Hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng

Do số lượng tầng nhiều nên tải trọng bản thân và tải trọng sử dụng thường rất lớn, thường bố trí trên mặt bằng nhỏ, nên cấu tạo móng rất phức tạp. Vì vậy đa số công trình đều lựa chọn giải pháp móng sâu (móng cọc đóng, cọc khoan nhồi..); Nhà cao tầng thường rất nhạy cảm đến độ lún lệch của móng. Nó ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của công trình do độ cao công trình rất lớn; Chịu tác dụng của tải trọng ngang lớn như: gió, động đất …; Sự phân bố độ cứng của công trình theo độ cao nhằm hạn chế chuyển vị ngang cũng như việc giảm khối lượng tham gia các thành phần dao động của công trình có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của công trình; Nhà cao tầng thường có điều kiện thi công phức tạp, quy trình thi công rất nghiêm ngặt và yêu cầu độ chính xác cao; Khả năng đảm bảo về thông gió, cấp thoát nước, phòng chống cháy nổ, giao thông… là rất phức tạp.

Đối với những ngôi nhà có chiều cao từ 40m trở lên, kết cấu chịu lực phải được tính toán cả với thành phần động của tải trọng gió và kiểm tra theo tải trọng động đất từ cấp 7 trở lên  được xem là nhà cao tầng.

Đặc điểm sử dụng vật liệu

Nhà cao tầng yêu cầu khắc khe về vật liệu chịu lực và bao che.

Trong nhà cao tầng các cấu kiện đều chịu các tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang lớn. Để đủ khả năng chịu lực đồng thời đảm bảo tiết diện các kết cấu thanh nhƣ cột, dầm, các kết cấu bản như sàn, tƣờng có kích thước hợp lý, phù hợp với giải pháp  kiến trúc mặt bằng và không gian sử dụng, vật liệu dùng trong kết cấu nhà cao tầng cần có cấp độ bền chịu kéo, nén, cắt cao. Thường dùng bê tông B25 đến B60 (tương đương mác 300 đến 800) và cốt thép có giới hạn chảy từ 300 MPa trở lên.

Bê tông là vật liệu đàn – dẻo, nên có khả năng phân phối lại nội lực trong các kết cấu, sử dụng rất hiệu quả khi chịu tải trọng lặp lại (động đất, gió bão). Bê tông có tính liền khối cao giúp cho các bộ phận kết cấu liên kết lại thành một hệ chịu lực theo các phương tác động của tải trọng. Tuy vậy, bê tông có trọng lƣợng bản thân lớn nên thường được sử dụng có hiệu quả cho các ngôi nhà dƣới 30 tầng. Khi nhà cao trên 30 tầng nhất thiết phải dùng bê tông có cấp cường độ cao, bê tông ứng lực trước hay bê tông cốt cứng (hàm lƣợng cốt thép cứng µ≤15%) hoặc dùng kết cấu thép hoặc kết cấu thép- bê tông liên hợp.

Trong nhà cao tầng thường sử dung các lƣới côt rộng từ 6×6 m2 trở lên nhưng chiều cao tầng điển hình thường không lớn, nên giải pháp kết cấu sàn phải lựa chọn sao cho các dầm đỡ sàn có chiều cao tối thiểu. Bởi vậy bê tông ứng lực trước thường đƣợc sử dụng cho kết cấu sàn đổ toàn khối hay lắp ghép nhất là hệ sàn phẳng không dầm. Ngoài kết cấu chịu lực, kết cấu bao che trong nhà cao tầng cũng chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng khối lượng công trình. Bởi vậy cần sử dụng các vật liệu nhẹ, có khối lượng riêng nhỏ, tạo điều kiện giảm đáng kể không những chỉ dối với tải trọng thẳng đứng mà còn cả đối với tải trọng ngang do lực quán tính gây ra.

Các hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng

Các cấu kiện chịu lực chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao tầng bao gồm:

  • Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống, thanh giằng;
  • Cấu kiện dạng tấm: Tường (vách), sàn.

