TRAN NGOC LONG (Chi bién)
NGUYÊN HỮU CƯỜNG, TRAN XUAN VINH
Trang 2TRẤN NGỌC LONG (Chủ biên)
NGUYỄN HỮU CƯỜNG, TRẦN XUÂN VINH
GIÁO TRÌNH
MET CAU NINA
BE TONG COT THEP
Trang 3LOI NOI DAU
Giáo trình Kết cấu nhà bê tông cốt thép được biên soạn dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật xây dựng với mục đích cung cấp khối kiến thức chuyên ngành về kết cấu nhà bê tông cốt thép, nhằm đảm bảo các chuẩn đầu ra về năng lực thiết kế kết cấu nhà bê tông cốt thép Nội dung kiến thức của Giáo trình nhằm làm sáng tỏ các nguyên lý, các nguyên tắc thiết kế cơng trình bê tông cốt thép: thiết kế khung toàn
khối và lắp ghép, thiết kế móng và cơng trình nhà nhiều tầng bê tông cốt thép Bên
cạnh đó Giáo trình cịn cung cấp cho người học các năng lực thực tế cân thiết khác của kỹ sư xây dựng Nội dung sách được chia thành 6 chương như sau:
Chương 1 - Nguyên lý thiết kế kết cấu bê tông cốt thép: Chương này trình bày
các nguyên lý chung, các nguyên lý cơ bản trong thiết kế, thiết kế cơng trình bê tông cốt thép
Chương 2 - Kết cầu khung bê tông cốt thép toàn khối: Nội dung chương trình bày
những kiến thức, kỹ năng cân thiết về kết cấu khung bê tơng cốt thép tồn khối
Chương 3 - Nhà bê tông cốt thép công nghiệp 1 tầng lắp ghép: Cung cấp kiến thức về kết cấu lắp ghép nhà công nghiệp I tầng bê tông cốt thép
Chương 4 - Kết cấu nhà nhiều tầng: Cung cấp kiến thức cơ bản về kết cấu nhà nhiều tầng bê tông cốt thép
Chương 5 - Kết cấu móng bê tơng cốt thép: Trình bày các kiến thức cơ bản về kết cầu móng bê tơng cốt thép
Chương 6 - Kết cầu câu thang: Trình bày kiến thức về kết cấu cầu thang bộ bê tông
cốt thép
Phân công thực hiện Giáo trình như sau: TS Trần Ngọc Long là chủ biên, biên
soạn chương 1 và 4; Th.S Nguyễn Hữu Cường biên soạn các chương 2, 3, 5 và phan phụ lục; Thể Trần Xuân Vinh biên soạn chương 6
Kiến thức cơ bản của Giáo trình này được nhóm tác giả biên soạn chủ yếu dựa vào cuốn sách “Kết cấu nhà Bê tông cốt thép” của GS.TS Ngô Thế Phong (CB) và GS TS Phan Quang Minh Giáo trình Kết cấu nhà bê tơng cót thép được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu của người học theo chương trình tiếp cận CDIO, do đó nội
Trang 4cận CDIO mà Trường Đại học Vinh ban hành Vì thế, nội dung cuốn Giáo trình nay
cung cấp các kỹ năng, kiến thức mới nhất đã được cập nhật từ các doanh nghiệp
hoạt động trong lĩnh vực xây dựng
Điểm mới của Giáo trình được thể hiện ở cách bố cục các chương Các chuẩn
đâu ra là các mục tiêu của chương sẽ được bố trí ở phần đâu, sau mỗi chương có
phan tom tắt kiến thức Ý trởng cách bố cục này nhằm giúp cho người học dé dàng
năm bắt và làm chủ kiến thức một cách nhanh nhất
Giáo trình Kết cấu nhà bê tông cốt thép được biên soạn lần đầu sẽ không tránh khỏi những sai sót Kính mong các thấy cơ giáo, đồng nghiệp và người học đóng
góp ý kiến để nhóm tác giả có thể chỉnh lý tốt hơn ở lần tái bản sau
Xin trân trọng cảm ơn!
