Tìm hiểu thiết kế tổng quan về kiến trúc công trình

PHẦN : I KIẾN TRÚC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC CÔNG TRÌNH A/SƠ LƯỢC VỀ CÔNG TRÌNH 1 . VỊ TRÍ VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÔNG TRÌNH: Công trình được xây tại khu quy hoạch dân cư phường 2 & 7 Q10 TP .HCM Trong những năm gần đây, mức độ đô thị hóa ngay càng nhanh, mức sống của người dân ngày một nâng cao kéo theo đó là nhu cầu về sinh hoạt ăn ở, nghỉ ngơi, giải trí cũng tăng lên không ngừng, đòi hỏi một không gian sống tốt hơn, tiện nghi hơn. Mặt khác với xu hướng hội nhập, công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước hòa nhập cùng xu thế phát triển của thời đại nên sự đầu tư xây dựng các công trình nhà ở cao tầng thay thế các công trình thấp tầng, các khu dân cư xuống cấp là rất cần thiết. Bên cạnh đó, việc hình thành các cao ốc văn phòng, chung cư cao tầng không những đáp ứng nhu cầu về cơ sở hạ tầng mà còn góp phần tích cực vào việc tạo nên một bộ mặt cảnh quan đô thị của thành phố, với tầm vóc của một thành phố năng động, hội nhập. Công trình được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu về nhà ở cho nhân dân trong và ngoài thành phố. 2 . ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH: Công trình gồm một tầng trệt và 11 tầng lầu . Công trình có tất cả hai hồ nước mái được đặt trên tầng mái, máy bơm sẽ đưa nước từ dưới lên hai bể nước này, nước từ mỗi hồ nước mái này sẽ dành một nửa cung cấp nước sinh hoạt cho các căn hộ, một nửa của mỗi hồ dành cho việc phòng hỏa. Hệ thống giao thông công trình: gồm có hai thang bộ và bốn thang máy, phục vụ cho việc đi lại của các thành viên trong các căn hộ . Hệ thống điện, điện thoại được đưa tới tất cả các căn hộ . Công trình nằm trong một khu qui hoạch dân cư với nhiều chung cư. Vấn đề thiết kế và qui hoạch kiến trúc của công trình cũng được quan tâm. 3 . MỘT SỐ CÁC THÔNG SỐ VỀ KÍCH THƯỚC CỦA CÔNG TRÌNH: Tổng chiều cao công trình là 38.8m ( tính từ mặt đất ). Tổng chiều dài công trình là 63.35m, tổng chiều rộng là 25m. Tầng trệt cao 4 m Tiện cho việc giao tiếp, họp hành nơi tập thể Các tầng lầu cao 3.2m, bao gồm các căn hộ. 4 . CẤP CÔNG TRÌNH: Do yêu cầu sử dụng lâu dài, đồng thời do yếu tố quan trọng của công trình nên công trình được xây dựng với công trình cấp 1. Bậc chịu lửa: 1. Độ bền vững: 100 năm. B/GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC VÀ QUY HOẠCH Kiến trúc của công trình đảm bảo đúng chức năng là một khối văn phòng làm việc, thể hiện kiến trúc mang tính trang nghiêm nhưng cũng đảm bảo sự hài hòa và phù hợp. Các phân khu của công trình phù hợp với từng chức năng riêng, được bố trí phù hợp với hướng ánh sáng, hướng gió đảm bảo thông thoáng tự nhiên. Mặt bằng bố trí mạch lạc, rõ ràng, thuận lợi cho việc bố trí giao thông trong công trình, đơn giản hơn cho các giải pháp kết cấu và các giải pháp kiến trúc khác. Mặt bằng ít có diện tích phụ. Về mặt tạo hình kiến trúc, kiến trúc của công trình rất phù hợp về chiều cao của công trình bên cạnh. So với các công trình bên cạnh, tuy công trình cao hơn nhưng chiều cao được nâng dần rất hài hòa . Các ô cửa kính khung nhôm, các ban công với các chi tiết cột tròn kết hợp với đường cong của mái tạo thành mảng trang trí độc đáo cho công trình. 1/ Phân Khu Chức Năng Của Công Trình: Công trình bao gồm 11 tầng :tầng trệt. 11 tầng điển hình Phân khu chức năng: Tầng trệt (cao 4m): - Tiện cho việc giao tiếp, họp hành nơi tập thể. - Phòng làm việc chuyên viên . Tầng 1-11 (cao 3.2m): - Là tầng điển hình được bố trí các phòng giống nhau, phân khu chức năng theo chiều cao. - Phòng ở của dân. 2/ Giao Thông Nội Bộ: - Hệ thống giao thông nội bộ được bố trí phù hợp. Giao thông trên từng tầng thông qua hệ thống hành lang rộng rãi vách ngăn nhẹ, dễ di chuyển, chạy dọc và nằm ở hai bên khối tháp của công trình, bảo đảm lưu thông ngắn gọn, tiện lợi đến từng văn phòng của tầng. - Hai hệ thống cầu thang chính được bố trí tại trục giữa hệ thống giao thông phục vụ cho hai khối