Để xây dựng nên một công trình đồ sộ như tòa nhà cao vút, sừng sững giữa lòng thành phố, các kỹ sư đã phải ứng dụng những hệ thống kết cấu thép vô cùng phức tạp và tinh vi.
Kết cấu thép là hệ thống chịu lực chính của công trình, được tạo thành từ các thành phần thép liên kết với nhau. Với ưu điểm vượt trội về độ bền, khả năng chịu lực cao và tính linh hoạt, kết cấu thép ngày càng được ưa chuộng trong xây dựng các công trình hiện đại, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng. Tính bền vững và an toàn là những ưu điểm nổi bật của kết cấu thép. Thép có khả năng chịu được tải trọng lớn, biến dạng ít, đồng thời có khả năng chống chịu tốt với các tác động ngoại lực như động đất, gió bão. Ngoài ra, thép còn có khả năng chống cháy tốt hơn so với các vật liệu truyền thống khác, đảm bảo an toàn cho công trình và người sử dụng.
Nhà cao tầng là những công trình kiến trúc vươn cao, sở hữu nhiều tầng và chiều cao ấn tượng. Sự phát triển của các tòa nhà cao tầng đã góp phần thay đổi diện mạo đô thị, giúp các thành phố tận dụng tối đa quỹ đất hạn hẹp để đáp ứng nhu cầu nhà ở và văn phòng ngày càng tăng của dân số. Để đảm bảo sự ổn định và an toàn cho các công trình này, các kỹ sư thường kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo nên cấu trúc composite. Trong đó, thép là một trong những vật liệu chính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên bộ khung vững chắc cho các tòa nhà cao tầng.
Tìm hiểu thêm: Tổng Quan Về Phân Tích Kết Cấu Trong Thiết Kế Xây Dựng
Hệ thống khung cứng là một trong những hệ thống kết cấu phổ biến nhất trong xây dựng nhà cao tầng, được ứng dụng rộng rãi cho cả kết cấu thép và bê tông cốt thép. Đặc trưng của hệ thống này là các kết nối giữa dầm và cột được thiết kế vô cùng chắc chắn, tạo thành một khung cứng vững. Nhờ đó, hệ thống khung cứng có khả năng chịu tải trọng rất tốt, cả tải trọng thẳng đứng (trọng lực của công trình) và tải trọng ngang (gió, động đất).
Nguyên lý hoạt động của hệ thống khung cứng dựa trên việc phân phối đều các tải trọng lên toàn bộ hệ thống khung. Khi chịu tác động của lực bên ngoài, các thành phần của khung sẽ cùng nhau làm việc để duy trì hình dạng ban đầu của công trình. Đặc biệt, các mối nối giữa dầm và cột đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải lực và đảm bảo sự ổn định của toàn bộ kết cấu. Đối với kết cấu bê tông cốt thép, độ cứng vốn có của dầm bê tông đã góp phần làm tăng độ cứng của toàn bộ hệ thống khung. Trong khi đó, đối với kết cấu thép, các mối nối thường được gia cố bằng các tấm thép hoặc bulong cường độ cao để đảm bảo độ cứng cần thiết.
Hệ thống khung giằng và tường chịu cắt là hai giải pháp phổ biến để tăng cường khả năng chịu lực ngang cho các tòa nhà cao tầng, đặc biệt là đối với các tác động từ gió và động đất. Hệ thống khung giằng hoạt động dựa trên nguyên lý các thanh giằng chéo được bố trí hợp lý để tạo thành một mạng lưới chịu lực. Khi có tải trọng ngang tác dụng lên tòa nhà, các thanh giằng sẽ phân tán lực tác động và truyền lực xuống móng, giúp giảm thiểu biến dạng và bảo vệ kết cấu. Các thanh giằng có thể được làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép, tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế và điều kiện thi công.
Hệ thống tường chịu cắt tận dụng khả năng chịu lực cắt của các bức tường dày để chống lại các tải trọng ngang. Tường chịu cắt thường được bố trí ở các vị trí chiến lược như tường bao quanh lõi cứng của tòa nhà hoặc các tường phân chia không gian. Nhờ độ cứng cao, tường chịu cắt giúp tăng cường độ ổn định cho toàn bộ kết cấu. Việc lựa chọn giữa hệ thống khung giằng và tường chịu cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng mặt bằng, chiều cao tòa nhà, yêu cầu về kiến trúc và kinh phí. Trong nhiều trường hợp, các kỹ sư kết hợp cả hai hệ thống để đạt được hiệu quả tối ưu.
Tìm hiểu thêm: Tìm Hiểu Các Loại Liên Kết Trong Kết Cấu Thép Hiện Nay
Hệ thống outrigger là một giải pháp hiệu quả để tăng cường độ cứng và ổn định cho các tòa nhà cao tầng, đặc biệt là những công trình có lõi cứng trung tâm. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên tắc kết nối lõi cứng với cấu trúc bao quanh tòa nhà bằng các giàn hoặc tường ngang gọi là outrigger.
