TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

1
T
T
H
H
I
I
Ế
Ế
T
TK
K
Ế
ẾK
K
Ế
Ế
T
TC
C

T
T
H
H
É
É
P
P

N
N
H
H
À
ÀC
C
A
A
O
OT
T

1.1. Mục đích 3
1.2. Tài liệu tham khảo 3
1.3. Các yêu cầu thiết kế nhà cao tầng, cần lưu ý ngay từ đầu 3
2. QUY TRÌNH THIẾT KẾ 6
2.1. Đặc trưng vật liệu 8
2.1.1. Bê tông 8
2.1.2. Thép 9
2.2. Xác định sơ bộ tiết diện 9
2.2.1. Sàn 9
2.2.2. Dầm 12
2.2.3. Cột 13
2.2.4. Vách cứng 14
2.3. Xác định tải trọng 16
2.3.1. Tĩnh tải – DL 16
2.3.2. Hoạt tải – LL 20
2.4. Bài toán dao động riêng MODE SHAPE 20
2.4.1. Các phương pháp xác định tần số dao động riêng 21
2.4.2. Kiểm tra chu kỳ dao động riêng 24
2.4.3. Ảnh hưởng của tần số dao động riêng đến tải trọng động 26
2.4.4. Khai báo Mass source trong quá trình phân tích TSDDR bằng ETABS 27
2.5. Tải trọng gió 30
2.5.1. Gió tĩnh 30
2.5.2. Gió động 31
2.5.3. Tổ hợp tải trọng gió 36
2.6. Tải trọng động đất 36
2.6.1. Những nguyên tắc chỉ đạo trong thiết kế cơ sở 36
2.6.2. Gia tốc nền thiết kế 38
2.6.3. Cấp động đất 40
2.6.4. Các loại đất nền 42
2.6.5. Biểu diễn cơ bản của tác động động đất 44


TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

3
1. GIỚI THIỆU
1.1. Mục đích
Xây dựng quy trình thiết kế kết cấu nhà cao tầng theo TCVN nhằm phục
vụ cho công tác thiết kế một cách chuyên nghiệp, thống nhất và hiệu quả cao.
1.2. Tài liệu tham khảo
1. TCVN 2737 – 1995: Tiêu chuẩn thiết kế về tải trọng và tác động
2. TCVN 229 – 1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió
theo TCVN 2737-1995
3. TCXDVN 375 – 2006: Thiết kế công trình chịu động đất
4. TCXDVN 356 – 2005: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chu
ẩn
thiết kế
5. TCXDVN 198 – 1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
toàn khối
6. TCXDVN 205 – 1998: Móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế.
7. Ray W.Clough and Joseph Penzien, Dynamic of Structure - McGraw-
Hill,1993.

Khi số tầng càng cao, kết cấu thép, kết cấu liên hợp hay bê tông DUL
sẽ
hiệu quả hơn kết cấu BTCT thông thường. Hệ chịu lực của công trình sẽ do
kết cấu quyết định.
Kiến trúc, M-E, Cấp thoát nước và thang máy trong nhà cao tầng là rất
quan trọng, không kém phần kết cấu. Kết cấu ảnh hưởng đến sự bền vững
của công trình, nhưng những thiết kế chuyên ngành khác, phục vụ cho sự tiện
nghi trong sử dụng công trình… là yếu tố đảm bảo thành công trong khai thác.
Quan tâm thêm đến cách bố trí thang máy nhà cao tầng, nhà chọc trời.
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

5
Chế độ bảo trì công trình là một trong những thành phần hồ sơ thiết kế
phải nộp cho chủ đầu tư từ đầu.
Cần quy định rõ phương pháp và tiến độ phải quan trắc chuyển vị của
công trình.
Công trình cao tầng thường là khối lớn, kích thước mỗi cạnh trên mặt
bằng sẽ vượt quá giới hạn cho phép. Do vậy, cần tiên lượng trước giải pháp
về khe lún, khe nhiệt; giải pháp về phân đợt thi công, ngay từ đầu. Phân chia
công trình bằng khe co giãn, khe chống động đất và khe lún khi thiết kế nhà
cao tầng cố gắng điều chỉnh hình dáng và kích thước mặt bằng bởi các giải
pháp kết cấu và thi công để hạ
n chế việc chia cắt này sẽ dẫn đến sự bất lợi
cho kết cấu công trình; thứ nhất: vì tải trọng công trình lớn nên tại hai bên khe
lún cấu tạo móng gặp khó khăn; thứ hai: khi dao động dưới ảnh hưởng của
địa chấn dễ gây ra xô đẩy làm hư hỏng công trình. Việc chia cắt công trình
cần phải được hạn chế, song trong những trường hợp sau đây thì việc chia
cắt cần được ti
ến hành:
♦ Đối với khe co giãn: khe co giãn cần phải bố trí khi kích thước mặt bằng