nhà riêng biệt. Thêm vào đó là hệ thống cầu thang nhỏ nội bộ thỏa mãn nhu cầu giao thông chính. - Ở giữa bố trí hệ thống cầu thang máy giúp tăng độ ổn định của công trình đồng thời liên lạc đến các tầng. Hệ thống bao gồm 4 thang máy khách, mỗi cái 13 người, tốc độ 120mpm, chiều rộng cửa 1000m, đảm bảo nhu cầu lưu thông cho khoảng 200 người với thời gian chờ đợi khoảng 40 giây. 3/ Hệ Thống Cấp Điện: - Nguồn điện được lấy từ mạng lưới của tỉnh 15KW được nối trực tiếp vào mạng lưới điện quốc gia. Ống dẫn điện được đặt ngầm dưới đất đi vào trạm biến thế của công trình. - Điện áp sử dụng: 380/220V. - Điện năng phục vụ cho các khu vực của tòa nhà được cung cấp từ máy biến áp đặt tại tầng trệt theo các ống riêng chạy từ máy biến áp lên các tầng. - Điện dự phòng cho toà nhà do 02 máy phát điện diezel cung cấp. Khi nguồn điện cung cấp chính bị mất vì bất kỳ lý do nào, máy phát điện sẽ cung cấp cho những thiết bị sau: + Hệ thống chiếu sáng. + Biến áp điện và hệ thống cáp. + Các hệ thống phòng cháy chữa cháy. + Hệ thống máy vi tính điều khiển. + Các văn phòng làm việc chính. + Hệ thống thang máy. Hệ thống đường dây điện được đặt ngầm, được bố trí theo yêu cầu an toàn cao, tránh nhiệt, tránh ẩm, dễ sửa chữa khi bị hỏng và dễ thi công. 4/ Hệ Thống Cấp Thoát Nước: - Nước từ hệ thống cấp nước chính của thành phố được bơm trực tiếp vào bể nước đặt tại tầng mái. Việc điều khiển quá trình bơm được thực hiện hoàn toàn tự động thông qua hệ thống van phao tự động. Từ đó theo các đường ống dẫn đến mọi vị trí trong công trình. - Ống được bố trí trong các hệ thống gen kỹ thuật. - Nước mưa trên mái, ban công được thu vào phễu và chảy theo riêng một ống đặt ở 4 cạnh nhà và thoát ra một hệ thống chung. - Nước thải từ các buồng vệ sinh có riêng 1 hệ thống để dẫn về bể xử lý nước thải, sau khi xử lý mới được thoát ra ống chung. 5/ Hệ Thống Chiếu Sáng: Chủ yếu lấy nguồn ánh sáng thiên nhiên với một hệ thống cửa kính phân bố rộng khắp. 6/ Hệ Thống Chống Sét: Tất cả các khu nhà, máy móc đều có dây nối đất. Đo điện trở suất của đất để thiết kế. 7/ Hệ Thống Điện Lạnh, Thông Gió: - Sử dụng hệ thống điều hòa không khí trung tâm, khí tươi sau khi được xử lý và làm lạnh sẽ được thổi đến các khu vực bằng những đường ống chạy theo các hộp gen đặt trong khối cầu thang theo phương thẳng đứng và chạy trong trần theo phương ngang phân bố đến các vị trí tiêu thụ. - Tại mỗi vị trí tiêu thụ sẽ có bộ điều chỉnh và rơle nhiệt tự động để bảo đảm duy trì nhiệt độ phù hợp với yêu cầu cá nhân. - Bố trí hệ thống quạt gió tại tất cả các khu vực có yêu cầu làm lạnh để thu hồi khí bẩn và thải ra ngoài, đồng thời làm cho không khí được tuần hoàn và trong sạch. 8/ Hệ Thống Phòng Cháy -Chữa Cháy: Hệ thống báo cháy: Thiết bị phát hiện báo cháy được bố trí ở mỗi tầng và mỗi phòng. Ở nơi công cộng ở mỗi tầng, mạng lưới báo cháy có gắn đồng hồ và đèn báo cháy khi phát hiện được, phòng quản lý nhận tín hiệu báo cháy thì kiểm soát và khống chế hỏa hoạn cho công trình. Hệ thống cứu hỏa: (bằng hóa chất và nước) - Trang bị các bộ súng cứu hỏa (ống vải gai đường kính 20, dài 25m, lăng phun đường kính 13mm) đặt tại phòng trực, có 1 hoặc 2 vòi cứu hỏa ở mỗi tầng tùy thuộc vào khoảng không ở mỗi tầng và ống nối được cài từ tầng 01 đến vòi chữa cháy và có bảng thông báo cháy. - Các đầu phun nước được lắp đặt ở tất cả các tầng theo khoảng cách 3m một cái và được nối với các hệ thống chữa cháy các thiết bị khác bao gồm bình chữa cháy khô tại tất cả các tầng, đèn báo các cửa thoát hiểm, đèn báo khẩn cấp tại tất cả các tầng. - Nước cứu hỏa được dẫn trực tiếp từ hồ nước mái . - Sử dụng một số lượng lớn các bình cứu hỏa hóa chất đặt tại các nơi quan yếu (cửa ra vào, kho, chân cầu thang mỗi tầng…) Khu vực thang bộ thoát hiểm: - Cửa vào lồng thang dùng loại tự sập nhằm ngăn ngừa khói xâm nhập, cửa được làm bằng kim loại chịu nhiệt đảm bảo chịu được đám cháy trong 2 giờ. - Trong lồng thang bố trí hệ thống điện chiếu sáng tự động. - Hệ thống thông gió động lực cũng được thiết