các chất ẩm và dạng lỏng bằng cách phun hay quét lên bề mặt của kết cấu, thời gian

thi công nhanh trên công trường với chiều dày khoảng 2-3 cm.

Các tấm cứng chống cháy đắt hơn các loại sơn phủ bởi chúng có khả năng làm việc

cao. Hình thức bảo vệ kết cấu của chúng là hệ thống hộp bảo vệ xung quanh tiết diện và

do đó nó có thể giảm nhiệt trong đường kính so với phương pháp xịt. Hệ thống các tấm

cứng này được liên kết với nhau bằng keo dán, đinh kẹp hoặc máy khâu, vì thế chúng ít

ảnh hưởng đến các công tác khác trên công trường. Hơn nữa hộp bao quanh kết cấu vừa

có tác dụng bao che ngăn lửa mà còn trang trí cho kết cấu.

Tấm bảo vệ được chia làm hai loại : dạng cứng và dạng mềm. Trong đó, dạng cứng

như các tấm vữa được sử dụng như một bảng hiệu, các tấm mềm được sử dụng bằng các

sợi khoáng và được giấu đi. Khoảng cách giữa tấm bảo vệ rộng hơn hình dạng tiết diện

khoảng 7-10 cm

Hình 2.31. Sơn phụt vật liệu bảo vệ

2.4.2. Lớp phủ ngoài trương nở


Lớp phủ ngoài trương nở được áp dụng như một loại sơn và được ưu chuộng trên

công trường và để phô trương vẻ đẹp của kết cấu thép. Chúng nở ra khi có nhiệt tác động

lên bề mặt và bảo vệ tiết diện thép. Có hai loại trương nở cơ bản:

Loại phim mỏng (<2mm): loại này dễ dàng chịu lửa được 60 phút, riêng trong dầm

và cột có thể lên đến 90 phút. Chúng được dùng cho các mặt trong của kết cấu.

Hình 2.32. Các công trình sử dụng tấm fim mỏng

Tấm phim dày (từ 3-6mm): loại này có khả năng chịu lửa lên tới 120 phút hoặc lâu

hơn trong một số trường hợp. Chúng thường được sử dụng cho các kết cấu bên ngoài.

Các tấm phim mỏng không làm ảnh hưởng đến chiều dày của tiết diện kết cấu, tuy

nhiên đối với kết cấu thép thì các tấm phim dày có ảnh hưởng đôi chút. Các tấm này có

thể được phủ lên tại xưởng hoặc ngay trên công trường, một số thực hiện tại nhà máy

nhanh hơn nhiều tại công trường nhưng trong quá trình thi công chúng có thể bị hư hại

hoặc có thể thực hiện tại công trường. Hơn nữa, việc va chạm vào bề mặt của chúng cũng

không ảnh hưởng lớn đến lớp phủ đã tạo tại nhà máy. Công tác kiểm tra chất lượng của

lớp che phủ được thực hiện khắt khe tại công trường.

Hình 2.33. Kiểm tra lớp trương nở chống cháy tại công trường


2.4.3. Bao bọc một phần bởi bê tông

Trong kết cấu thép, thông thường phần dầm chỉ hở các mặt dưới sàn, phần trên sàn

đã được lớp bê tông sàn bảo vệ. Do đó, khi cháy phần dưới bị giảm cường độ trong khi

phần trên cánh chưa ảnh hưởng. Khả năng chịu cháy của kết cấu này khoảng 60 phút, nếu

thêm phần bảo vệ cánh dưới thì khả năng chịu lửa của công trình sẽ tăng lên.

Bọc một phần cột tức là chỉ đổ bê tông vào giữa phần cánh, người ta có thể tăng

cường thêm khả năng chịu lửa của công trình bằng cách thêm cốt thép trong phần bê tông

và được gắn với tiết diện thép hình. Khi chịu cháy, một cánh của dầm hay cột thép sẽ tiếp

xúc với lửa và giảm khả năng chịu lực nhưng phần bê tông cốt thép gia cường sẽ chịu lực

nén thay cho thép hình. Khả năng chống lửa khoảng 60-90 phút và phụ thuộc vào lượng

bê tông cốt thép gia cường.

Trường hợp đổ bê tông cho cột hoàn toàn ít được sử dụng trong kết cấu thép hiện

đại, ngoại trừ nơi đó cần điều kiện an toàn cao hoặc thời gian chịu lửa phải dài. Kích

thước của lớp bê tông bảo vệ thường dày hơn tiết diện thép khoảng 15-20 cm.