ắt qua móng mà
nên dùng giải pháp gia cố thêm móng tại vị trí khe phòng chống động đất.
♦ Khi công trình được thiết kế chống động đất thì các khe co giãn và khe
lún phải tuân theo yêu cầu của khe phòng chống động đất.
Độ rộng của khe lún và khe phòng chống động đất cần được xem xét căn cứ
vào chuyển vị của đỉnh công trình do chuyển dịch móng sinh ra. Chiều rộng tối
thiểu của khe lún và khe phòng chống động đất được tính theo công thức:
d
min
= V
1
+ V
2
+ 20mm
trong đó: V
1
và V
2
là chuyển dịch ngang cực đại theo phương vuông góc với
khe của hai bộ phận công trình hai bên khe, tại đỉnh của khối kề khe có chiều
cao nhỏ hơn hai khối.
Giảm ảnh hưởng của nhiệt độ và co ngót của bê tông: tăng thép tại nơi
nhạy cảm với nhiệt độ như sàn mái, sàn tầng dưới cùng và tường đầu hồi…
Nếu giải pháp móng sử dụng phương pháp TOP-DOWN, phải dự trù từ
đầ
u, bằng tính toán cụ thể; số lượng tầng sàn thượng tầng tối đa mà mỗi sàn
hầm khi xuống sâu hơn, có thể tiếp nhận được, cho đến khi tầng hầm được thi
công hoàn chỉnh.
Lưu ý quy ước đánh số thứ tự tầng hầm (1, 2, 3…) là đánh từ tầng hầm ở vị
trí trên cùng, trở xuống.

- Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh (độ cứng)
- Kiểm tra gia tốc đỉnh (dao động)
Bài toán thiết kế Design
- Thiết kế sàn, dầm, cột, vách
- Kiểm tra hàm lượng
Triển khai chi tiết
- Triển khai bản vẽ thi công
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

8

2.1. Đặc trưng vật liệu
Cường độ chịu lực, độ bền mỏi, tính biến dạng, khả năng chống cháy.
Mác bê tông ≥ 300 (BTCT thường), ≥ 350 (BTCT ứng lực trước).
Dùng thép cường độ cao, có thể dùng thép hình trong kết cấu hỗn hợp
thép – BTCT.
Trọng lượng kết cấu ảnh hưởng đến tải trọng động đất.

2.1.1. Bê tông
Phân loại bê tông như sau
♦ Bê tông nặng có khối lượng riêng trung bình từ 2200 kg/m
3
đến 2500
kg/m
3
;
♦ Bê tông hạt nhỏ có khối lượng riêng trung bình lớn hơn 1800 kg/m
3
;
♦ Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng;

♦ Đối với bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ và bê tông nhẹ cốt liệu nhỏ loại
đặc chắc:
5
1.0 10
bt
α
−
=×
( 1/
o
C);
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

9
♦ Đối với bê tông nhẹ dùng cốt liệu nhỏ loại rỗng:
5
0.7 10
bt
α
−
=×
( 1/
o
C);
♦ Đối với bê tông tổ ong và bê tông rỗng:
5
0.8 10
bt
α
−

thỏa mãn yêu cầu kiến trúc
và đảm bảo điều kiện của chu kỳ dao động.
2.2.1. Sàn
Nhằm thỏa mãn giả thiết kết cấu (dầm) sàn là vách cứng trong mặt
phẳng ngang (diaphragm), nghĩa là có độ cứng tuyệt đối trong mặt phẳng sàn
và mềm (biến dạng được) ngoài mép sàn, của các lý thuyết tính toán nhà cao
tầng hiện nay, dẫn đến chuyển vị ngang ở mỗi cao trình NCT là không đổi.
Sàn càng cứng, chu kỳ dao động và gia tốc dao động sẽ giảm đi,
đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép. Và thông thường, nếu cứ
“chồng” tầng lên, mà mỗi sàn được tính toán như 1 sàn độc lập, khả năng độ
cứng của giả thiết sẽ không đảm bảo tuyệt đối – công trình sẽ “rung, lắc” nhẹ,
cảm nhận được khi có gió mạnh thổi vào.
Nhà cao tầng, cần đặt sẵn những đường ống thiết bị trong nhà, cần tăng
“1 ít” chiều dày sàn.
Sàn DUL, để dễ bố trí cáp, chiều dày sàn lớn, hợp lý, vẫn có lợi.
Sàn nhà ít tầng, thông thường
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

