7
Chơng 1.
Kết cấu Nhà cao tầng bê tông cốt thép và một số giải pháp
hạn chế chuyển vị ngang
1.1 Lịch sử phát triển nhà cao tầng
1.1.1. Nguyên nhân xuất hiện Nhà cao tầng [5]
Sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội dẫn đến tại một số đô thị trên thế giới
dân số ngày càng đông đúc, nhu cầu về nhà ở, văn phòng làm việc, trung tâm thơng
mại, khách sạn, tăng lên đáng kể, trong khi quỹ đất xây dựng lại thiếu trầm trọng
làm giá đất tăng lên. Ngoài ra, để thuận lợi cho quan hệ công tác, việc bố trí nhiều
văn phòng công ty gần nhau cũng là yếu tố thúc đẩy phát triển kinh tế, giảm chi phí
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)

trình cao nhất với chiều cao 319m nhng chỉ sau vài tháng đã bị đánh bại bởi State
Emprire Building cao 344m (102 tầng). Kỷ lục này chỉ giữ đợc đến khi World

9
Trade Center ra đời cao 381m (110 tầng). ở Châu á xu hớng phát triển này cũng
bắt đầu từ những năm 70 mà điển hình là Bank of China Tower HongKong cao
269m (70 tầng); Jin Mao Tower ShangHai cao 421m (86 tầng); Petronas Tower
Malaysia cao 450m (95 tầng)
ở Việt Nam trong những năm gần đây số lợng nhà có số tầng từ 20 trở lên
tăng rất nhanh: SaiGon Plaza 33 tầng, Hanoi Tower 25 tầng, Vetcombank Tower 22
tầng, Khách sạn Melia 22 tầng, KĐT Trung Hòa 34 tầng, Chung c Sông Đà ở
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.

cứng chịu. Nút khung có thể cấu tạo khớp hoặc độ cứng chống uốn của cột bé vô
cùng.
Sơ đồ khung - giằng: hệ khung chịu cả tải trọng đứng và ngang, nút khung phải
là nút cứng.

11
Nhận thấy: tất cả các hệ chịu lực cơ bản và hỗn hợp tạo thành từ các tờng, lõi
và hộp chịu lực đều thuộc sơ đồ giằng. Hệ khung chịu lực đợc xếp vào sơ đồ khung
- giằng. 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

Hệ này đợc tạo thành từ các thanh thẳng đứng (cột) và ngang (dầm) liên kết
cứng tại các chỗ giao nhau giữa chúng (nút). ở nhà khung, các khung phẳng lại liên
kết với nhau qua các thanh ngang tạo thành khối khung không gian có mặt bằng
hình vuông, chữ nhật, tròn, đa giác (Hình 1.3). Khoảng cách giữa các cột thờng từ
4-8m, khoảng cách giữa các dầm bằng chiều cao tầng (2,8-4m). 13 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.
tế, đối với nhà cao tầng, tải trọng ngang bao giờ cũng chiếm u thế nên các tấm
tờng chịu lực đợc thiết kế để vừa chịu tải trọng ngang vừa chịu tải trọng đứng. Các
tấm tờng đợc làm bằng BTCT có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt nên đợc gọi
là vách cứng.
Để đảm bảo độ cứng không gian cho công trình nên bố trí vách cứng theo cả
hai phơng dọc và ngang nhà. Số lợng vách theo mỗi phơng xác định theo khả
năng chịu tải trọng theo phơng đó. Ngoài ra, vách cứng cũng nên bố trí sao cho
công trình không bị xoắn khi chịu tải trọng ngang.

15
Tải trọng ngang đợc truyền đến các tấm tờng chịu tải thông qua hệ các bản
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)
Hình 1.8 Tháp Miglin - Beiler, Chicago [22]
nhà sao cho tâm cứng của công trình trùng với trọng tâm của nó để tránh bị xoắn khi
dao động.
17
Lõi cứng làm việc nh một consol lớn ngàm vào mặt móng công trình, lõi có
tiết diện kín, hở hoàn toàn hoặc nửa hở, tuy nhiên thực tế lõi cứng thờng có tiết
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
ới những công trình cao
chọc trời dạng tháp (Tower).
Hình 1.10 mô tả công trình JinMao Tower ở Thợng Hải cao 421m (87 tầng)
sử dụng hệ kết cấu hộp giàn không gian, trong đó giữa nhà bố trí một lõi bê tông cốt
thép bề dày giảm dần từ 0,84m đến 0,46m, và một hệ giàn thép bao bên ngoài công
trình liên kết các hệ cột ở biên. Hình 1.9 Hệ hộp chịu lực [10]

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

19

(b) Mặt bằng



Hình 1.12 Nhà có Vách cứng dạng dàn [10]

21
Dới tác dụng của tải trọng ngang, các dàn ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực
dọc giữa các cột khung, cản trở chuyển vị xoay của cả hệ và làm giảm mômen uốn ở
phần dới khung.
1.4.2. Hệ khung vách
Kết cấu khung có độ cứng chống uốn tốt nhng độ cứng chống cắt kém, còn
kết cấu vách có độ cứng chống cắt tốt nhng độ cứng chống uốn kém. Khi chịu tải
trọng ngang khung có xu hớng chịu biến dạng do cắt còn vách cứng có xu hớng
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. khung - vách - lõi [22]

Khi bố trí hệ kết cấu khung vách lõi cần chú ý:
- Bố trí các hệ lõi đối xứng ở tâm nhà để tăng khả năng chịu uốn .
Hình 1.14. Mặt bằng tầng điển hình của công trình sử dụng hệ kết cấu

