khoa x©y dùng

bµi gi¶ng chuyªn ®Ò: kÕt cÊu nhµ CAO tÇng
B£ T¤NG CèT THÐP 08/ 2014
1

Ch ơng 1
KHáI NIệM CHUNG Về NHà CAO TầNG
1.1. Giới thiệu chung
Hiện nay nhà nhiều tầng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói
riêng tăng nhanh về cả số l ợng và số tầng cao do sự phát triển của kinh tế, sự
gia tăng dân số đô thị và giá đất đô thị, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong
công nghiệp xây dựng.
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành Xây dựng cơ bản
đóng một vai trò hết sức quan trọng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mọi
lĩnh vực khoa học và công nghệ, ngành Xây dựng cơ bản đã có những b ớc

khách sạn Lodge (13 tầng), Khách sạn Hoàn Cầu (22 tầng), Nha Trang Plaza
(40 tầng); Phú An Plaza (18 tầng) ở Cần Thơ Một số công trình cao ốc tiêu
biểu khác sẽ hoàn thành tại Việt Nam nh : Ben Thanh Twin Tower (50 tầng),
Khu Saigon Pearl (40 tầng), Times Square (45 tầng) tại Thành phố Hồ Chí
Minh; tòa nhà Hà Nội City Complex (cao 65 tầng), Keangnam Hanoi
Landmark Tower (70 tầng) tại Hà Nội; Trung tâm hành chính Thành Phố Đà
Nẵng (34 tầng), Novotel Han Riverside (33 tầng) tại Đà Nẵng
Uỷ ban quốc tế về nhà nhiều tầng đã đ a ra định nghĩa: nhà nhiều tầng
là một nhà mà chiều cao của nó ảnh h ởng tới ý đồ và cách thức thiết kế hoặc
nói cách khác tổng quát hơn: một công trình xây dựng đ ợc xem là nhiều tầng
ở tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó quyết định các
điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các nhà thông th ờng.
Theo TCXD 198-1997: nhà cao tầng khi có chiều cao tầng > 40 m .
3

Nhà thấp tầng thiết kế kiến trúc có vai trò quan trọng hơn thiết kế kết
cấu, còn nhà cao tầng cùng với thiết kế kiến trúc, thiết kế kết cấu có vai trò
quan trọng vì nó quyết định đến khả năng chịu lực, bền vững, ổn định của
công trình.
Hình 1.1.
Một số nhà cao tầng ở Việt Nam.

4

Tiêu chuẩn nhà cao tầng có các yêu cầu kỹ thuật cao hơn nhà thấp tầng:
- Tiêu chuẩn phòng cháy:
+ Có tiêu chuẩn báo cháy tự động, khi có cháy thang máy ng ng

trên cũng có thể đối lập nhau. Các u điểm khác nhau sẽ mạnh yếu tuỳ theo
tình trạng về địa điểm, xã hội và văn hoá.
1.2. Phân loại
Đ ợc phân loại theo nhiều cách
1. Phân loại nhà cao tầng theo chiều cao:
- Loại I : từ 9 đến 16 tầng (chiều cao nhà < 50m)
- Loại II : từ 17 đến 22 tầng (chiều cao nhà H= 50-70m)
- Loại II : từ 26 đến 40 tầng (chiều cao nhà H=75-100m)
- Loại IV : siêu cao tầng >40 tầng (chiều cao nhà H>100m)
2. Theo yêu cầu sử dụng
- Nhà ở
- Nhà làm việc và các dịch vụ khác
- Khách sạn
3. Theo hình dáng
- Nhà dạng tháp
- Nhà dạng thanh
4. Theo vật liệu cơ bản
6

