Bộ giáo dục và đào tạo Bộ xây dựng
Trờng đại học kiến trúc H nội nguyễn tất tâm tính toán kết cấu nh cao tầng bê tông
cốt thép Có TầNG CứNG chịu TáC Động của
động đất theo tcxdvn 375 - 2006 luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Hà nội - 2010

.
T
T
s
s
.
.n
n
g
g
u
u
y
y
ễ
ễ
n
nt
t
i
i
ế
ế
n

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô giáo, các Cán bộ của khoa
Đào tạo Sau đại học, thuộc Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ dẫn
trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện
tốt nhất cho tác giả học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những ngời bạn đã luôn
nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành tốt Luận văn này.
Do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và trình độ của tác giả có hạn, mặc
dù đã hết sức cố gắng nhng trong Luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót, tác
giả rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn
đồng nghiệp để Luận văn hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010
Tác giả Luận văn Nguyễn Tất Tâm
lời cam đoan

Tên tôi là: Nguyễn Tất Tâm
Sinh ngày: 01 - 01 - 1979
Nơi sinh: Thạch Linh, Thạch Hà, Hà Tĩnh

1.1.1. Nguyên nhân xuất hiện Nhà cao tầng 7
1.1.2. Định nghĩa và Phân loại Nhà cao tầng 7
1.1.3. Lịch sử phát triển nhà cao tầng 8
1.2. Các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng. Nguyên tắc bố trí
kết cấu chịu tải trọng ngang 9
1.2.1. Các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng 9
1.2.2. Sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng 10
1.2.3. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang 11
1.3. Các hệ kết cấu chịu lực cơ bản 12
1.3.1. Hệ khung chịu lực (I) 12
1.3.2. Hệ tờng chịu lực (II) 14
1.3.3. Hệ lõi chịu lực (III) 15
1.3.4. Hệ hộp chịu lực (IV) 17
1.4. Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp 19
1.4.1. Hệ khung - giằng 19
1.4.2. Hệ khung - vách 21
1.4.3. Hệ khung - lõi 22
1.4.4. Hệ khung - vách - lõi 22
1.4.5. Hệ hộp - lõi 23 2
1.5. Các hệ kết cấu đặc biệt 23
1.5.1. Kết cấu có hệ dầm truyền 23
1.5.2. Kết cấu có tầng cứng và các ví dụ 25
Chơng 2. ảnh hởng của tầng cứng đến khả năng chịu tải
trọng ngang của kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép. ví
dụ tính toán 29
2.1. Sự làm việc của kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng 29
2.1.1. Kết cấu Nhà cao tầng có tầng cứng 29

3.4.2. Phơng pháp Phân tích phổ phản ứng dạng dao động 59
3.4.3. Tổ hợp các hệ quả của các thành phần tác động động đất 59
3.5. Tính toán Kết cấu Nhà cao tầng Bê tông cốt thép có tầng cứng chịu tác động
động đất 60
3.5.1. Tính toán mô hình MH9 chịu động đất theo TCXDVN 375: 2006 61
3.5.2. Các kết quả tính toán và các Bảng so sánh 64
3.6. Tính toán vị trí tối u của tầng cứng thứ hai khi tầng cứng thứ nhất bố trí cố
định tại đỉnh công trình 83
3.6.1. Các mô hình tính toán 83
3.6.2. Kết quả tính toán 84
Kết luận và kiến nghị 87
Tài liệu tham khảo 88
Phụ lục PL1 đến PL15
4

Mở đầu
Lý do chọn đề tài
Bớc sang thế kỷ 21, việc đô thị hoá và xây dựng nhà cao tầng đang là vấn đề
thời sự nóng bỏng của nớc ta. Khi thiết kế những công trình cao tầng, ngoài các
loại tải trọng thông thờng, đòi hỏi ngời làm công tác t vấn thiết kế phải xem xét
kỹ lỡng đến sự tác động của động đất lên công trình.
Động đất thực sự là một thảm hoạ của thiên nhiên đối với sự sống của con
ngời trên trái đất, tuy nhiên không phải tất cả các công trình đều bị phá huỷ sau
động đất mà ta vẫn có thể nghiên cứu, xây dựng đợc những công trình có khả năng
chống động đất ở những cấp độ nào đó.
Để tăng độ cứng khi chịu tải trọng ngang cho công trình, các nhà cao tầng
thờng đợc bố trí thêm tầng cứng (có thể kết hợp làm tầng kỹ thuật). Là một ngời