23
- Bố trí các vách phẳng kết hợp với hệ khung phẳng ở biên để vừa chịu uốn vừa
chịu cắt đồng thời tăng khả năng chống xoắn.
1.4.5. Hệ hộp lõi
Hệ hỗn hợp này đợc sử dụng ở những công trình có chiều cao lớn, mặt bằng
rộng. Khi đó hệ lõi đợc bố trí ở giữa nhà để chịu tải trọng đứng và một phần
mômen uốn và lực cắt còn hệ hộp đóng vai trò chính để chịu uốn, cắt, xoắn do tải
trọng ngang gây ra. Hình 1.15 mô tả công trình sử dụng hệ kết cấu hộp - lõi không
gian có liên kết theo phơng đờng chéo (bằng cách chèn cứng khoảng trống giữa
cột và dầm của hệ hộp biên theo phơng đờng chéo).
ợc xây dựng tại Hồng Kông
(Nguồn: Structure Magazine of NCSEA, June 2009)
Hình 1.16. Một công trình Bê tông cốt thép có dầm truyền đ

a) b) c)
Hình 1.17. Sơ đồ kết cấu có dầm truyền trong NCT [7]
a) Cột 2 nhánh, nhà ở (Berlin, Đức); b) Cột 3 nhánh, nhà ở (Berlin, Đức); c) Dầm truyền
dạng KC dàn (San Fransico)

25
1.5.2. Kết cấu có tầng cứng và các ví dụ
Trong kết cấu hộp - lõi, mặc dù cả hộp và lõi đều đợc xem là kết cấu chịu tải
trong ngang, song các dầm sàn có độ cứng bé trong khi khoảng cách từ lõi đến hộp
lớn nên thực chất phần lớn tải ngang do lõi gánh chịu. Hiện tợng này làm cho kết
cấu hộp ngoài làm việc không hiệu quả. Để khắc phục hiện tợng này, tại một số
tầng ta tạo ra các dầm ngang hoặc các dàn có độ cứng lớn nối lõi cứng với các hộp
ngoài.
Dới tác dụng của tải trọng ngang, lõi cứng bị uốn làm cho các dầm này bị
chuyển vị theo phơng thẳng đứng và tác dụng lên các cột của hộp ngoài các lực
theo phơng thẳng đứng, mặc dù các cột có độ cứng chống uốn nhỏ song độ cứng
dọc trục lớn nên đã cản trở sự chuyển vị của các dầm cứng và kết quả là chống lại sự
chuyển vị ngang của cả công trình.
Trong thực tế các dầm cứng này đợc bố trí tại các tầng kỹ thuật và có chiều
cao bằng cả tầng nhà nên ngời ta gọi là tầng cứng (viết tắt theo Tiếng Anh là OTR
- Outrigger). Số tầng cứng trong NCT thờng là 1, 2 hoặc 3 tầng.
- Nếu bố trí 1 tầng cứng: đặt tại cao độ sát mái.
- Nếu bố trí 2 tầng cứng: 1 tầng đặt tại cao độ sát mái, 1 tầng ở giữa chiều cao
nhà.

a) b) c)
Hình 1.19. Biểu đồ momen trong lõi cứng khi có và không có tầng cứng [5]

27

Hình 1.
Việt Nam cao 262, trực thăng, tòa
nhà đ Nam. Mặt bằng
các tầng có hình Oval và kh
Giải pháp k T có bố trí
01 tầng cứng, tầ ở vị trí các tầng 29 và 30.
Tầng cứng là dạng hệ than
biên có bổ sung 04 vá
cứng.
Liên kết củ ợc tính toán chi

29
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
2.1. Sự làm việc của kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng
2.1.1. Kết cấu Nhà cao tầng có tầng cứng [22]
Xét một kết cấu Nhà cao tầng có 1 tầng cứng ở đỉnh chịu tác dụng của tải trọng
gió trên suốt chiều cao công trình. Độ cứng của kết cấu chịu tải trọng đứng và ngang
đợc coi là không đổi trên suốt chiều cao. Công trình làm việc trong giai đoạn đàn
hồi tuyến tính.
Mặc dù kết cấu có các dầm biên liên kết và giằng các cột biên lại với nhau, tuy
nhiên có thể coi ảnh hởng của các cột biên này đợc thay thế bởi hai cột tơng
đơng tại hai đầu của tầng cứng. Lúc này các cột biên sẽ chịu kéo hay nén tùy theo
chiều tác dụng của tải trọng. Có thể quan niệm tầng cứng nh một liên kết đàn hồi
có độ cứng đợc xác định từ điều kiện chuyển vị đơn vị của lõi cứng.
Sơ đồ tính toán trờng hợp này đợc trình bày ở hình 2.2. Góc xoay của lõi
cứng khi vị trí tầng cứng tại đỉnh công trình:
Lws


=
(2.1), trong đó:
w

- góc xoay của công trình dới tác dụng của tải trọng ngang phân bố đều
W, tính theo radian;
s

- góc xoay của tầng cứng (đầu cuối của thanh consol), đợc coi nh liên
kết đàn hồi (spring) tại z = L, tính theo radian; Dấu thể hiện góc xoay của tầng
cứng có hớng ngợc lại với góc xoay của công trình khi chịu tải trọng ngang.

L

- góc xoay thực tế của tầng cứng tại đỉnh, tính theo radian.
Với kết cấu công trình dạng con sol, có momen quán tính I không đổi, momen
đàn hồi E không đổi chịu tác dụng của tải trọng ngang phân bố đều W thì ta có:
3
6
w
WL
E
I

=

=
+
(2.5);

31
Hình 2.2 Sơ đồ tính toán NCT có 1 tầng cứng ở đỉnh [22]

Chuyển vị tại đỉnh công trình:
2422
1
1 1
()
8224
load spring
MLWL L WL

(2.8)