2.4.4. Bao bọc toàn phần bởi bê tông trong tiết diện ống

Cột bằng ống thép rỗng có thể được đổ đầy bê tông để tăng khẳ năng chịu lửa tới

120 phút khi có gia cường thêm cốt thép. Bê tông được đổ tại công trường trong quá trình

thi công lắp dựng kết cấu thép. Những ưu điểm khi sửa dụng bê tông trong tiết diện dạng

ống là:

Tiết diện thép phân phối lực đều hơn và tăng khả năng chịu tải trọng của cấu kiện.

Thi công có thể thực hiện

đồng thời.

Giảm độ mảnh và tăng khả

năng chịu nén cho cột.

Tăng khả năng chống cháy

cho kết cấu lên tới 60 phút.

Nếu cần thiết, vẫn áp dụng

được những phương pháp khác để

tăng khả năng chịu lửa của công

trình.

Hình 2.34. Cột có van để đổ bê tông, quá trình thi công cùng với sàn


2.4.5. Bao bọc toàn phần bởi nước trong tiết diện ống

Nước là phương pháp trị lửa hiệu quả, do vậy người ta đã cố tình đưa nước vào

trong kết cấu để có thể tăng khả năng chống cháy của công trình lên 120 phút.

Hình 2.35. Công trình Bush Lane House London(trái) và dàn mái Sân

bay quốc tế Hồng Kông (phải) sử dụng nước trong các ống thép.

2.4.6. Thiết kế chống lửa

Lửa là một trong những nguyên nhân mà không thể báo trước được nên cực kỳ

nguy hiểm và mang tính bất ngờ cao cho con người và cả kết cấu công trình. Phương

pháp thiết kế khả năng chịu lửa của công trình cũng tương đối khác tuy nhiên, để làm

được điều đó cần phải trải qua bốn bước cơ bản sau:

Xác định tải trọng của lửa (năng lượng/m2 sàn hoặc kg/ m2 thiết bị gỗ)

Dự đoán nhiệt độ lớn nhất của lửa

Dự đoán nhiệt độ lớn mà kết cấu có thể chịu được

Khả năng ổn định của kết cấu (bao gồm cả các thanh giằng)


CHƯƠNG 3. GIỚI

THIỆU CÔNG TRÌNH SHANGHAI SUPER

TOWER

3.1. Giới thiệu

Tháp thương mại tài chính quốc tế Thượng Hải (Shanghai World Financial Center

SWFC) với chiều cao 492m,gồm 101 tầng là tòa nhà cao thứ ba trên thế giới ( tính tới

thời điểm này) sau tháp Buji Dubai và tháp Đài Bắc.Tọa lạc tại khu Phố

Đông,Thượng Hải,một trong những trung tâm kinh tế tài chính lớn nhất Châu á và

trên toàn thế giới, ShangHai Finance Tower được khởi công vào năm 1997,do khủng

hoảng tài chính Châu Á 1997-1998 công trình đã từng bị dừng lại đến năm 2003 mới

tiếp tục xây dựng và chính thức khánh thành vào ngày 28/8/2008,đúng dịp Olympic

Bắc Kinh.

Tổng chi phí thiết kế của công trình là 1,2 tỉ USD. Đây là một tòa nhà đa chức

năng làm văn phòng,khách sạn,phòng hội nghị,khu mua sắm,đài quan sát…Nó từng là

tòa nhà cao nhất của Trung Quốc Đại Lục trước khi có tháp Đài Bắc.Tòa nhà là nơi

đặt trụ sở của nhiều công ty nổi tiếng như các ngân hàng của Hong Kong,Nhật

Bản,Trung Quốc,Mỹ…Trong tòa nhà còn có phức hợp khách sạn 6 sao Park Hyatt

Thượng Hải ở tầng 79 tới 93.

Điểm đặc biệt của tòa nhà này là tòa nhà bằng thép với kiến trúc độc đáo, nổi bật

giữa khu Phố Đông,sầm uất,có thiết kế chống động đất,cháy nổ và tấn công khủng

bố.Kỹ sư trưởng thiết kế công trình này là Leslie Robertson,ông cũng chính là người

thiết kết hai tòa tháp đôi Trung tâm Thương mại thế giới bị đánh sập trong vụ khủng

bố 11/9.