kế để hút khói ra khỏi luồng thang chống ngạt. 9/ Hệ Thống Kỹ Thuật Khác: Hệ thống truyền hình: - Hệ thống thu tín hiệu truyền hình chính được đặt ở nóc nhà tiếp nhận các kênh truyền hình từ vệ tinh và đài truyền hình, phối hợp và khuyếch đại rồi truyền đến các phòng bằng cáp chuyên dụng. Hệ thống điện thoại fax: - Đường dây điện thoại chính được nối vào đường dây điện thoại và trạm dịch vụ liên lạc đặt tại tầng trệt, từ đây được nối với các hộp dây đặt tại mỗi tầng rồi dẫn đến các vị trí đặt điện thoại vệ tinh. - Các điện thoại nội bộ nối kết với bên ngoài bằng tổng đài nội bộ tự động đặt tại tầng trệt. C/ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU THUỶ VĂN Khu vực khảo sát nằm ở TP HCM nên mang đầy đủ tính chất chung của vùng. Đây là vùng có nhiệt độ tương đối ôn hoà. Nhiệt độ hàng năm 270C chênh lệch nhiệt độ giữa các tháng cao nhất (thường là tháng 4) và thấp nhất (thường tháng 12 ) khoảng 100C. Khu vực TP giàu nắng, hàng năm có từ 2500-2700 giờ nắng. Thời tiết hàng năm chia làm hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô. Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 (trung bình có 160 ngày mưa trong năm). Độ ẩm trung bình từ 75-80 %. Hai hướng gió chủ yếu là Tây-Tây Nam và Bắc- Đông Bắc. Tháng có sức gió mạnh nhất là tháng 08.Tháng có sức gió yếu nhất là tháng 11. Tốc độ gió lớn nhất là 28m/s. Nhìn chung TP.HCM ít ảnh hưởng của bão và áp thấp thiệt đới từ vùng biển Hoa Nam mà chỉ chịu ảnh hưởng gián tiếp. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 1/ LỰA CHỌN VẬT LIỆU DÙNG CHO CÔNG TRÌNH - Vật liệu xây dựng cần có cường độ cao trọng lượng nhỏ và khả năng chống cháy tốt. - Nhà cao tầng thường có tải trọng lớn. Nếu sử dụng các loại vật liệu trên tạo điều kiện giảm được đáng kể tải trọng cho công trình, kể cả tải trọng đứng cũng như tải trọng ngang do lực quán tính. - Vật liệu có tính biến dạng cao: Khả năng biến dạng dẻo cao có thể bổ xung cho tính năng chịu lực thấp. - Vật liệu có tính thoái biến thấp: Có tác dụng tốt khi chịu tác dụng của tải trọng lặp lại ( động đất, gió bão ). - Vật liệu có tính liền khối cao: Có tác dụng trong trường hợp tải trọng có tính chất lập lại không bị tách rời các bộ phận công trình. - Vật liệu có giá thành hợp lí. è Bởi các điệu kiện trên nên tại Việt Nam hay các nước khác thì vật liệu BTCT hoặc thép là các loại vật liệu đang được các nhà thiết kế sử dụng phổ biến trong các kết cấu nhà cao tầng. - Hiện nay ở nước ta, nguồn cung cấp các loại vật liệu trên rất phong phú: Bê tông được cung cấp dưới dạng trộn sẵn tại các trạm trộn của hãng Uni – Eastern, Soam, LePhan, Supermix, Trà My, RDC, Holcim…, cột thép được cung ứng bởi các công ty liên doanh giữa ta với Nhật Bản: Vinacoel… Bên cạnh đó kho thép của nước ta luôn dồi dào, đảm bảo sự không thiếu hụt cho loại vật liệu trọng yếu này. 2/ SƠ LƯỢC YÊU CẦU HÌNH DẠNG CÔNG TRÌNH a/ Theo phương ngang - Nhà cao tấng có mặt bằng đơn giản, tốt nhất là lựa chọn các mô hình có tính chất đối xứng cao. Trong các trường hợp ngược lại công trình cần được phân ra các phần khác nhau để mỗi phần đều có hình dạng đơn giản. - Các bộ phận kết cấu chịu lực chính của nhà cao tầng như vách, lõi, khung cần được bố trí đối xứng. Trong trường hợp các kết cấu này không thể bố trí đối xứngthì cần phải có biện pháp đặc biệt chống xoắn cho công trình theo phương đứng. - Hệ thống kết cấu cần được bố trí làm sao để trong mỗi trường hợptải trọng sơ đồ làm việc của các bộ phận kết cấu rõ ràng rành mạnh và truyền tải một cách mong chóng nhất tới móng công trình. - Tránh dùng các sơ đồ có kết cấu có các cánh mỏng và kết cấu dạng congson theo phương ngang vì các loại kết cấu này rất dễ bị phá hoại dưới tác dụng của động đất và gió bão. - Hệ thống chịu lực ngang của công trình cần được bố trí theo cả hai phương. Các vách cứng (lõi cứng) cần phải nằm trong giới hạn để có thể xem kết cấu sàn không bị biến dạng trong mặt phảng của nó khi chịu tải trọng ngang. - Cụ thể, đối với kết cấu BTCT toàn khối khoảng cách