thiết kế.
- Mô hình hóa các dạng kết cấu nhà cao tầng bằng phơng pháp phần tử hữu
hạn xác định vị trí tối u của tầng cứng cho công trình có tầng cứng chịu tải trọng
ngang tĩnh và động đất.
Phạm vi nghiên cứu
- Các công trình nhà cao tầng, kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực có
tầng cứng.
- Vị trí tối u của tầng cứng trong nhà cao tầng có một tầng cứng, nhà cao
tầng có hai tầng cứng chịu tải trọng ngang tĩnh.
- Phơng pháp phổ phản ứng trong tính toán nhà cao tầng chịu tác động động
đất.
- Vị trí tối u của tầng cứng trong nhà cao tầng có một tầng cứng, nhà cao
tầng có hai tầng cứng chịu tác động động đất.
Phơng pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết tính toán tác động của động đất lên công trình theo các
phơng pháp khác nhau.
- Tìm hiểu lý thuyết tính toán tác động của động đất theo Phổ phản ứng trong
TCXDVN 375 - 2006.
- Phân tích, tính toán các dạng dao động riêng, chu kỳ, biên độ và tải trọng
động đất tác động lên Nhà cao tầng có tầng cứng bằng phơng pháp phần tử hữu
hạn.

6
- So sánh, tổng hợp và rút ra nhận xét, kết luận.
ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- ý nghĩa khoa học: Bài toán tìm vị trí tối u của các tầng cứng trong nhà cao
tầng khi chịu tải trọng ngang tĩnh (tải gió) và Bài toán tìm vị trí tối u của các tầng
cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng ngang động (động đất) là các bài toán
khác nhau. Bài toán tìm vị trí tối u của tầng cứng khi chịu tải trọng ngang tĩnh thì
đơn giản hơn, có thể tính toán bằng thủ công (nếu chấp nhận một số giả thiết tính

vận hành Điều này đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển của Nhà cao tầng.
1.1.2. Định nghĩa và Phân loại Nhà cao tầng
Định nghĩa [10]: Theo ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: Ngôi nhà mà 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 thờng đợc gọi là Nhà cao tầng. Có thể định nghĩa theo cách
khác: Nhà cao tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hởng tới ý đồ và cách
thức thiết kế.
Phân loại:
Phân loại theo mục đích sử dụng:
- Nhà ở
- Nhà làm việc và các dịch vụ khác.
- Khách sạn.
Phân loại theo hình dạng:
- Nhà tháp: mặt bằng hình tròn, tam giác, vuông, đa giác đều cạnh, trong đó
giao thông theo phơng đứng tập trung vào một khu vực duy nhất.
- Nhà dạng thanh: mặt bằng chữ nhật, trong đó có nhiều đơn vị giao thông theo
phơng thẳng đứng.
Phân loại theo chiều cao nhà:
- Nhà cao tầng loại 1: 09 16 tầng (cao nhất 50m)

8
- Nhà cao tầng loại 2: 17 25 tầng (cao nhất 75m)
- Nhà cao tầng loại 3: 26 40 tầng (cao nhất 100m)
- Nhà cao tầng loại 4: 40 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 tổ hợp bằng Bê tông cốt thép và thép.
Các nớc trên thế giới tùy theo sự phát triển Nhà cao tầng của mình mà có cách
phân loại khác nhau. Hiện nay ở nớc ta đang có xu hớng theo sự phân loại của ủy

Km10 Nguyễn Trãi 34 tầng; Keangnam Hanoi Landmark Tower 345m (70 tầng),
Trung tâm tài chính Bitexco 262,5m (68 tầng), Hanoi City Complex 195m (65
tầng)
Sự phát triển của nhà cao tầng tạo điều kiện cho sự phát triển các hệ kết cấu chịu
lực đặc biệt là các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang.

1.2. Các hệ kết cấu chịu lực và sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng [10]. Nguyên
tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang
1.2.1. Các hệ kết cấu chịu lực của Nhà cao tầng
Các cấu kiện chịu lực cơ bản bao gồm:
- Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm
- Cấu kiện dạng phẳng: tấm đặc hoặc tấm có lỗ
- Hệ lới thanh dạng dàn phẳng: tấm sàn phẳng hoặc có sờn.
- Cấu kiện không gian: lõi cứng, lới hộp đợc tạo thành bằng cách liên kết
các cấu kiện phẳng hoặc các thanh lại với nhau.
Các hệ kết cấu chịu lực:
Khái niệm: hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu của công
trình nhận các tải trọng và truyền xuống đất nền, chúng tạo thành từ một hay nhiều
loại cấu kiện cơ bản ở trên.
Các hệ kết cấu chịu lực đợc chia thành 2 nhóm:
- Nhóm các hệ cơ bản: hệ khung (I), hệ tờng (II), hệ lõi (III), hệ hộp (IV).
- Nhóm các hệ hỗn hợp tạo thành từ sự kết hợp hai hay nhiều hệ cơ bản trên.