10
(0.35 0.55)
s
d
J
J
=
÷
Sàn nhà cao tầng, nên có
(0.5 0.65)
s
d

Số tầng 12 15 20 25 30 40
Sàn nấm 1.04 1.06 1.10 1.14 1.18 1.26
Sàn dầm 1.04 1.06 1.08 1.11 1.15 1.22

Khả năng chống động đất của công trình, sẽ tăng đôi chút.
Lưu ý: Cốt thép, vẫn phải được tính toán như sàn nhà ít tầng, thông thường.
2.2.1.1. Sàn nấm, sàn phẳng
Thường chọn
11
30 40
s
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

Lưu ý: Khi thực hiện những công trình nhà cao tầng, trong thời gian gần
đây, thường hay sử dụng sàn nấm DUL, không dầm. Khi xây tường ngăn
phòng, sẽ có 2 vấn đề cần quan tâm
• Tường sẽ xây không đúng (vì không có) dầm, tải loại dãy. Cần phân tích
thêm nội lực trong sàn nấm, chịu loại tải này, để tránh nội lực phân bố
không đều, dễ gây nứt sàn, thấy trước.
• Khi xây (hay lắp) tường, nếu không chèn kín khe hở m
ặt trên tường (giáp
sàn), tường mỏng; về lâu dài sẽ xuất hiện khe nứt dọc do co ngót theo
mặt tiếp giáp này, ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường công trình.
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

11

R
s
R
R
μξ
=
trong đó: Các giá trị
;
bs
RRtra theo bảng ở mục 2.1.1 và 2.1.2 (file này)
và
()
,
0,85 0,008 ; ; 1 0,5 .
11
1,1
bR RR R
s
sc u
R
R
ω
ω
ξαξξ
ω
σ
=− = =−
⎛⎞
+−
⎜⎟

(∅ 10–40)
vµ Bp-I (∅
4; 5)
R
α

0,443 0,440 0,431 0,421 0,413 0,405 0,396
CII, A-II
R
ξ

0,689 0,681 0,656 0,632 0,612 0,592 0,573

R
α

0,452 0,449 0,441 0,432 0,425 0,417 0,409
CI, A-I
R
ξ

0,708 0,700 0,675 0,651 0,631 0,612 0,593

R
α

0,457 0,455 0,447 0,439 0,432 0,425 0,417
1,0 BÊt kú
ω


iÒu kiÖn
lµm viÖc
cña bª
t«ng γ
b2

Nhãm cèt
thÐp chÞu
kÐo
Ký hiÖu
B12,5 B15 B20 B25 B30 B35 B40
CI, A-I
R
ξ

0,682 0,673 0,645 0,618 0,596 0,575 0,553

R
α

0,449 0,446 0,437 0,427 0,419 0,410 0,400
1,1 BÊt kú
ω

0,784 0,775 0,749 0,722 0,700 0,808 0,810

R
ξ

0,621 0,611 0,580 0,550 0,526 0,650 0,652

2.2.2. Dầm
Đối với các dầm thông thường h>b:
12
33
bh
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

• 1 nhịp:
11
12 10
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

• Nhiều nhịp:
11
18 12
hL
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠

• Console:
11

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

13

Hàm lượng thép trong dầm hợp lý
(1 1.5)%
μ
=
÷ .
2.2.3. Cột
Kích thước tiết diện cột thường chọn theo diện tích truyền tải từ dầm
(sàn) lên, phân đều theo các phương, mỗi tầng. Trên cơ sở đó, xác định được
lực nén và từ lực nén (có gia tăng hệ số để xét thêm ảnh hưởng của Moment),
sẽ tính được tiết diện cột (vuông, chữ nhật, tròn…). Về nguyên tắc, khi truyền
tải không đổi theo chiều cao thì theo “Tính toán tiết diện cộ
t BTCT” – GS
Nguyễn Đình Cống – NXB xây dựng –Hà Nội 2006 / trang 21
s
s
N
mqF
=

trong đó
s
F
diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét

s
m là số sàn phía trên tiết diện đang xét (kể cả sàn mái)

đến 20 kN/m
2
(2T/m
2
) hoặc hơn nữa.