giữa các vách cứng Lv phải thỏa mãng điều kiện: Lv5B (B là bề rộng của nhà) và Lv 60m. - Đối với kết cấu khung BTCT, độ cứng của kết cấu dầm tại các nhịp khác nhau cần được thiết kế sao cho gần bằng nhau, tránh trường hợp nhịp này quá cứng so với nhịp khác, điều kiện gây tập trung ứng lực tại các nhịp ngắn, làm cho kết cấu ở các nhịp này bị phá hoại quá sớm. b/ Theo phương đứng - Độ cứng của kết cấu theo phương thẳng đứng cần phải được thiết kế đều hoặc thay đổi đều giảm dần lên phía trên. - Cần tránh sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu (như làm việc thông tầng, giảm cột hoặc thiết kế dạng cột hẫng chân cũng như thiết kế dạng sàn dật cấp). Độ cứng của kết cấu tầng trên không nhỏ hơn 70% độ cứng của kết cấu ở tầng dưới kệ nó. Nếu 3 tầng giảm độ cứng liện tục thì tổng mức giảm không được quá 50%. - Trong các trường hợp đặc biệt nói trên người thiết kế cần có các biện pháp tích cực làm cứng thân hệ kết cấu để tránh sự phá hoại ở các vùng xung yếu. 3/ CẤU TẠO CÁC BỘ PHÂN LIÊN KẾT - Kết cấu nhà cao tầng phải có bậc siêu tĩnh cao để trong trường hợp bị hư hại do các tác động đặc biệt nó không bị biến thành các hệ biến hình. - Các bộ phận kết cấu làm sao để khi bị phá hoại do các trường hợp tải trọng thì các kết cấu nằm ngang sàn, dầm bị phá hoại trước so với kết cấu thẳng đứng: cột, vách cứng. - Các dầm cần được cấu tạo sao cho sự phá hoại do lực uốn xảy ra trước sự phá hoại do lực cắt. 4/ TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG a/ Sơ đồ tính - Trong giai đoạn hiện nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử, đã có những thay đổi quan trọng trong cách nhìn nhận phương pháp tính toán công trình. Khuynh hướng đặc thù hóa và đơn giản hóa các trường hợp riêng lẻ được thay thế bằng khuynh hướng tổng quát hóa. Đồng thời số lượng tính toán số học không còn ngần ngại nữa. Các phương pháp mới có thể dùng sơ đồ tính sát với thực tế hơn, có thể nói tới sự làm việc phức tạp của kết cấu với các mối quan hệ phụ thuộc khác nhau trong không gian. Việc tính toán kết nhà cao tầng nên áp dụng những công nghệ mới để có thể sử dụng mô hình không gian nhằm tăng mức độ chính xác và phản ánh sự làm việc của công trình sát với thực tế hơn. b/ Tải trọng tính toán - Kết cấu nhà cao tầng thông thường được tính toán với các loại tải trọng chính sau đây: Tải trọng thẳng đứng (thường xuyên và tạm thời tác dụng lên sàn). Tải trọng gió (gió tĩnh và gió động). Tải trọng động của động đất (cho các công trình xây dựng trong vùng có động đất). - Ngoài ra, khi có yêu cầu, kết cấu nhà cao tầng cũng cần phải được tính toán kiểm tra với các trường hợp tải trọng sau: Do ảnh hưởng của dự thay đổi nhiệt độ. Do ảnh hưởng của từ biến. Do sinh ra trong quá trình thi công. Do áp lực của nước ngầm và đất. - Khả năng chịu lực của kết cấu cần được kiểm tra theo từng tổ hợp tải trọng, được quy định theo các tiêu chuẩn hiện hành. c/ Tính toán hệ kết cấu: - Hệ kết cấu nhà cao tầng cần thiết được tính toán cả về lĩnh vực, ổn định và động lực. - Các bộ phận kết cấu được tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất ( TTGH 1). - Trong trường hợp đặc biệt do yêu cầu sử dụng thì mới theo trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH 2). - Khác với nhà thấp tầng ,trong thiết kế nhà cao tầng thì việc kiểm tra ổn định tổng thể công trình đóng vai trò hết sức quan trọng. Các điều kiện cần kiểm tra gồm: Kiểm tra ổn định tổng thể. Kiểm tra độ cứng tổng thể. d/ Phương pháp và công cụ xác định nội lực Hiện nay trên thế giới có ba trường phái để tính toán hệ chịu lực nhà nhiều tầng thể hiện theo ba mô hình sau: - Mô hình liên tục thuần túy: Giải trực tiếp phương trình vi phân bậc cao, chủ yếu là dựa vào lý thuyết vỏ, xem toàn bộ hệ chịu lực là hệ chịu lực siêu tĩnh. Khi giải quyết theo mô hình này, không thể giải quyết được hệ có nhiều ẩn. Đó chính là giới hạn của mô hình này. Tuy nhiên, mô hình chính là cha đẻ của các phương pháp tính toán hiện nay. - Mô hình rời rạc: (Phương pháp phần tử hữu