Các outrigger đóng vai trò như những cánh tay đòn, giúp phân tán đều các lực ngang (như gió, động đất) tác dụng lên tòa nhà ra toàn bộ kết cấu. Nhờ đó, tòa nhà sẽ trở nên cứng vững hơn, giảm thiểu hiện tượng rung lắc và biến dạng khi chịu tác động của các lực bên ngoài. Ưu điểm nổi bật của hệ thống outrigger là khả năng tăng cường đáng kể độ ổn định của tòa nhà, đặc biệt ở những tầng trên. Ngoài ra, hệ thống này còn giúp giảm thiểu kích thước của lõi cứng, tạo không gian sử dụng linh hoạt hơn bên trong tòa nhà.
Hệ thống ống khung là một giải pháp kiến trúc hiện đại, được đánh giá cao về khả năng chịu lực và tính linh hoạt. Khác với các hệ thống khung truyền thống, hệ thống ống khung tạo thành một cấu trúc liền mạch, giống như một ống cứng, bao bọc toàn bộ tòa nhà.
Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên tắc phân tán lực. Khi chịu tác động của tải trọng ngang (gió, động đất), toàn bộ cấu trúc ống sẽ cùng nhau làm việc để hấp thụ và phân phối lực tác động, giảm thiểu ứng suất tập trung tại một điểm. Điều này giúp tăng cường độ bền và độ ổn định cho tòa nhà. Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là độ cứng cao. Nhờ cấu trúc ống liền mạch, hệ thống ống khung có độ cứng rất cao, giúp tòa nhà chống chịu tốt với các tác động ngoại lực. Hệ thống ống khung được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các tòa nhà cao tầng, các công trình công nghiệp, và các công trình có yêu cầu cao về độ cứng và tính thẩm mỹ.
Hệ thống ống giằng là một giải pháp kiến trúc hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các tòa nhà cao tầng. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các cột chịu lực thành một cấu trúc ống, và gia cường thêm bằng các giằng chéo được bố trí bên ngoài.
Khi chịu tác động của tải trọng ngang (gió, động đất), các giằng chéo sẽ phân tán lực tác động đều lên toàn bộ cấu trúc ống, giảm thiểu ứng suất tập trung tại một điểm. Điều này giúp tăng cường độ cứng và ổn định cho toàn bộ tòa nhà. So với các hệ thống khung truyền thống, hệ thống ống giằng có ưu điểm vượt trội về độ cứng và khả năng chịu lực. Tuy nhiên, chi phí thi công hệ thống ống giằng có thể cao hơn do yêu cầu về độ chính xác cao trong quá trình sản xuất và lắp đặt. Hệ thống ống khung được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các tòa nhà cao tầng, các công trình công nghiệp, và các công trình có yêu cầu cao về độ cứng và tính thẩm mỹ.
Hệ thống ống bó là một giải pháp kiến trúc hiện đại, được sử dụng cho các công trình có quy mô lớn, đặc biệt là các tòa nhà siêu cao tầng. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp nhiều ống hoặc lõi chịu lực thành một cấu trúc thống nhất.
Khi chịu tác động của tải trọng ngang (gió, động đất), các ống hoặc lõi sẽ cùng nhau làm việc để phân tán lực tác động đều lên toàn bộ cấu trúc. Điều này giúp tăng cường độ cứng và ổn định cho toàn bộ tòa nhà. So với các hệ thống khung truyền thống, hệ thống ống bó có ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực và độ ổn định, đặc biệt đối với các tòa nhà siêu cao tầng. Tuy nhiên, chi phí thi công hệ thống ống bó có thể cao hơn do yêu cầu về độ chính xác cao trong quá trình sản xuất và lắp đặt. Hệ thống ống bó được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các tòa nhà siêu cao tầng, các công trình công nghiệp quy mô lớn, và các công trình có yêu cầu cao về độ cứng và tính thẩm mỹ.
Trên đây là một số hệ thống kết cấu thép phổ biến được ứng dụng trong xây dựng các tòa nhà cao tầng. Sự đa dạng của các hệ thống này đã mở ra vô vàn khả năng sáng tạo cho kiến trúc sư và kỹ sư, giúp tạo ra những công trình độc đáo và bền vững. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các hệ thống kết cấu thép sẽ còn tiếp tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn nữa trong tương lai.
Bạn đang cần tìm phần mềm BIM, phần mềm CDE, phần mềm quản trị doanh nghiệp xây dựng toàn diện hay bất kỳ khía cạnh công nghệ và kỹ thuật liên quan đến BIM/CAD cho dự án của mình?
Đừng lo lắng, BIMCAD Vietnam luôn sẵn sàng đồng hành cùng bạn!