10

Hình 1.2 Các sơ đồ làm việc của Nhà cao tầng [10]
a). Sơ đồ giằng b). Sơ đồ khung - giằng

1.2.3. Nguyên tắc bố trí kết cấu chịu tải trọng ngang [4]
Dới tác dụng của tải trọng ngang trong công trình có thể xuất hiện ba dạng
nội lực chính: mômen uốn, lực cắt ngang, mômen xoắn (xuất hiện khi tải trọng
ngang đặt lệch với tâm cứng của công trình).
Do sự bố trí của hệ kết cấu, đặc biệt là bố trí trên mặt bằng, mà các nội lực này
đợc phân phối cho các kết cấu thành phần khác nhau. Chính vì vậy việc bố trí kết
cấu trên mặt bằng sao cho phù hợp là hết sức quan trọng.
Để có thể bố trí một cách hợp lý, trớc hết phải thấy đợc ảnh hởng của các
nội lực lên các kết cấu:
Đối với mômen uốn: các kết cấu vuông góc với mặt phẳng uốn và cách xa trục
uốn có xu hớng chịu tải trọng lớn, nhất là các kết cấu ở biên. Ngoài ra các kết cấu
nằm trong mặt phẳng uốn có mômen quán tính lớn cũng có tác dụng chống uốn theo
phơng đó tốt. Bởi vậy, để tăng khả năng chống uốn do tải trong ngang gây ra, nên
bố trí các kết cấu có tiết diện ngang lớn ra càng ra gần biên vuông góc với mặt
phẳng uốn càng tốt và bố trí một số kết cấu có kích thớc theo phơng mặt phẳng
uốn đợc kéo dài. Đồng thời liên kết các hệ kết cấu biên thành một hệ liên tục để có
độ cứng chống uốn tổng thể cao.

12
Đối với lực cắt ngang: các kết cấu có diện tích tiết diện ngang lớn, kết cấu càng
nằm ở tâm công trình có khả năng phải tiếp nhận tải trọng lớn. Các kết cấu có dạng
Hình 1.3 Nhà có Hệ khung chịu lực [10]

Hệ kết cấu khung sử dụng hiệu quả cho công trình có không gian lớn, bố trí
nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại công trình. Tuy nhiên Hệ khung có khả
năng chịu cắt theo phơng ngang kém, ngoài ra hệ thống dầm thờng có chiều cao
lớn nên ảnh hởng đến không gian sử dụng và làm tăng độ cao của công trình. Hình 1.4 Tháp Bảo tàng The Museum Tower, Los Angeles [22]
(a) Tổng thể công trình; (b) Hệ kết cấu chịu lực

14
Chiều cao nhà thích hợp cho Kết cấu BTCT là không quá 30 tầng. Nếu trong

sàn đợc xem là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng. Do đó các vách cứng
làm việc nh những dầm công xon có chiều cao tiết diện lớn. Khả năng chịu tải của
các vách cứng phụ thuộc nhiều vào hình dáng và kích thớc tiết diện ngang của nó.
Các vách cứng thờng bị giảm yếu do có các lỗ cửa, số lợng, vị trí, kích thớc lỗ
cửa ảnh hởng quyết định đến khả năng làm việc của chúng.
- Các vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phơng ngang
lớn.
- Khả năng chịu động đất tốt: kết quả nghiên cứu thiệt hại do các trận động đất
lớn gây ra, ví dụ trận động đất vào tháng 2 năm 1971 ở California (Hoa Kỳ), tháng
12 năm 1972 ở Nicaragua, năm 1977 ở Rumania cho thấy rằng: các công trình có
vách cứng bị h hỏng tơng đối nhẹ, trong khi các công trình có kết cấu khung bị h
hỏng nặng hoặc sụp đổ.
- Hệ vách cứng có trọng lợng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất
tác động lên công trình có giá trị lớn. Đây là đặc điểm bất lợi cho công trình thiết kế
chịu động đất.
- Hệ kết cấu này thích hợp cho các công trình mà có không gian bị ngăn chia
bên trong nh nhà ở, khách sạn, bệnh viện và cho các công trình có chiều cao
dới 40 tầng.
1.3.3. Hệ lõi chịu lực (III)
Lõi có dạng vỏ hộp rỗng tiết diện kín hoặc hở, chịu tải trọng đứng và ngang tác
dụng lên công trình và truyền xuống đất nền. Lõi có thể xem là sự kết hợp của nhiều
tấm tờng theo các phơng khác nhau. Trong lõi có thể bố trí hệ thống kỹ thuật,
thang bộ, thang máy Sau đây là một số cách bố trí thông dụng.
- Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác (kín hoặc hở).
Hình 1.6 Hình dạng các Vách cứng [10]