hạn) Rời rạc hóa toàn bộ hệ chịu lực của nhà nhiều tầng, tại những liên kết xác lập những điều kiện tương thích về lực và chuyển vị. Khi sử dụng mô hình này cùng với sự trợ giúp của máy tính có thể giải quyết được tất cả các bài toán. Hiện nay ta có các phân mềm trợ giúp cho việc giả quyết các bài toán kết cấu như STAAD, Feap, Etabs, FBTW, SAP… - Mô hình Rời rạc – Liên tục: Từng hệ chịu lực được xem là rời rạc, nhưng các hệ rời rạc này sẽ liên kết lại với nhau thông qua các liên kết trượt (lỗ cửa, mạch lắp ghép…) xem là phân bố liên tục theo chiều cao. Khi giải quyết bài toán này ta thường chuyển hệ phương trình vi phân thành hệ phương trình tuyến tính bằng phương pháp sai phân. Từ đó giải các ma trận và tìm nội lực. - Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH): Trong phương pháp phần tử hữu hạn vật thể thực hiện liên tục được thay thế bằng một số hữu hạn các phân tử rời rạc có hình dạng đơn giản, có kích thước càng nhỏ càng tốt nhưng hữu hạn, chúng được nối với nhau bằng một số điểm quy định được gọi là nút. Các vật thể này vẫn được giữ nguyên là các vật thể liên tục trong phạm vi của mỗi phần tử, nhưng có hình dạng đơn giản và kích thước bé nên nên cho phép nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở về sự phân bố chuyển vị và nội lực (chẳng hạn các quan hệ được xác lập trong lý thuyết đàn hồi). Các đặc trưng cơ bản của mỗi phần tử được xác định và mô tả dưới dạng ma trận độ cứng (hoặc ma trân độ mềm) của phần tử. Các ma trận này dùng để ghép các phần tử lại thành một mô hình rới rạc hóa của kết cấu thực cũng dưới dạng ma trận độ cứng (hoặc ma trận độ mềm) của cả kết cấu. Các tác động ngoài gây nội lực và chuyển vị trí kết cấu được quy đổi về các thành các ứng lực tại các nút và được mô tả trong ma trận tải trọng nút tương đương. Các ẩn số cần tìm là các chuyển vị nút (hoặc nội lực) tại các điểm nút được xây dựng trong ma trận chuyển vị nút (hoặc ma trận nội lực nút). Các ma trận độ cứng, ma trận tải trọng nút và ma trận chuyển vị nút được liên hệ với nhau trong phương trình cân bằng theo quy luật tuyến tính hay phi tuyến tùy theo ứng xử thật của kết cấu. Sau khi giải hệ phương trình tìm được các ẩn số, người ta có thể tiếp tục xác định được trong trường ứng suất, biến dạng của kết cấu theo các quy luật đã được nghiên cứu trong cơ học. - Sau đây là thuật toán tổnng quát của phương pháp PTHH. 1. Rời rạc hóa kết cấu thực thành thành một lưới các phần tử chọn trước cho phù hợp với hình dạng hình học của kết cấu và yêu cầu chính xác của bài toán. 2. Xác định các ma trận cơ bản cho từng phần tử (ma trận độ cứng ,ma trận tải trọng nút, ma trận chuyển vị nút …) theo trục tọa độ riêng của phần tử. 3. Ghép các ma trận cơ bản cùng loại thành ma trận kết cấu theo trục tọa độ chung của cả kết cấu . 4. Dựa vào điều kiện biên và ma trận độ cứng của kết cấu để khử dạng suy biến của nó. 5. Giải hệ phương trình để xác định ma trận chuẩn bị nút cả kết cấu. 6. Từ chuyển vị nút tìm được , xác định một lực cho từng phần tử. 7. Vẽ biểu đồ nội lực cho kết cấu . - Thuật toán tổng quát trên được sử dụng cho hầu hết các bài toán phân tích kết cấu, phân tích tĩnh,phân tích động và tính toán ổn định kết cấu. - Trong những năm gần đây ,cùng với sự phát triển của máy tính ,ta có rất nhiều chương trình tính toán khác nhau .Trong nội dung của luận án tốt nghiệp này em chọn mô hình thứ hai (Mô hình rời rạc) với sự trợ giúp của phần mềm SAP2000 và ETABS 8.5.0 để xác định nội lực của hệ kết cấu. - Các giả thiết khi tính toán nhà nhiều tầng được sử dụng trong SAP2000 và ETABS 9.0.4: - Sàn là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó và liên kết khớp với các phần tử khung hay vách cứng ở cao trình sàn .Không kể biến dạng cong (ngoài mặt phẳng sàn) lên các phần tử .Bỏ qua sự ảnh hưởng độ cứng uốn của sàn tầng này đến các sàn tâng kế bên. - Mọi thành phần hệ chịu lực trên từng tầng đều có chuyển vị ngang như nhau. - Các cột (vách cứng) đều được ngàm ở chân cột (chân vách cứng). - Khi tải trọng ngang