Trang 5
Chuong 1
NGUYEN LY THIET KE KET CAU BE TONG COT THEP
MUC TIEU CHUONG 1
Sau khi học xong chương này sinh viên cần:
e_ Trình bày được nguyên lý chung trong thiết kế cơng trình;
e Trinh bay được các nguyên tắc khi thiết kế cơng trình bê tông cốt thép (BTCT): đảm bảo phù hợp giữa kiến trúc và kết cầu; đảm bảo tính khả thi của phương án
thiết kế; đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tê; tính tốn được tải trọng, nội lực, tiết điện và trình bày được bản vẽ thiệt kê bê tông côt thép;
e_ Mô tả được quy trình tính tốn thiết kế cơng trình bê tơng cốt thép
1.1.NGUYÊN LÝ CHUNG
Nguyên lý chung trong thiết kế cơng trình là giải pháp thiết kế được đề xuất cần
đảm bảo về: sự phù hợp lẫn nhau giữa kết cấu và kiến thức; tính khả về kỹ thuật và
hiệu quả kinh tế của phương án
1.1.1 Quan hệ giữa giải pháp kiến trúc và kết cấu
Giải pháp kiến trúc và kết cầu của một công trình cần phải phù hợp với nhau, đây là một mối quan hệ chặt chẽ, liên quan tương hỗ lẫn nhau Khi đưa ra giải pháp kiến trúc cho cơng trình thì phương án kết cấu tương ứng cho giải pháp đó phải đảm bảo về phương diện chịu lực, về mặt kỹ thuật, đồng thời về mặt thâm mỹ và về kinh tế cũng
phải được đảm bảo Hình dáng (chiều cao, hình khối) và khơng gian kiến trúc cơng trình
được hình thành nên từ các hệ kết cầu là khung, vách, vòm, Khi lựa chọn phương án, giải pháp về kiến trúc cho cơng trình, người kiến trúc sư phải hình dung sơ bộ giải pháp kết cầu khả thì có thể thực hiện được, phù hợp với phương án kiến trúc đưa ra
Hình dáng, chiều cao cơng trình sẽ có liên quan đến sự tác động của tải trọng ngang
(gió, động đấu, tải trọng đứng, giải pháp về móng, vấn đề tác động nhiệt độ, lún lệch
Do đó khi đưa ra phương án kiến trúc cho cơng trình cần quan tâm đến giải pháp kết
cấu Nếu chỉ quan tâm đến sáng tác về kiến trúc, thẩm mỹ, thì dễ dẫn đến mắc
những sai lầm trong quá trình thiết kế, đễ dẫn đến bắt khả thi của thiết kế cơng trình
Trang 6
1.1.2 Tính khả thi của phương án thiết kế
Phương án thiết kế có tính khả thì khơng, có được thực thi không phụ thuộc vào nhiêu yêu tô liên quan đền:
- Nhóm yếu tố về các yêu cầu kỹ thuật của cơng trình và các yêu cầu độ bền vững
đáp ứng tuôi thọ đã xác định Các yêu cầu về các hệ thống kỹ thuật: Hệ thống điện, nước, phòng cháy, chữa cháy, hệ thông thông tin liên lạc, hệ thống thang máy, thanh cuốn, âm thanh, ánh sáng, Bên cạnh đó cơng nghệ thi cơng hiện có có đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng, đảm bảo chất lượng công trình
- Yếu tố giá thành cơng trình phải hợp lý (tổng mức đầu tư) với phương án
thiết kế đề xuất
Do vậy, khi triển khai thiết kế, sáng tác giải pháp kiến trúc chúng ta phải tuân thủ
các nguyên tắc, tuân thủ quy trình thực hiện, tránh đưa ra ý tưởng kiến trúc “tự do”
Quy trình thực hiện thường đi từ các phương án đề xuất cơ sở, xét duyệt, thăm dò ý
kiến, cuối cùng lựa chọn phương án kha thi nhất
1.2 NHUNG NGUYEN TAC KHI THIET KE KET CAU BE TONG COT THÉP 1.2.1 Những yêu cầu về kinh tế kỹ thuật
Các yêu cầu kinh tế kỹ thuật là tổng hợp tất cả các quy định, quy cách về kích thước, chất lượng, nhằm đảm bảo chất lượng cơng trình Cơng trình hoàn thành
đảm bảo về mặt kỹ thuật thì đảm bảo về mặt kinh tế Kỹ thuật là yêu cầu bắt buộc
phải tuân thủ
1.2.1.1 Về kỹ thuật
Yếu tố về mặt kỹ thuật phải rõ ràng, minh bạch, đúng theo các nguyên tắc, quy
định Từ việc lựa chọn sơ đỗ kết cấu, vật liệu, tải trọng, các hệ thống kỹ thuật, các
biện pháp kỹ thuật thí cơng, tổ chức thi công,