- Nhà bằng bê tông cốt thép
- Nhà bằng thép
- Nhà hỗn hợp thép bê tông cốt thép
5. Theo dạng kết cấu chịu lực
- Kết cấu thuần khung
- Kết cấu tấm (vách)
- Kết cấu hệ lõi
- Kết cấu hệ ống
- Kết cấu hỗn hợp
- Yếu tố hình khối nhà: đơn giản, đều đặn, đối xứng, liên tục.
- Có khả năng chịu lửa cao, thoát hiểm an toàn. Có độ bền, tuổi thọ cao.
- Nhà nhiều tầng có trọng l ợng bản thân toàn nhà lớn dần theo số tầng,
gây khó khăn cho việc xử lý móng.
- Khả năng chất đầy hoạt tải trên các tầng sẽ giảm khi số tầng tăng lên.
- Nếu chiều cao nhà lớn hơn 40m thì phải xét đến thành phần động của
tải trọng gió, do đó tổng tải trọng gió sẽ tăng lên.
- Do tính chất quan trọng của công trình và tình hình địa chấn tại từng
khu vực nên cần xét đến tải trọng động đất.
Nh vậy, tải trọng ngang tác dụng lên nhà nhiều tầng là yếu tố ảnh
h ởng quyết định đến hệ kết cấu của nhà và phải đ ợc l u ý từ khi bắt đầu
hình thành các ph ơng án thiết kế.
1.3.1. Giảm nhẹ trọng l ợng bản thân nhà nhiều tầng có ý nghĩa quan
trọng:
Theo sức chịu tải của nền đất, nếu giảm đ ợc trọng l ợng bản thân thì
có thể tăng thêm số tầng nhà. Khi động đất xảy ra, nếu trọng l ợng bản thân
giảm thì hiệu ứng động đất tác dụng vào công trình giảm, nội lực phát sinh
9

trong các cấu kiện giảm, giảm lực cắt của cấu kiện kết cấu. Vì vậy sẽ tiết kiệm
vật liệu, giảm giá thành, tăng không gian sử dụng.
1.3.2. Taới troỹng ngang laỡ yóỳu tọỳ chuớ yóỳu:
Công trình chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang. Đối với
nhà thấp tầng, nội lực do tải trọng ngang sinh ra nhỏ, chuyển vị ngang rất nhỏ,
thành phần chủ yếu ảnh h ởng đến ph ơng án kết cấu công trình là tải trọng
đứng. Đối với nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà tăng lên, nội lực và chuyển vị
do tải trọng ngang sinh ra tăng lên rất nhanh. Giả sử công trình nh một thanh
consol ngàm đứng đơn giản, lực dọc tỷ lệ thuận với chiều cao, momen do tải
trọng ngang sinh ra tỷ lệ thuận với bình ph ơng chiều cao, chuyển vị ngang
sinh tỷ lệ thuận với luỹ thừa 4 chiều cao. Vì vậy tải trọng ngang tác dụng vào

10

của việc tính toán ổn định tổng thể là xác định các tải trọng tới hạn gây ra ba
dạng mất ổn định đã nói ở trên: P
x
th
, P
y
th
, P
t
th

Trong đó:
- P
x
th
- tải trọng tới hạn (thẳng đứng) ứng với mất ổn định theo ph ơng x.
- P
y
th
- tải trọng tới hạn (thẳng đứng) ứng với mất ổn định theo ph ơng y.
- P
t
th
- tải trọng tới hạn (thẳng đứng) ứng với mất ổn định xoắn.
1.3.4. Hạn chế chuyển vị:
Khi chiều cao nhà tăng thì chuyển vị tăng rất nhanh, nếu chuyển vị
ngang quá lớn sẽ làm kết cấu tăng thêm nội lực phụ (đặc biệt là trong các cấu
kiện đứng), độ lệch tâm tăng nhanh, các hệ thống điện n ớc bị nứt và phá

Chúng sinh ra do các hiệu ứng khác nhau của gió, tr ớc tiên chủ yếu là do
hiệu ứng rung gây ra bởi sự hỗn loạn của gió, tiếp đến là do gió xoáy tác dụng
theo các ph ơng. Thành phần gió ph ơng ngang ảnh h ởng cảm giác ng ời sử
dụng vì nó làm tăng gia tốc dao động đối với các công trình có độ mảnh lớn.
Tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá cảm giác của ng ời sử dụng công
trình là gia tốc cực đại đỉnh của công trình mà họ cảm nhận. Vì vậy cần phải
đánh giá đ ợc gia tốc cực đại cho cả gió theo ph ơng dọc và ph ơng ngang.
Công trình có thể dao động ở dạng các dạng sau:
H