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

14
Kích thước tiết diện cột
0
A
được tính
0
t
b
kN
A
R
=

t
k là hệ số xét ảnh hưởng khác như Moment uốn, hàm lượng cốt thép,
độ mảnh của cột. Xét sự ảnh hưởng này, theo sự phân tích và kinh nghiệm
của người thiết kế, khi ảnh hưởng của moment là lớn, độ mảnh cột lớn (l
0
lớn)
thì lấy
t
k lớn 1.3 1.5


• Có xét động đất:
max
4%
μ
= Tiết diện cột có nên thay đổi hay không???
Kiến nghị
Cột biên và cột góc không thay đổi tiết diện(ảnh hưởng lớn của moment).
Cột giữa
thì thay đổi theo các quan điểm: độ cứng của cột tầng trên
không nhỏ hơn 70% độ cứng của cột tầng dưới liền kề. Nếu 3 tầng giảm độ
cứng liên tục thì tổng mức giảm không vượt quá 50% (mục 2.5.4 - TCXD198-
1997).
2.2.4. Vách cứng
Vách cứng được định nghĩa trong mục 5.1.2 trang 72 TCVN375-2006
có
tiết diện với
4
w
w
l
b
≥ (trong đó,
w
l là chiều dài vách, còn
w
b là bề rộng vách)

thk H
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠
, với H là chiều cao tầng
Tổng
hàm lượng thép dọc trong vách tại mục 3.4.2 – TCXD 198-1997
• Thép thẳng đứng:
max
3.5%
μ
=
;
min
0.4%
μ
=
(động đất yếu);
min
0.6%
μ
=

(động đất trung bình và mạnh).
• Thép ngang:
min
0.25%
μ
= (động đất yếu);

- HOẠT T
ẢI – LL
- GIÓ – W
- ĐỘNG ĐẤT – E
2.3.1. Tĩnh tải – DL
Tĩnh tải bao gồm
- Trọng lượng bản thân
- Tải trọng lớp hoàn thiện
- Tải trọng tường
2.3.1.1. Trọng lượng bản thân
Phần mềm ETABS tự tính theo công thức sau
- Dầm, cột:
bt
gnbh
γ
=
- Sàn, vách:
bt b
gnh
γ
=
trong đó
;bh là các kích thước của dầm cột, còn
b
h là bề dày của sàn,
vách (nhập trong phần Define Frame sections và Wall/Slab sections)

2.5
γ
=

n
Tính toán
(kN/m
2
)
Lớp gạch lát nền 1 20 0.2 1.1 0.22
Lớp vữa lót gạch 4 18 0.72 1.3 0.936
Lớp vữa trát trần 1.5 18 0.27 1.3 0.351
Hệ thống kỹ thuật 0.300 1.1 0.330
Tổng tĩnh tải sàn
1.490 1.837
Báng 2: Sàn phòng họp, siêu thị
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng
γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m

Lớp vữa lót, chống
thấm tạo dốc
5 18 0.9 1.3 1.17
Lớp vữa trát trần 1.5 18 0.27 1.3 0.351
Hệ thống kỹ thuật 0.3 1.1 0.33
Tổng tĩnh tải sàn
1.87 2.291

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

18
Báng 4: Cầu thang
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m
2

Lớp vữa lót tạo dốc 3 18 0.540 1.3 0.702
Lớp chống thấm 3 22 0.660 1.2 0.792
Lớp vữa trát trần 1.5 18 0.270 1.3 0.351
Hệ thống kỹ thuật 0.300 1.1 0.330
Tổng tĩnh tải sàn
2.430 2.967
Báng 6: Sàn đáy hồ nước ngầm
Các lớp
cấu tạo sàn
Chiều
dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ (kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m
2
)
Lớp gạch lát 2 20 0.440 1.1 0.484
Lớp vữa lót - lớp
chống thấm
5 16 0.900 1.3 1.170

×
trong đó
n là hệ số được tính theo bảng sau

Hệ số n
Loại
1 cửa
(sổ/đi)
2 cửa
(sổ+đi)
Tường 100 0.9 0.8
Tường 200 0.8 0.7
Tải trọng kính khung nhôm – thép được cho như bảng sau
Cửa kính khung
nhôm - thép
Chiều dày
(cm)
Trọng lượng
riêng γ
(kN/m
3
)
Tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Tính toán
(kN/m