Đối với sơ đồ kết cấu chịu lực của cơng trình bao gồm hệ thống chịu lực chính và hệ kết cấu sàn phải đảm bảo các yêu cầu, các nguyên tắc Sơ đồ kết cấu phải tường minh, rõ rang dé qua đó người thiết kế hình dung sơ bộ được sự phân phối nội lực của hệ kết cấu Phương án kết cấu được chọn không nên thiên về sơ đồ dễ tính toán
nội lực mà phải thiên về tính tốn hợp lý của sự phân bố nội lực trong kết cấu Nên
chọn hệ kết cấu siêu tĩnh hơn là kết cấu tĩnh định, đối với các cơng trình càng phức
tạp thì càng phải chọn bậc siêu tĩnh lớn
Đối với việc lựa chọn vật liệu thì cần phải lựa chọn cần thận, phù hợp, để vừa
đảm bảo chất lượng công trình, vừa đảm bảo về mặt kinh tế Trong cuốn sách Kết
Trang 7cấu phải được chọn lựa căn cứ vào điều kiện thực tế cho phép và yêu cầu cụ thể đối
với công trình đang thiết kế Nên ưu tiên dùng bê tông cường độ cao (đặc biệt là đối
với cấu kiện chịu nén lớn) và cốt thép có gờ Đối với các cơng trình lớn, có điều kiện
sản xuất bê tông tập trung với những thiết bị kiểm tra cấp phối chuẩn xác nên dùng
bê tơng có cấp độ bền B25, B30, B40 và lớn hơn Nên tạo mọi điều kiện để đưa bê
tông cốt thép ứng lực trước vào các kết cấu có nhịp lớn và các cấu kiện lắp ghép” Khi xác định sự tác động của tải trọng lên cơng trình cần phải nắm rõ đặc điểm, tính chất từng tải trọng Để tính tốn tải trọng và tác dụng của tải trọng, cần phải dựa tiêu chuẩn TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động, và các tiêu chuẩn khác như tải trọng về động đất, Khi tính tải trọng thì đối với cơng trình thơng thường có các tải trọng tác dụng như: trọng lượng bản thân, hoạt tải sử dụng, gió, động đất ngồi ra cịn có tác động của nhiệt độ, sự co ngót và từ
biến của bê tông, khả năng lún khơng đều của móng
Cần lưu ý rằng, các tiêu chuẩn thiết kế không đề cập đến các tình huống mà kết cấu phải chịu trong quá trình làm việc lâu dài, người thiết kế kết cầu phải hình dung, lường trước những tình huống đó đẻ có biện pháp dự phòng M
Ngoai viéc tinh toan thiết kế cơng trình cho giai đoạn sử dụng, chúng ta cần lưu ý tính toán tải trọng cho giai đoạn thi công Mỗi giai đoạn thi công, tương ứng với biện pháp thi công thì hệ kết cấu có một sơ đồ tương ứng Trong một số cơng trình, giai đoạn thi cơng có nội lực xuất hiện trong kết cấu lớn hơn trong giai đoạn sử dụng Trong trường hợp này vừa phải điều chỉnh kết cầu, vừa tìm biện pháp thi công
hợp lý
Giải pháp thiết kế đưa ra phải đảm bảo khả thi về biện pháp thi cơng, nếu khơng
khả thi thì giải pháp đó khó triển khai thực tế hoặc kém hiệu quả Như vậy, người thiết
kế cần có kiến thức về thi công, công nghệ thi công Khi chọn phương án kết cầu và thi công thường phải cân nhắc giữa kết cấu toàn khối (đổ tại chỗ), kết cấu lắp ghép và kết cấu nửa lắp ghép”
Với công nghệ thi công, công nghệ sản xuất bê tông thương phẩm đang phát triển
mạnh do đó kết cấu bê tơng cốt thép toàn khối được phát triển mạnh, được sử dụng rộng rãi trong xã hội Chất lượng cơng trình bê tơng cốt thép tồn khối vì thế được
nâng cao, thời gian thi công được rút ngắn, đặc biệt đối với kết cấu đặc biệt: nhà cao
tầng, kết cấu vòm, cupon, kết cấu nhịp lớn,
' Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cẩu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
2015, tr 11
? Trong mấy năm gần đây kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ít được sử dụng hơn kết cầu bê tông cốt thép
Trang 8
1.2.1.2 Về kinh tế
Khi phương án kết cấu được đề xuất thì phải có giá thành hợp lý Giá thành
của cơng trình được xác định bao gôm chỉ phí vật liệu, nhân cơng, máy thi cơng, chỉ phí khác,