3.2. Kiến trúc

Thiết kế kiến trúc cho Trung tâm thương mại quốctế Thượng Hải là công ty

Kohn Pedersen Fox ,kỹ sư trưởng là Leslie E. Robertson


http://en.wikipedia.org/wiki/Leslie_E._Robertson

Tòa nhà được chính thức khởi công vào 27/8 năm 1997 với chủ đầu tư là tập

đoàn xây dựng Mori Nhật Bản.Do khủng hoảng kinh tế tài chính cuối năm 1997 nên

công trình bị hoãn lại.Đến năm 2003 ShangHai Finance Tower mới được tiếp tục xây

dựng.

13/1/2001 tập đoàn Mori sự thay đổi trong thiết kế,chiều cao tăng từ 460m ( 94

tầng ) lên 492 m (101 tầng).Chiều cao ShangHai Finance Tower vượt qua tháp

Petronas, tháp Jimao dự kiến trở thành tòa nhà cao nhất thế giới thời bấy giờ nhưng

kỷ lục đó nhanh chóng bị vượt qua bởi tháp Đài Bắc,tháp Buji và nhiều tòa nhà khác

sau này.

Hình 3.1. Kiến trúc độc đáo của tòa nhà

Tòa tháp có dạng hình lăng trụ với mỗi cạnh dài 58m.Mặt bên được giao nhau

bởi hai cung tròn vuốt nhọn từ phần thân lên đỉnh tạo nên một mặt sáu cạnh tăng vẻ

thanh thoát,tao nhã.

Điểm nhấn của công trình là khoảng hở ở trên đỉnh.Ban đầu thiết kế là một hình

tròn theo thuyết trời tròn đất vuông của người Trung Quốc nhưng do hình tròn đó lại

giống với mặt trời trên cờ Nhật Bản,một quốc gia có mâu thuẫn lâu đời với Trung

Quốc nên người dân đã phản đối,cuối cùng chính phủ Trung Quốc buộc nhà thiết kế


phải thay đổi lại khoảng khoét rỗng đó có dạng hình thang.Đó vừa là vị trí để đặt đài

quan sắt còn vừa là khoảng hở để giảm áp lực gió lên tòa nhà

Hình 3.2. Tòa nhà là kiệt tác của bàn tay khối óc của con người

Hình 3.3. Top những tòa nhà cao nhất thế giới năm 2008

Toà nhà gồm ba tầng hầm và 101 lầu.Công năng của các tầng được phân ra

theo hình dưới đây:

Ba tầng hầm dùng làm chỗ đậu xe,


Tầng 1 đến tầng 3 làm trung tâm thương mại

Tầng 3 đến tầng 5 làm phòng hội nghị

Tầng 7 đến tầng 77 làm văn phòng,tầng 28,29 làm trung tâm truyền

thông,tầng 52,53 làm hành lang quan sát,thoát hiểm

Từ tầng 79 đến 93 khách sạn 6 sao Park Hyatt Thượng Hải

Tầng 94 đến 100 là tháp quan sát

Hình 3.4. Chức năng của tòa nhà

3.3. Kết cấu-thi công

Tòa nhà này không nằm trên lớp đá gốc,phần mặt là sét dẻo,bên dưới là cát

chặt.Giải pháp để đảm bảo ổn định,chống động đất cho tòa nhà 101 tầng này là sử

dụng hệ thống cọc ma sát.Mỗi cây dài hơn 80 m cắm sâu vào lớp cát chặt,tổng

cộng dùng khoảng 2200 cây cọc trên cả mặt bằng

Tòa nhà đã được mô hình hóa và tính toán để chịu được những trận động đất

8 độ Richter vì Thượng Hải cũng là một khu vực thường xảy ra động đất. Tầng 94


của công trình có bố trí hệ thống lò xo giảm chấn nặng 150 tấn để hạn chế chuyển

vị do gió và động đất

Hình 3.5. Hệ móng của tòa nhà đặt trên nền đất yếu

Hình 3.6. Hệ giảm chấn được đặt trên tầng cao của công trình

Sau khi công trình được tiếp tục sau thời gian trì hoãn vì khủng hoảng kinh tế,một

thử thách mới đặt ra cho đội ngũ kỹ sư,kiến trúc sư.Chiều cao công trình tăng từ 460 m