Các đặc điểm cơ bản của Hệ tờng chịu lực:

16
- Nhà có một lõi hoặc hai lõi

diện hở hoặc nửa hở.
Đây là hệ kết cấu đợc sử dụng khá phổ biến, có thể sử dụng cho những công
trình có số tầng lên đến 60-70 tầng.
Hình 1.8 mô tả công trình The Miglin-Beiler Tower ở Chicago (Hoa Kỳ) có
phần kết cấu thân không kể tháp thép ở trên cao 443,2m sử dụng hệ kết cấu lõi chịu
lực, trong đó ở giữa công trình đặt một lõi bê tông cốt thép chịu lực chính có bề dày
giảm dần từ 0,91m đến 0,46m, ngoài ra xung quanh đợc bố trí thêm một số cột
thép rỗng nhồi bê tông và một số dàn thép ở biên để tăng độ cứng tổng thể.
1.3.4. Hệ hộp chịu lực (IV)
Xuất phát từ sự phát triển của vật liệu bê tông cốt thép, nhiều công trình có
chiều cao lớn đã đợc xây dựng. Sau một thời gian thực tế đã chứng minh rằng với
những công trình quá cao (trên 30 tầng) thì việc sử dụng hệ kết cấu khung là không
kinh tế do kích thớc của dầm và cột quá lớn ảnh hởng nhiều đến không gian sử
dụng, kết cấu móng. Nếu sử dụng các hệ vách, lõi ở bên trong công trình thì thờng
công trình không đủ độ cứng, độ ổn định tổng thể cần thiết. Từ đó hệ kết cấu hộp
xuất hiện nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra cho công trình siêu cao tầng.
Hệ kết cấu gồm các cột đặt dày đặc trên toàn bộ chu vi công trình đợc liên
kết với nhau nhờ hệ thống dầm ngang gọi là kết cấu hộp (còn gọi là kết cấu ống).
Hệ hộp chịu tất cả tải trọng đứng và tải trọng ngang. Các bản sàn đợc gối lên
các kết cấu chịu tải nằm trong mặt phẳng tờng ngoài mà không cần các kết cấu
trung gian khác bên trong. Khi các cột đặt tha nhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ
khung, khi các cột đặt kề nhau và hệ dầm có độ cứng lớn thì dới tác dụng của tải
trọng ngang kết cấu làm việc nh một consol. Trong thực tế, khoảng cách giữa các
cột biên đặt theo một mức độ cho phép cho nên kết cấu ống, thực chất nằm trung
gian giữa sơ đồ biến dạng consol và sơ đồ khung.
Các giải pháp kết cấu cho vỏ hộp:
- Dùng các lới ô vuông tạo thành từ các cột đặt cách nhau ở khoảng cách bé
với các dầm ngang có chiều cao lớn. Hệ kết cấu này rất phù hợp với bản chất toàn

18


Nhìn chung hệ hộp là hệ kết cấu đợc sử dụng chính v

19

(b) Mặt bằng (a) Mặt đứng

Hình 1.10 Tháp JinMao, Thợng Hải [22]

1.4. Các hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp [7]
1.4.1. Hệ khung giằng
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 đợc tạo thành sẽ làm việc
nh một vách cứng thẳng đứng, cột và dầm làm việc nh các phần tử chịu uốn còn
các thanh giằng chịu lực theo phơng dọc trục.

chịu biến dạng do uốn nên hai hệ này sẽ bổ sung cho nhau khi chịu uốn cắt đồng
thời, do vậy:
- Các vách cứng thờng đợc bố trí thành các dạng tổ hợp chữ C, I để tăng khả
năng chống uốn.
- Kéo dài các vách theo phơng mặt phẳng uốn.
- Bố trí các vách phẳng sao cho tâm cứng của hệ vách trùng với tâm đặt tải
trọng và hạn chế bố trí nhiều hơn 3 vách đồng quy (vì giảm khả năng chống xoắn).
- Đa các khung và một số vách phẳng ra biên để chịu lực cắt và mômen xoắn.
Hình 1.13 Mặt bằng tầng điển hình của công trình có hệ KC khung - vách [22]