tác dụng thì tải trọng tác dụng này sẽ truyền vào công trình dưới dạng lực phân bố trên sàn và từ đó chuyển sang vách. - Biến dạng dọc trục của sàn, của dầm xem như là không dáng kể. Quan niệm của phần mềm cho từng cấu kiện làm việc đúng với giả thuyết Khi sử dụng các phần mềm PTHH, SAP2000, ETABS. Cần chú ý đến quan niệm từng cấu kiệncủa phần mềm để cấu kiện làm việc đúng với quan niệm thực khi đưa vào mô hình. - Quan niệm thanh: khi kích thước 2 phương nhỏ hơn rất nhiều so với phương còn lại. - Quan niệm tấm, bản, vách: khi kích thước 2 phương lớn hơn rất nhiều so với phương còn lại. - Quan niệm solid: khi 3 phương có kích thước gần như nhau, và có kích thước so với các phân tử khác. - Quan niệm điểm: khi 3 phương có kích thước gần như nhau, và có kích thứơc rất bé. Khi ta chia càng mịn các cấu kiện thì kết quả sẽ càng chình xác. Do phần tử hữu hạn truyền lực nhau qua các điểm liên kết của các phần tử với nhau. Nếu ta chia các cấu kiện ra nhưng không đúng với quan niệm của phần mềm thì các cấu kiện đó sẽ có độ cứng tăng đột ngột và làm việc sai với chức năng của chúng trong quan niệm tính, từ đó dẫn đến các kết quả tính các cả hệ kết cấu sẽ thay đổi. Trình tự giải quyết bài toán bằng phần mềm SAP2000 và ETABS 9.0.4: 1- Dựng mô hình không gian cho kết cấu. 2- Xác định tất cả các nhóm đặc trưng vật liệu, kích thước hình học của các cấu kiện. 3- Xác định tải trọng tác dụng: Tải ngang: Chuyển thành lực phân bố trên mét vuông đặt ở các cao trình mỗi sàn. Tải đứng: Tất cả các tĩnh tải, hoạt tải sàn được đặt lên các sàn. Đối với các tải khung có dạng lưc tập trung cần chuyển đổi về các cặp moment và lực tập trung tại các nút có liên quan. 4- Quy tắc tải trọng từ hồ nước, cầu thang bộ, thang máy về lực tập trung lên dầm và cột. 5- Chạy chương trình SAP2000 và ETABS 9.0.4. 6- So sánh và xuất kết quả Tính thép bằng phần mềm EXCEL do em tự lập. Giải bằng tay vài phần tử để so sánh và rút ra kết quả hợp lí nhất. 5/ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH a/ Hệ kết cấu sàn: Trong công trình hệ sàn có ảnh hưởng rất lớn tới sự làm việc không gian của kết cấu. Việc lựa chọn phương án sàn hợp lí là điều rất quan trọng. Do vậy, cần phải có sự phân tích đúng để lựa chọn ra phương án phù hợp với kết cấu của công trình. Ta xét các phương án sàn sau: * Hệ sàn sườn: - Cấu tạo bao gồm hệ dầm và bản sàn - Ưu điểm: Tính toán và thi công đơn giản, bảo đảm khả năng chịu lực ổn định. Được sử dụng phổ biến ở nước ta với trình độ thi công lành nghề, các phương tiện thi công phong phú. Chi phí thi công vừa phải, không quá đắt. - Nhược điểm: Chiều cao dầm và độ võng của bản sàn lớn khi vựơt khẩu độ lớn, dẫn đến chiều cao tầng của công trình lớn, gây khó khăn đối với các công trình xây dựng trong khu vực hạn chế chiều cao. (Sẽ chỉ xây dựng được ít tầng hơn). ** Hệ sàn ô cờ: - Cấu tạo gồm hệ dầm vuông góc với nhau thao hai phương, chia bản sàn thành các ô bản kê bốn cạnh có nhịp bé, theo yêu cầu cấu tạo khoảng cách giữa các dầm không quá 2m. - Ưu điểm: Tránh được có quá nhiều cột bên trong nên tiết kiệm được không gian sử dụng và có kiến trúc đẹp, thích hợp với các công trình yêu cầu thẩm mỹ cao và không gian sử dụng lớn như hội trường, câu lạc bộ… - Nhược điểm: Không tiết kiệm, thi công phức tạp Khi mặt bằng sàn quá rộng cần phải bố trí thêm các dầm chính. Vì vậy, nó cũng không tránh được những hạn chế do chiều cao dầm chính phải lớn để giảm độ võng. *** Sàn không dầm (không có mũ cột) - Cấu tạo gồm các bảo kê trực tiếp lên cột. - Ưu điểm: Chiều cao kết cấu nhỏ nên giảm được chiều cao công trình. Dễ bố trí hệ thống kỹ thuật điện , nước… Việc thi công phương án này nhanh hơn so với phương án sàn dầm bởi không phải mất công gia công cốp pha và cốt thép dầm , cốt thép được đặt tương đối định hình và đơn giản .Việc lấp dựng ván khuôn và cốp pha cũng đơn giản. - Nhược điểm: Trong phương án này các cột không được liên kết với nhau để tạo thành khung do đó độ cứng nhỏ hơn nhiều so với phương án sàn dầm ,do vậy khả