(94 tầng) lên 492 m ( 101 tầng).Tòa nhà phải được thiết kế lại sao cho đảm bảo 4 yêu cầu

“ Cao hơn,to hơn,nhẹ hơn và khỏe hơn” trong khi vẫn phải sử dụng hệ thống móng được

xây dựng từ trước đó.Đồng thời công trình phải chống được hỏa hoạn,hạn chế thiệt hại

như vụ tấn công khủng bố 11/9 và gấp rút xây dựng để kịp thế vận hội 2008.Giải pháp


đưa ra là sử dụng kết cấu lõi cứng bằng bêtông cốt thép kết hợp với hệ thống dầm thép

chìa ra ngoài đỡ kết cấu bao che công trình bằng giải pháp này thì mỗi tầng có thể thi

công độc lập với nhau,tầng này xem là giàn đỡ cho tầng trên nó,tiết kiệm thời gian rất

nhiều.Bình quân để thi công 1 tầng chỉ mất 3 ngày

Hình 3.7. Chi tiết hệ giảm chấn cho công trình


Hình 3.8. Quá trình thi công tòa nhà

Ngoài ra còn có 4 cây cột chính bằng bê tông cốt thép chịu tải trọng truyền ra từ các

cột xiên và dầm thép,hệ thống giàn giằng bao xung quanh tăng độ ổn định cho công trình

chịu được tải trọng gió

Để hạn chế sự thiệt hại do tấn công khủng bố,công trình không xây theo kiểu toàn

khối như trước đây mà được tách ra thành 9 khối nhà liên kết với nhau bằng hệ

giằng.Nếu 1 khối chẳng may bị cháy,sập,những khối khác còn lại vẫn đủ khả năng đứng

vững nhờ hệ dầm,giằng xung quanh,đủ thời gian để mọi người thoát ra khỏi tòa nhà.Cứ

cách 12 tầng thì thành 1 khối và có 1 tầng trống để mọi người trú ẩn khi có hỏa hoạn tấn

công.Bên trong tòa nhà còn có 56 thang máy và 4 lối ra từ các mặt để mọi người có thể ra

khi hỏa hoạn

Để thi công tòa nhà nàycần hơn 65000 tấn thép 26000 tấn bêtông,15000km thép

sợi,cần cẩu tháp nặng 250 tấn có nâng những dầm nặng 50 tấn lên độ cao 500 m,những

máy bơm công suất cực mạnh để bơm lên độ cao này và sự làm việc không ngừng nghỉ

của hơn 2000 công nhân suốt ngày đêm trong năm năm trời từ 2003 tới 2008


Hình 3.9. Tòa nhà đã được hoàn thành


CHƯƠNG 4. KẾT

LUẬN

Sau khi quá trình tìm hiểu tuy trong thời gian ngắn nhưng đã rút ra cho chúng em

những bài học nhất định về kiến thức chuyên môn, tinh thần giao lưu và học hỏi lẫn nhau

đồng thời có thêm cơ hội để được trao đổi với thầy.

Kết cấu thép nhà cao tầng là một trong những kết cấu tiên tiến nhất và cũng phức

tạp nhất nhưng đang còn khá mới mẻ ở nước ta.

Khi sử dụng kết cấu thép nhà cao tầng có nhiều phương án lựa chọn để tối ưu hơn

phương án dùng kết cấu bê tông cốt thép.

Khả năng phối hợp làm việc đồng của kết cấu thép nhà cao tầng đồng bộ hơn và thi

công nhanh hơn so với kết cấu khác.

Liên kết trong kết cấu nhà cao tầng rất đa dạng và phức tạp, có thể sử dụng nhiều

loại liên kết với nhau đồng thời. Đòi hỏi phải có sự sáng tạo và linh hoạt trong thiết kế

liên kết. Tuy nhiên, trong kết cấu nhà cao tầng, người ta thường sử dụng liên kết bu lông

là chủ yếu, liên kết hàn được sử dụng nhưng không đáng kể.

Khi tính toán thiết kế kết cấu thép phải luôn chú trọng thiết kế đến khả năng chịu

lửa của vật liệu. Có nhiều phương án hay được đưa ra nhưng phương án sử dụng chất

chống cháy bao phủ vẫn được sử dụng nhiều nhất.


Chuyen de Thep Nha Cao Tang

Documents

Transcript of Chuyen de Thep Nha Cao Tang