2H/3

2H/5 2H/5

Dạng 1 Dạng 2 Dạng 3
12

Bình th ờng chỉ cần quan tâm đến dạng 1. Tr ờng hợp riêng mới quan
tâm đến các dạng khác.
ở dạng dao động 1, chu kỳ dao động T
1
tính theo:
2
1
2
3,52
i
i
Hq
T

=

Gia tốc dao động:

2
()sin
ii
ytyt
ww
ÂÂ
=-
đ

Giá trị lớn nhất của gia tốc dao động ứng với y
iđmax
và sin
w
t = 1. y
iđmax
là
chuyển vị ở đỉnh do thành phần động của tải trọng gió gây ra
2
maxmax
ii
yy
w
ÂÂ
=
đ


H ớng gió

13

max
()
i
ii
i
p
yfH
EJ
h
=
đ
đ

Do đó:
max
i
y
ÂÂ

2
4
3,52
()
ii
i
i

P
đi
= W
đi
b - thành phần động của tải trọng gió /1m chiều cao nhà.
Gia tốc dao động không phụ thuộc trực tiếp vào độ cứng EJ
i
mà phụ
thuộc gián tiếp qua thành phần động của tải trọng gió và hệ số uốn dọc
h
i

Gọi q
0
- trọng l ợng đơn vị thể tích.
0
q
q
ab
=

3
0
0,40,5T/m
q = 00
iii
pWbW


Gia tốc dao động tỷ lệ thuận với thành phần động của tải trọng gió, tỷ lệ
nghịch với bề rộng của ngôi nhà và tỷ lệ nghịch với trọng l ợng trên một đơn
vị thể tích (q kG/m
3
) của ngôi nhà. Để giảm dao động nên tăng bề rộng, tăng
14

trọng l ợng thể tích của nhà. Ng ời ta có thể dùng cốt thép ứng lực tr ớc để
giảm gia tốc dao động của nhà mà không làm cho hệ móng tăng lên giống nh
khi tăng trọng l ợng thể tích của nhà.
1.3.6. Yêu cầu thiết kế chống động đất:
Khi thiết kế nhà nhiều tầng nằm trong vùng động đất phải xét thêm tải
trọng do động đất gây ra. Phải thiết kế kết cấu có tính dẻo tốt, có thể hấp thu
năng l ợng do động đất gây ra, kết cấu có thể duy trì sức chịu tải nhất định.
Phải có giải pháp kết cấu hợp lý và giải pháp cấu tạo đúng cho dầm cột,
khung, vách, lõi Trong thiết kế kháng chấn, thiết kế cấu tạo rất quan trọng.
Theo quan điểm thiết kế kháng chấn hiện đại :
- Khi động đất mạnh nhất xảy ra, kết cấu không bị sụp đổ, chấp nhận
các h hại xảy ra với kết cấu. Bảo đảm kết cấu có khả năng chịu lực lớn trong
miền đàn hồi.
- Tránh sự h hỏng của kết cấu chịu lực và hạn chế sự h hỏng của kết
cấu không chịu lực sau các trận động đất có thể xảy ra một hoặc hai lần trong
thời gian sử dụng kết cấu. Bảo đảm cho kết cấu có khả năng phân tán năng
l ợng khi động đất xảy ra, thông qua biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép .
1.3.7. Các điểm cần l u ý khác:
Nhà nhiều tầng th ờng có một vài tầng tầng hầm, có tác dụng:
- Tăng diện tích sử dụng: làm chỗ đậu xe
- Giảm chiều cao nhà
- Giảm chuyển vị ngang của nhà