năng chịu lực theo phương ngang của phương án này kém hơn phương án sàn dầm , chính vì vậy tải trọng ngang hầu hết do vách chịu và tải trọng đứng do cột chịu. Sàn phải có chiều dày lớn để đảm bảo khả năng chịu uốn và chống chọc thũng do đó dẫn đến tăng khối lượng sàn. Khi cần vượt nhịp lớn phải tăng chiều dầy bản sàn lớn dẫn đến hao phí vật tư . Công nghệ thi công tương đối mới dẫn đến giá thành cao , bên cạnh đó là các phương pháp kiểm tra phức tạp . **** Sàn không dầm ứng lực trước - Ưu điểm: Ngoài các đặt điểm chung của phương án sàn không dầm thì phương án sàn không dầm ứng lực trước sẽ khắc phục được một số nhược điểm của phương án sàn không dầm: Giảm chiều dày sàn khiến giảm được khối lượng sàn dẫn tới giảm tải trọng đứng truyền xuống móng . Tăng độ cứng của sàn lên , khiến cho thỏa mãn về yêu cầu sử dụng bình thường. Sơ đồ chịu lực trở nên tối ưu hơn do cốt thép ứng lực trước được đặt phù hợp với biểu đồ mômen do tải trọng gây ra dẫn đến tiết kiệm được cốt thép. - Nhược điểm: Tuy khắc phục được các ưu điểm của sàn không dầm thông thường nhưng lại xuất hiện một số khó khăn cho việc chọn lựa phương án này như sau: Thiết bị thi công phức tạp hơn , yêu cầu việc chế tạo và đặt cốt thép phải chính xác do đó yêu cầu tay nghề thi công phải cao hơn, tuy nhiên ,với xu thế hiện đại hóa hiện nay thì điều này sẽ là yêu cầu tất yếu. Gía thành thiết bị còn cao , các thiết bị còn hiếm do trong nước chưa sãn xuất được . ***** Kết luận: Qua phân tích các đặt điểm trên ,xem xét các đặt điểm về kết cấu của công trình : nhịp cột của công trình không quá lớn , công trình không nằm trong khu vực hạn chế về chiều cao, cân nhắc về yếu tố kinh tế đồng thời để đơn giản cho việc thi công nên ta chọn phương án sàn sườn sử dụng cho công trình. b/ Hệ kết cấu chịu lực chính: - Nếu căn cứ vào sơ đồ làm việc thì kết cấu nhà cao tầng có thể phân loại như sau: Các hệ kết cấu cơ bản: Kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực, kết cấu lõi cứng và kết cấu ống. Các hệ kết cấu hỗn hợp : Kết cấu khung- giằng, kết cấu khung- vách, kết cấu ống lõi và kết cấu ống tổ hợp. Các hệ kết cấu đặt biệt: Hệ kết cấu có tầng cứng, hệ kết cấu có dầm truyền, kết cấu có hệ giằng liên tầng và kết cấu có khung ghép. - Mỗi loại kết cấu trên đều có những ưu nhược điểm riêng tùy thuộc vào nhu cầu và khả năng thi công thực tế của từng công trình. - Trong đó kết cấu khung- vách lá một hệ thống kết hợp giữa vách chịu tải trọng ngang ( và cũng chịu tải trọng đứng) với cột chịu tải trọng đứng. Đây là loại kết cấu mà theo nhiều tài liệu nước ngoài đã chỉ ra rằng rất thích hợp cho các công trình cao tầng. Hệ kết cấu cột- vách cứng kết hợp với hệ dầm sàn tạo thành mỗt hệ hộp nhiều ngăn có độ cứng không gian lớn, tính liền khối cao, độ cứng phương ngang tốt, khả năng chịu lực lớn,đặt biệt là tải trọng ngang. Kết cấu vách cứng có khả năng chịu động đất tốt. Theo kết quả nghiên cứu thiệt hại các trận động đất gây ra .Ví dụ trận động đất vào tháng 2năm 1971 ở California và trận động đất tháng 12 năm 1972 ở Nicaragua, trận động đất năm 1977 ở Rumani…cho thấy rằng công trình có kết cấu khung- vách cứng chỉ bị hư hỏng nhẹ trong khi các công trình có kết cấu khung thông thường bị hỏng nặng hoặc sụp đổ hoàn toàn .Vì vậy, đây là giải pháp kết cấu được chọn sử dụng cho công trình. 6/ SƠ BỘ LỰA CHỌN TIẾT DIỆN CÁC CẤU KIỆN CHÍNH a/ Sơ bộ về khung công trình: có tính đối xứng *Khung dọc: Gồm 10 bước cột ,1bước cột dài 6m Giữa khung dọc công trình có bố trí 1 khe lún **Khung ngang: Có 3 nhịp 8m-6m-8m tương ứng với các trục cột được đánh theo thứ tự A_B_C_D b/ Chọn sơ bộ tiết diện cột: c6ng trình có 1tầng trệt và 11 tầng lầu - Chọn sơ bộ tiết diện theo công thức Fc=kN / Rn => Tiết diện sơ bộ cột biên A và D Tầng trệt -1 -2 : 500 x 700 (mm) Tầng 3 – 4 : 500 x 600 (mm) Tầng 5- 6 : 400 x 500 (mm) Tầng 7 – 8 : 300 x 400 (mm) Tầng 9 – 10 : 300 x 300 (mm) => Tiết diện sơ bộ cột giữa B và C Tầng trệt -1 -2 : 600 x 700 (mm) Tầng 3 – 4 : 500 x 600 (mm) Tầng 5- 6 : 400 