Bài giảng Kiến cấu nhà thép - Chương 3: Kết cấu thép nhà cao tầng

CHƯƠNG 3: KCT NHÀ CAO TẦNG BG: KẾT CẤU NHÀ THÉP ThS. PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 1 PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 1 CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) §3.1. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CAO TẦNG (Introduction) 3.1.1. Định nghĩa và phân loại (Define and classify): Nhà cao tầng là một công trình xây dựng lớn và phức tạp. Thiết kế và xây dựng nhà cao tầng đòi hỏi nhiều tri thức và kinh nghiệm liên quan đến nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau. Nhà cao tầng có thể định nghĩa là: Một công trình xây dựng được xem là cao tầng tại một vùng hoặc một thời kỳ nào đó nếu chiều cao của nó quyết định đến các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với các ngôi nhà nhà khác.(Theo Ủy ban quốc tế về nhà cao tầng) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 2 3.1.1. Định nghĩa và phân loại (Define and classify): Phân loại nhà cao tầng : + Theo chức năng sử dụng: -Nhà ở (Căn hộ cho thuê, chung cư ); -Nhà làm việc (văn phòng cho thuê, trụ sở ); -Bệnh viện; -Siêu thị (trung tâm thương mại) CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 3 3.1.1. Định nghĩa và phân loại (Define and classify): Phân loại nhà cao tầng : + Theo chiều cao: - Nhóm I: 9 – 16 tầng (H < 50m) - Nhóm II: 17 – 25 tầng (H < 75m) - Nhóm III: 26 – 40 tầng (H < 100m) - Nhóm IV: “Siêu cao tầng” > 40 tầng (H > 100m) CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 4 3.1.1. Định nghĩa và phân loại (Define and classify): Phân loại nhà cao tầng : + Theo hình thức kết cấu chịu lực - Kết cấu chịu lực chính: tấm tường, vách. - Kết cấu chịu lực chính: hệ thanh (khung, giằng). - Kết cấu chịu lực chính: Hệ kết hợp: Tường, khung, lõi. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) CHƯƠNG 3: KCT NHÀ CAO TẦNG BG: KẾT CẤU NHÀ THÉP ThS. PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 2 PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 5 3.1.1. Định nghĩa và phân loại (Define and classify): Phân loại nhà cao tầng : + Theo hình thức xây dựng - Nhà cao tầng xây dựng hàng loạt (nhà ở). - Nhà cao tầng xây dựng cá biệt, đơn chiếc (siêu thị, vp ..). CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) 6 3.1.2. Những đặc điểm cơ bản của nhà cao tầng (Characteristics) - Chịu trọng lượng bản thân và tải trọng sử dụng thường rất lớn; - Đa số các công trình đều chọn giải pháp móng sâu; - Nhạy cảm với độ lún lệch của móng; - Chịu ảnh hưởng nhiều của tại trọng ngang, tải trọng lệch, sự thay đổi nhiệt độ; - Để giảm dao động, cần giảm khối lượng tham gia dao động và phân bố khối lượng hợp lý dọc theo chiều cao nhà; - Yêu cầu về trình độ kỹ thuật, máy móc thiết bị, quy trình kỹ thuật và tổ chức thi công cao hơn so với các công trình xây dựng thông thường; - Các yếu tố về môi trường, thông gió, cấp thoát nước và giao thông chủ yếu theo phương đứng. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 7 3.1.3. Những ưu điểm cơ bản của nhà cao tầng bằng kết cấu thép (The basic advantages of high-rise buildings with steel structure) - Các cấu kiện (cột – dầm) được chế tạo trong nhà máy và đem lắp đặt tại công trường nên dễ dàng kiểm soát về chất lượng; - Quá trình thi công lắp ghép nhanh, ứng dụng được công nghệ thi công hiện đại và nhanh chóng đưa công trình vào sử dụng; - Sử dụng ít nhân công, giảm thiểu rủi ro; - Thi công được trong mọi thời tiết, chịu đựng động đất tốt hơn cột bê tông cốt thép toàn khối, do nó chịu biến dạng tốt hơn; - Tải trọng truyền xuống móng giảm 30-40% ... Đặc biệt công nghệ mới giúp thi công nhanh hơn, vì thế giá công trình sẽ giảm. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 8 CHƯƠNG 3: KCT NHÀ CAO TẦNG BG: KẾT CẤU NHÀ THÉP ThS. PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 3 PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 9 3.1.4. Thực trạng của nhà cao tầng bằng kết cấu thép tại Việt Nam - Nhu cầu nhà ở tại Việt Nam đang là một vần đề bức xúc trong xu thế đô thị hóa hiện nay. Với tốc độ tăng dân số của thành thị hiện nay, nếu cứ xây dựng bằng công nghệ lạc hậu sẽ không biết đến bao giờ mới có đủ nhà cho dân. Vấn đề đặt ra là công nghệ xây dựng hiện đại. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 10 3.1.4. Thực trạng của nhà cao tầng bằng kết cấu thép tại Việt Nam - Cần xây dựng, lắp ráp những nhà máy chuyên sản xuất kết cấu thép cho nhà cao tầng (hiện tại đã có một nhà máy ở Hải Dương). CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 11 3.1.4. Thực trạng của nhà cao tầng bằng kết cấu thép tại Việt Nam - Có vô số khó khăn, thí dụ những nhà cao ốc sẽ sử dụng loại kết cấu này phải có thiết kế riêng cho nó phải được cơ quan kiểm định Việt Nam duyệt, vốn xây nhà máy khá lớn và cần có đội ngũ kỹ sư, công nhân để tiếp nhận, vận hành ... CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 12 § 3.2. KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ CAO TẦNG 3.2.1 Các dạng kết cấu chịu lực cơ bản: Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống. Cấu kiện dạng phẳng: Cấu kiện dạng không gian: 3.2.2 Các dạng hệ kết cấu chịu lực cơ bản: - Hệ chỉ gồm một loại cấu kiện chịu lực cơ bản: Hệ thanh (I). Hệ vách cứng (II). Hệ lõi (III). Hệ hộp (IV). - Hệ được tổ hợp từ hai hay nhiều cấu kiện chịu lực cơ bản: CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) CHƯƠNG 3: KCT NHÀ CAO TẦNG BG: KẾT CẤU NHÀ THÉP ThS. PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 4 PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 13 Hệ thanh (I). Hệ vách cứng (II). Hệ lõi (III). Hệ hộp (IV). CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 14 CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 15 CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 16 § 3.3. MỘT SỐ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ 3.3.1 Các nguyên lý cơ bản a. Vật liệu xây dựng công trình: Vật liệu có cường độ cao, trọng lượng bản thân nhỏ. Vật liệu có tính biến dạng lớn. Vật liệu có khả năng chịu mỏi. Vật liệu có tính đồng nhất, đẳng hướng. b. Hình dáng công trình: - Hình dáng mặt bằng cần đơn giản, gọn, đối xứng và có độ cứng chống xoắn lớn. - Hình khối công trình cần cân đối, đơn điệu và liên tục. c. Độ cứng công trình: Dọc theo chiều cao nhà và theo phương ngang nhà không nên thay đổi độ cứng và cường độ. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) CHƯƠNG 3: KCT NHÀ CAO TẦNG BG: KẾT CẤU NHÀ THÉP ThS. PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 5 PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 17 3.3.2. Bố trí kết cấu trên mặt bằng nhà: a. Lưới cột: CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 18 3.3.2. Bố trí kết cấu trên mặt bằng nhà: a.Lưới cột: CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 19 3.3.2. Bố trí kết cấu trên mặt bằng nhà: a. Lưới cột: CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 20 b. Bố trí kết cấu giằng: CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) CHƯƠNG 3: KCT NHÀ CAO TẦNG BG: KẾT CẤU NHÀ THÉP ThS. PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 