16 Ch ơng 2
Nguyên lý thiết kế và cấu tạo
nhà cao tầng
2.1. hệ kết cấu nhà cao tầng
Hệ kết cấu chịu lực của nhà nhiều tầng là bộ phận chủ yếu của công
trình nhận các loại tải trọng và truyền chúng xuống nền đất. Nó đ ợc tạo
thành từ một hoặc nhiều loại cấu kiện cơ bản trên. Có thể phân loại các hệ kết
cấu chịu lực của nhà nhiều tầng thành hai nhóm chính:
- Nhóm các hệ cơ bản: Hệ khung (I), hệ t ờng (II), hệ lõi (III) và hệ hộp
(IV).
- Nhóm các hệ hỗn hợp: tạo thành từ hai hoặc nhiều hệ cơ bản trên.
IV
I
II
III
I-II II-III
II-IV
I-III
I-IV III-IV

17

Hình 2.1. Sơ đồ các hệ kết cấu chịu lực
2.1.1. Các hệ cơ bản:
a. Hệ khung chịu lực (I):
Đặc điểm: Hệ này đ ợc tạo thành từ các thanh đứng (cột) và ngang
(dầm) liên kết cứng tại chỗ giao nhau giữa chúng (nút). Các khung phẳng lại

chịu, các cột trong dùng để truyền lực thẳng đứng. Hệ này cho phép tăng
khoảng cách cột, bố trí kiến trúc linh hoạt, có tr ờng hợp giảm chi phí xây
dựng. Các cột góc có thể bị nhổ, để hạn chế có thể bố trí mặt bằng dạng tròn.
- Hệ khung lắp ghép: Hệ này có u điểm xây lắp nhanh, giảm chi phí
ván khuôn, có thể áp dụng công nghiệp hoá, chất l ợng các cấu kiện có độ tin
cậy cao không bị ảnh h ởng của thời tiết. Nh ợc điểm của hệ này khó đảm
bảo độ dẻo và tính liên tục của liên kết. Th ờng dùng cho các công trình d ới
20 tầng.
- Hệ khung bê tông ứng suất tr ớc: Hệ kết cấu loại này có độ cứng lớn
nên cho phép xây dựng đ ợc các công trình có nhịp lớn và thanh mảnh cao.
Tuy vậy cấu kiện dễ bị mỏi và phá hoại dòn do luôn phải chịu lực căng tr ớc.
- Hệ khung t ờng chèn: Với hệ khung t ờng chèn, độ cứng của nhà
tăng lên rất lớn, độ dẻo của kết cấu giảm. Khi động đất t ờng chèn gây bất lợi
cho kết cấu. Nếu bố trí t ờng không liên tục trên các tầng dẫn đến phân phối
trọng l ợng không đều và sẽ làm tăng lực động đất tại các tầng đó. Do t ờng
chèn có độ cứng không đồng nhất với hệ khung nên sẽ dao động độc lập, vì
vậy t ờng chèn dễ tách ra và sập đổ. Cần có biện pháp neo giữ các t ờng chèn
khi thiết kế.
Hệ kết cấu khung có độ cứng ngang kém, kém hiệu quả khi chiều cao
công trình lớn. Để tăng độ cứng theo ph ơng 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 đ ợc tạo thành sẽ làm việc nh một vách cứng thẳng đứng. Nếu thiết
19

kế thêm các hệ dàn ngang (ở tầng trên cùng và một số tầng trung gian) liên
kết các bộ phận khung còn lại với kết cấu dàn đứng thì hiệu quả chịu tải của
hệ có thể tăng thêm khoảng 30%. D ới tác động của tải trọng ngang, các dàn
ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực dọc giữa các khung cột, cản trở chuyển vị
xoay của hệ và giảm momen uốn ở phần d ới khung.
Khi thiết kế các kết cấu dùng hệ khung cần l u ý:

- Bố trí mặt bằng kém linh hoạt tuy nhiên có thể dùng hệ kết cấu hỗn
hợp để loại bỏ hạn chế này.
- Tải trọng ngang phân phối vào vách nên khi một vách nào đó bị hỏng
thì xác xuất công trình bị sập đổ sẽ cao hơn, móng các vách phải làm việc
nặng hơn.
c. Hệ kết cấu lõi (III):
Đặc điểm: hệ kết cấu vách cứng có thể liên kết với nhau thành các hệ
không gian khép kín gọi là lõi. Đặc điểm quan trọng của loại kết cấu này là
khả năng chịu lực ngang và khả năng chống xoắn rất tốt. Lõi có dạng vỏ hộp
21

rỗng, tiết diện kín hoặc hở, nó là bộ phận nhận toàn bộ tải trọng đứng và
ngang tác động lên công trình và truyền xuống nền đất. Phần không gian bên
trong lõi bố trí các thiết bị vận chuyển theo ph ơng đứng (thang máy, cầu
thang ), các đ ờng ống kỹ thuật (cấp thoát n ớc, điện )
Hình dạng, số l ợng, cách bố trí các lõi cứng chịu lực trong mặt bằng
nhà rất đa dạng:
- Nhà lõi tròn, vuông, chữ nhật, tam giác (kín hoặc hở).
- Nhà có một lõi hoặc nhiều lõi.
- Lõi nằm trong nhà, theo chu vi nhà hoặc ngoài nhà. Lõi cứng có thể
xem nh một dầm consol lớn thẳng đứng. Trong lõi sẽ phát sinh ra các ứng
suất do uốn, cắt và xoắn t ơng tự thành hộp kín. Phản ứng của lõi cứng khi
chịu tải trọng ngang phụ thuộc vào hình dáng, độ cứng và mức độ đồng nhất
của nó cũng nh h ớng tác dụng động lực. Dọc theo chiều cao lõi có nhiều lỗ
cửa, kích th ớc các lỗ cửa quyết định tính chất biến dạng tổng thể của lõi.

Hình 2.3. Hệ lõi chịu lực
d. Hệ hộp chịu lực (IV):
Hệ kết cấu này đ ợc dùng cho các công trình có chiều cao lớn và cực
lớn (trên 40 tầng). Hiện nay các nhà cao tầng nhất trên thế giới dùng giải pháp

nhau, có lợi cho việc giảm kích th ớc dầm cột thuận lợi cho thi công. Kết cấu
khung - vách có khả năng chống động đất t ơng đối tốt.
23

Nhà nhiều tầng nên tránh dùng kết cấu thuần khung, dùng kết cấu
khung - vách có lợi đối với việc hạn chế chuyển vị ngang, giảm nội lực dầm
cột của khung, tiết kiệm vật liệu.
Trong bố trí mặt bằng vách cứng nên phân bố đều, độ cứng các mảng
t ờng nên t ơng đ ơng. Vách cứng nên bố trí trong mặt phẳng trục dầm cột,
vách cứng dọc và ngang liền nhau nên nối liền nhau thành hình chữ L, T để
tăng độ cứng và khả năng chống xoắn. Lỗ trên vách cứng nên bố trí ở phần
giữa tiết diện, vách cứng nên chạy suốt toàn chiều cao công trình, chiều dày
của vách giảm dần dọc chiều cao, tránh thay đổi chiều dày đột ngột làm độ
cứng cũng thay đổi đột ngột. Nếu tầng trên và d ới đều mở lỗ, vị trí trên d ới
nên chỉnh đều, tránh bị lệch. Dầm cột trong kết cấu khung - vách phải đạt
đ ợc cột khoẻ dầm yếu, không cho phép cột xuất hiện khớp dẻo và phá hoại
cắt .

Hình 2.4. Sơ đồ hệ kết cấu khung - vách
Trong tính toán và cấu tạo hệ khung vách chịu lực nhà nhiều tầng,
ng ời ta phân ra nhà có sơ đồ giằng và nhà có sơ đồ khung giằng.
- Sơ đồ giằng: Có thể có các kết cấu cơ bản là lõi, vách và khung, trong
đó lõi vách và khung đều tiếp nhận tải trọng đứng, nh ng khung không tiếp
nhận tải trọng ngang do khung có độ cứng ngang quá bé so với vách và lõi
hoặc có thể khung cấu tạo khớp với cơ chế không tiếp nhận tải trọng ngang.
24

Khi các liên kết cột và dầm là khớp, khung chỉ chịu một phần tải trọng đứng
t ơng ứng với diện tích truyền tải của nó, còn toàn bộ tải trọng ngang do hệ
vách chịu.