Trong nhà cao tầng, khi có sự hiện diện của các khung thì tuỳ theo các làm việc của các cột trong khung mà hệ kết cấu chịu lực đƣợc phân thành các loại sơ đồ: sơ đồ
khung; sơ đồ giằng; và sơ đồ khung- giằng. Trong nhà cao tầng, sàn các tầng, ngoài khả năng chịu uốn do tải trọng thẳng đứng, còn phải có độ cứng lớn để không bị biến dạng trong mặt phẳng khi truyền tải trọng ngang vào cột, vách, lõi nên còn gọi là những sàn cứng. Cấu kiện không gian là các vách nhiều cạnh hở hoặc khép kín, tạo thành các hộp bố trí bên trong nhà, đƣợc gọi là lõi cứng. Ngoài lõi cứng bên trong, còn có các dãy cột bố trí theo chu vi nhà với khoảng cách nhỏ tạo thành một hệ khung biến dạng tường vây.

Tiết diện các cột ngoài biên có thể đặc hoặc rỗng. Khi là những cột rỗng hình hộp vuông hoặc hình tròn sẽ tạo nên hệ kết cấu được gọi là ống trong ống. Dạng kết cấu này thường sử dụng trong nhà có chiều cao lớn.

Hệ khung chịu lực

– Các khung ngang và khung dọc liên kết thành 1 khung phẳng hoặc khung không gian, tải lên khung bao gồm tải trong theo phương đứng và phương ngang. Để đảm bảo độ cứng tổng thể cho công trình nút khung phải là nút cứng.

– Dưới tác dụng của tải trọng, các thanh cột và dầm vừa chịu uốn, cắt vừa chịukéo, nén. Chuyển vị của khung gồm 2 thành phần chuyển vị ngang do uốn khung như chuyển vị ngang của thanh côngxon thẳng đứng, tỷ lệ này khoảng 20%. Chuyển vị ngang do biến dạng của các thanh thành phần, chiếm khoảng 80% (trong đó do dầm biến dạng khoảng 65%; do cột biến dạng khoảng 15%).

– Khung có độ cứng ngang bé, khả năng chịu tải không lớn, thông thường khi lưới cột bố trí đều đặn, trên mặt bằng khoảng 6-9 m, chỉ nên áp dụng cho nhà dƣới 30
tầng.
– Về tổng thể, biến dạng ngang của khung cứng thuộc loại biến dạng cắt.
– Khung thuần túy nên sử dụng cho nhà có chiều cao dƣới 40 m. Trong kiến trúc nhà cao tầng luôn có những bộ phận nhƣ hộp thang máy, thang bộ, tường ngăn hoặc bao che liên tục trên chiều cao nhà có thể sử dụng nhƣ lõi, vách cứng nên hệ kết cấu khung chịu lực thuần tuý trên thực tế không tồn tại.

– 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 đƣợc tạo thành sẽ làm việc nhƣ
một vách cứng thẳng đứng. Nếu thiết kế thêm các dàn ngang  ở tầng trên cùng hoặc ở 1 số tầng trung gian liên kết khung còn lại với dàn đứng thì hiệu quả tăng độ cứng sẽ tăng lên và làm giảm thiểu chuyển vị ngang. Dưới tác động của tải trọng ngang, kết cấu dàn ngang sẽ đóng vai trò phân phối lực dọc giữa các cột
khung, cản trở chuyển vị xoay của cả hệ và giảm mômen uốn ở duới khung.

– 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 phương ngang kém. Ngoài ra hệ thống dầm thƣờng có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến không gian sử dụng và làm tăng độ cao của công trình.

– Chiều cao nhà thích hợp cho kết cấu BTCT là không quá 30 tầng. Nếu trong vùng có động đất từ cấp 8 trở lên thì chiều cao khung phải giảm xuống. Chiều cao tối đa của ngôi nhà còn phụ thuộc vào số bước cột, độ lớn các bước, tỷ lệ chiều cao và chiều rộng nhà.