6 PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 21 c. Bố trí kết cấu sàn: CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 22 c. Bố trí kết cấu sàn: CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 23 Sơ bộ có thể giả thuyết trọng lượng kết cấu thép (mác thép CT34 hoặc tương đương): g - ( kN/m2 sàn). H, L – Chiều cao nhà, kích thước bé hơn của mặt bằng nhà; q – tổng tải trọng đứng tiêu chuẩn, q ≈ 6 ÷ 10 kN/m2; wo – áp lực gió tiêu chuẩn ở địa phương xây dựng (kN/m2) k – hệ số kinh nghiệm (k = 3,2; 1,6; 2,0; 1,0) 3.4.1. Tải trọng thường xuyên (Dead load) § 3.4. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG (Loads and effects) CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 24 § 3.4. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG 3.4.1. Tải trọng thường xuyên Trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực, chi tiết cấu tạo kiến trúc, thiết bị kỹ thuật. - Trọng lượng bản thân tường và sàn xác định theo kinh nghiệm: + Tấm sàn, tấm tường panen BTCT: 2,5 ÷ 5,0 kN/m2. + Tấm panen rỗng: 0,6 ÷ 1,2 kN/m2. + Tấm tường ngăn, tường BTCT đặc, kể cả trát: 3,0 ÷ 5,0 kN/m2. + Tấm bê tông nhẹ có cốt thép: 1,5 ÷ 2,0 kN/m2. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) CHƯƠNG 3: KCT NHÀ CAO TẦNG BG: KẾT CẤU NHÀ THÉP ThS. PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 7 PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 25 § 3.4. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG 3.4.1. Tải trọng thường xuyên Các nhà cao tầng có kết cấu chịu lực là khung thép thì tải trọng tiêu chuẩn do trọng lượng bản thân của tường, sàn lấy bằng 4 ÷ 7 kN/m2 sàn; do trọng lượng kết cấu chịu lực lấy bằng: 1,5 ÷ 3 kN/m2. Hệ số tin cậy của tải trọng lấy γ = 1,05 ÷ 1,2 phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện thi công, chế tạo. - Áp lực nền đất. - Lực ứng trước trong kết cấu ứng lực trước. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 26 3.4.2 Tải trọng tạm thời: Theo TCVN 2737 – 1995 tuỳ thuộc vào chức năng sử dụng của từng bộ phận công trình. Do số lượng tầng nhiều, xác suất đồng thời xuất hiện cực đại của tất cả là hiếm, phải nhân với hệ số giảm tải đối với tải trọng này. 3.4.3 Tải trọng gió: Gió tác dụng vào công trình gồm hai thành phần: - Thành phần tĩnh: tác động của gió lên công trình. - Thành phần động: sự tăng thêm tác động của gió lên công trình do công trình có dao động sinh ra lực quán tính. Khi nhà có h > 40m và H/L > 1,5 thì phải tính đến tải trọng gió động. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) PHẠM VIẾT HIẾU - DTU 27 3.4.4 Tải trọng động đất: Xác định tải trọng động đất thực chất là xác định lực quán tính do khối lượng công trình bị dao động do động đất. Để xác định tải trọng động đất cần tuân theo các tiêu chuẩn hiện hành (TCVN 9386 – 2012) CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure) 28 § 3.5. TÍNH TOÁN NHÀ CAO TẦNG Trình tự tính toán nhà cao tầng theo cách chính xác: - Lập sơ đồ kết cấu. - Giả thiết kích thước tiết dịên của các cấu kiện. - Giải bài toán động để xác định các đại lượng đặc trưng động học: tần số, chu kỳ, biên độ dao động. - Xác định cụ thể từng trường hợp tải trọng tác dụng lên công trình ( trị số, điểm đặt, phương chiều). - Lần lượt giải bài toán với từng trường hợp tác dụng riêng lẽ. - Thống kê, tổ hợp nội lực tìm ra các trường hợp bất lợi nhất cho các tiết diện. - Kiểm tra tiết diện đã giả thiết, tiến hành điều chỉnh cần thiết. - Tính toán và cấu tạo mối nối. CHƯƠNG III: KẾT CẤU THÉP NHÀ CAO TẦNG (high-rise steel structure)