[]
[
]
[
]
() () () ()
M
Xt CXt KXt Pt++ =
 

trong đó:
[][][]
;;
M
CK lần lượt là ma trận khối lượng, cản và độ cứng
STT Công năng sử dụng Hoạt tải tiêu chuẩn
(kN/m
2
)
Hệ số
n
Hoạt tải tính toán
(kN/m
2
)
1
Sàn văn phòng, phòng
học, bệnh viện …
2.00 1.2
2.4

12
Sàn mái bằng BTCT
không sử dụng
0.75 1.3
0.975
13 Sàn mái tole, ngói 0.30 1.3
0.39
14 Sàn nắp tầng hầm 10 1.2
12
TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

21
(); (); (); ()Xt Xt Xt Pt
 
lần lượt là vectơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị và
tải trọng nút.
Tần số góc
ω
được xác định theo phương trình sau
[
]
[
]
() () 0MXt KXt
+
=


Hệ có n bậc tự do thì sẽ có n tần số dao động riêng. Quan hệ giữa chu kỳ
dao động riêng

chuyên môn
Căn cứ vào số tầng nhà, dạng kết cấu và dạng nền (TCXD229-1999)
TN
α
=

trong đó
N là số tầng nhà

α
là hệ số phụ thuộc vào kết cấu và dạng nền: đối với nền móng
có biến dạng trung bình thì
• 0.064
α
= nếu nhà là khung BTCT toàn khối
• 0.08
α
= nếu nhà là khung thép chèn gạch hoặc bê tông nhẹ. TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi

22
Căn cứ kích thước của nhà và dạng kết cấu (TCXD229-1999)
.
H
T
D
μ
=

m là khối lượng tập trung mỗi tầng (kN)

EJ là độ cứng chống uốn công trình (kN/m
2
)

H
là chiều cao công trình tính bằng (m)
h là chiều cao mỗi tầng tính bằng (m)
1,2,3
1.875; 4.694; 7.86
α
= ứng với các tần số
123
;;
f
ff.
2.4.1.2. Dùng phần mềm tính toán kết cấu (SAP2000, ETABS…)
Có hai phương pháp
• Sử dụng khối lượng tập trung (Lumped Mass): kết quả gần chính xác
trong các trường hợp kết cấu có các vật nặng đặt sẵn tại các nút.
• Sử dụng khối lượng tương thích (Consistent Mass): kết quả sẽ chính xác
nếu các dạng dao động thực có thể biểu diễn dưới dạng hàm
[]
N
. Tuy
nhiên, các hàm dạng này thường là các hàm dạng khi phân tích tĩnh
nên sự phân bố theo cách này cũng chỉ là gần đúng. Mặc dù vậy, dùng
phương pháp Consistent Mass vẫn đáp ứng được yêu cầu chính xác
hầu hết các bài toán thực tế (Ray W.Clough and Joseph Penzien,

Hm
α
π
=
thay các giá trị
19290m = (kN);
10
3.33 10EJ =×(kN/m
2
); 100H = (m); 4h
=
(m);
1,2,3
1.875; 4.694; 7.86
α
= vào được
123
0.145; 0.911; 2.555fff
=
==(Hz)
Dùng phần mềm SAP
• Sử dụng khối lượng tập trung (Lumped Mass): theo phương y
123
7.75 ; 2.13 ; 1.05TsTsTs===
• Sử dụng khối lượng tương thích (Consistent Mass): theo phương y
123
2.77 ; 0.75 ; 0.36TsTsTs===.

TS. Lương Văn Hải – ThS. Trần Minh Thi


tạo kháng chấn công trình nhiều tầng - NXB Khoa học kỹ thuật,1994).
Khoảng biến thiên của chu kỳ dao động riêng của công trình cao tầng
thông thường (MonoGraph on Planning and Design of Tall Building-Structural
design of Tall Steel Building - American Society of C.E, 1979 và Thiết kế và thi
công kết cấu nhà cao tầng - NXB xây dựng -1996):
(
)
1
0.04 0.1TN=÷ ;
21
11
53
TT
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠
;
31
11
75
TT
⎛⎞
=÷
⎜⎟
⎝⎠trong đó
N

t
C được lấy như sau
0.075
t
c
C
A
= ; với
2
0.2
wi
ci
l
AA
H
⎛⎞
=×+
⎜⎟
⎝⎠
∑

trong đó
c
A
(m
2
) là tổng diện tích hữu hiệu các vách cứng ở tầng đầu tiên

i
A