x 500 (mm) Tầng 7 – 8 : 300 x 400 (mm) Tầng 9 – 10 : 300 x 300 (mm) Từ các kích thước chọn sơ bộ, ta đưa vào mô hình công trình, chạy Etabs nhiều lần, điều chỉnh lải các kích thước cột theo yêu cầu độ cứng công trình và hàm lượng thép sơ bộ trong cột để quyết định chọn kích thước cột hợp lý. c/ Chọn sơ bộ tiết diện sàn: Dùng loại ô sàn có kích thước (8.0x 6)m để chọn sơ bộ chiều dầy cho tòan bộ các ô còn lại - Chiều sày sàn được chọn phụ thuộc vào nhịp và tải trọng tác dụng, có thể sơ bộ xác định chiều dày sàn theo công thức sơ bộ sau: hs =  : l1 Trong đó: + l1 = là chiều dài cạnh ngắn của ô sàn hs1 = : 600 = (10,9 : 12) cm Sơ bộ chọn hai bề dầy cho toàn sàn là hs = 12 cm. Với chiều dày chọn sơ bộ trên đảm bảo cho sàn đáp ứng được các yêu cầu về công năng, cấu tạo, truyền lực và cả chống cháy trong công trình cao tầng. d/ Chọn sơ bộ tiết diện dầm: - Theo điều 3.3.2 Cấu tạo khung nhà cao tầng – TCXD 198-1997 (phù hợp với biện pháp cấu tạo do Uỷ ban bêtông Châu Âu quy định): dầm phải đủ độ dẻo và cường độ cần thiết khi chịu tải trọng động đất: Chiều rộng tối thiểu của dầm không chọn nhỏ hơn 200mm và tối đa không hơn chiều rộng cột cộng với 1,5 lần chiều cao tiết diện.Chiều cao tối thiểu tiết diện không nhỏ hơn 300mm. Tỉ số chiều cao và chiều rộng tiết diện không lớn hơn 3 Dùng hệ dầm với kích thước các dầm như sau: + Dầm chính: Dầm chính theo phương dọc có nhịp là 6m => hd = : x600 = 60:46 (cm) Chọn hd = 50cm bdầm = (1/2:1/3)hd Chọn bd = 25 cm Dầm chính theo phương ngang có nhịp là 8m và 6m nên ta dùng nhịp 8m để chọn sơ bộ tiết diện dầm theo phương ngang: => hd = : x800 = 80:62 (cm) Chọn hd = 60cm bdầm = (1/2:1/3)hd Chọn bd = 30 cm + Hệ dần phụ chia nhỏ ô sàn: Sơ bộ chọn hd = 40 cm bdầm = (0,25:0,5)hd Chọn bd = 20 cm - Console và hệ dầm môi lấy tiết diện 20 x 40 cm. e/ Chọn sơ bộ tiết diện các cấu kiện phụ - Chọn cầu thnag dạng bản có chiều dày 10cm,dầm thang ( nếu có) 20x40cm. - Chọn hồ nước có chiều dày bản nắp 10cm, bản thành là 10cm, bản đáy là 15cm.Dầm nắp 20x40cm và 30x50cm, dầm đáy 30x50cm và 30x70cm Ghi chú: Các tiết diện dầm bố trí sơ bộ trong hình vẽ chỉ căn cứ vào nhịp của dầm, trong quá trình chạy mô hình không gian bằng phần mềm Etabs 9.0.4 tùy vào độ cứng phân bố trong hệ khung vách ta sẽ điều chỉnh lại kích thước tiết diện dầm cho phù hợp . 7/CÁC CHỈ TIÊU KIỂM TRA KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG Kết cấu nhà cao tầng cần phải được tính toán kiểm tra về độ bền, biến dạng, ổn định tổng thể và ổn định cục bộ theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành : Cụ thể cần thỏa mãn các yêu cầu sau đây: + Kiểm tra chuyển vị định: Chuyển vị theo phương ngang tại đỉnh kết cấu của nhà cao tầng tính theo phương pháp đàn hồi phải thỏa mãn điều kiện: f/H 1/750 ( kết cấu khung –vách) Với f và H là chuyển vị theo phương ngang tại đỉnh kết cấu và chiều cao của công trình. + Kiểm tra ổn định chống lật: Tỉ lệ giữa momen lật do tải trọng ngang gây ra phải thỏa mãn điều kiện sau: 15 Trong đó Md, M1 là momen chống lật và momen gây lật. + Kiểm tra trượt: - Điều kiện kiểm tra trượt như sau: T<Ae.Rt Trong đó T và Ae là lực trượt và tiết diện chịu trượt. + Kiểm tra theo điều kiện trạng thái giới hạn I: Tất cả các cấu kiện đều phải đảm bảo điều kiện bền, trạng thái ứng suất trong cấu kiện phải bé hơn hoặc bằng ứng suất giới hạn cho phép. Trạng thái ứng suất giới hạn ứng với lúc kết cấu không chịu lực được nữa vì bắt đầu bị phá hoại, bị mất ổn định, bị hỏng do mỏi. Trạng thái giới hạn này được tính toán theo cường độ tính toán của vật liệu. + Kiểm tra theo điều kiện trạng thái giới hạn II.( về điều kiện sử dụng bình thường) Bao gồm các điều kiện sau: Kiểm tra theo điều kiện biến dạng: ffgh Trong đó, f là biến dạng (độ võng, góc xoay, độ giãn…),cần phải kiểm tra biến dạng của các cấu kiện theo các Tiêu chuẩn xây dựng hiện hành, với fgh được xác định Bảng 4-8 trong Sổ Tay Thực Hành Kết Cấu Công Trình của Vũ Mạnh Hùng. Đối với đất nền, phải đảm bảo các điều kiện sức chịu tải.