Khi xét trên một cơng trình, một phương án đưa ra có thể giá thành vật liệu lớn, hoặc giá nhân công lớn, hoặc chỉ phí cho máy, thiết bị lớn Do vậy, cần có sự xem xét các phương án đề xuất dé có sự hài hòa hợp lý giữa kỹ thuật và giá thành
Kết cấu phải được thiết kế sao cho biện pháp thi công khả thi dé tiến độ thi công được bảo đảm, việc đưa công trình vào sử dụng đúng hạn có ý nghĩa kinh tế - xã hội to lớn không chỉ đối với các cơng trình cơng nghiệp mà cả đối với các công trình dân dụng và quốc phòng
1.2.2 Tải trọng tác dụng lên cơng trình
Tải trọng là các lực chủ động tác dụng lên cơng trình Mỗi cơng trình thường chịu các loại tải trọng tác dụng như là: trọng lượng bản than (tinh tai), hoat tai str dung,
gió, động đất, nỗ, Dựa vào đặc điểm, tính chất tác động của tải trọng, có thể có
nhiều cách phân loại tải trọng: tải trọng ngắn hạn và tải trọng dài hạn; tải trọng
thường xuyên và tải trọng tạm thời; hoạt tải và tĩnh tải; tải trọng tĩnh và tải trọng
động; tải trọng cố định và tải trọng di động TCVN 2737:1995 tiêu chuẩn thiết kế “Tải trọng và tác động” đã quy định đầy đủ các tính chất, đặc điểm, giá trị của tất cả
các loại tải trọng
Khi nói đến tải trọng nào đó, hay nói đến cách phân loại thì đi kèm là tính chất tác động của nó Phụ thuộc vào mục tiêu sử dụng mà chúng ta xem xét đặc điểm tác
động của tải trọng ở khía cạnh phù hợp Khi tính toán thiết kế thường xem xét sự tác
động của tải trọng ở tính chất thường xuyên hay không thường xuyên của tải trọng Trong TCVN 2737:1995 tiêu chuẩn thiết kế “Tải trọng và tác động”, tải trọng được chia thành zd¡ trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời
a) Tải trọng thường xuyên (còn gọi là tĩnh tài): là tải trọng tác dụng thường
xuyên, liên tục lên cơng trình, có giá trị, vị trí, phương, chiều không đổi theo thời
gian Như vậy theo tính chất tác dụng đó, các tải trọng tác dụng thường xuyên như
là: trọng lượng bản thân cơng trình, trọng lượng và áp lực của đất lắp, đất đắp Lực ép trước trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước cũng được xem như tải trọng
thường xuyên Tải trọng thường xuyên thuộc loại tải trọng tác dụng dài hạn
b) Tải trọng tạm thời (còn gọi là hoạt tải): là tải trọng tác dụng có tính chất
tạm thời, ngắn hạn, nó có thể thay đổi vị trí, thay đổi độ lớn và chiều tác dụng theo thời gian Tải trọng tạm thời có thể là tải trọng sử dụng (người, thiết bị,
dụng cụ, sản phẩm), tải trọng cầu trục, tải trọng gió Căn cứ vào thời gian tác
dụng, trong một số trường hợp ta có thể xem tải trọng tạm thời có một phần tác 8
Trang 9
dụng dài hạn (như trọng lượng vách ngăn tạm thời, trọng lượng của các thiết bị
gắn cố định trên sàn nhà dân dụng và công nghiệp ) và một phần tác dụng ngắn hạn (như trọng lượng người và đồ đạc di động) Theo đó thì tải trọng gió cũng có thể được coi là tải trọng tạm thời ngắn hạn
Do tính chất về tác động của tải trọng tạm thời là thay đổi (vị trí, độ lớn,
phương và chiều) nên có thể tìm được vị trí xuất hiện của hoạt tải trên kết cấu làm
cho nội lực của một tiết diện nào đó đạt giá trị lớn nhất (bằng phương pháp đường
ảnh hưởng)
Vào mỗi một thời điểm khác nhau, ở tại mỗi kết cấu sẽ có nhiều hơn hoặc bằng
hai tải trọng tác dụng Do vậy, nội lực dùng trong tính tốn tiết diện sẽ là tổng đại
số của nội lực lớn nhất do hoạt tải và nội lực do tĩnh tải Việc sắp xếp vị trí của hoạt tải và sau đó tìm giá trị nội lực lớn nhất ở một tiết diện nào đó được gọi là tổ hợp tải trọng
Theo quy định của TCVN 2737:1995 có các tổ hợp tải trọng sau:
e TỔ hợp tải trọng cơ bản (gọi tắt là tổ hợp cơ bản) gồm các tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời ngắn hạn và dài hạn Tổ hợp tải trọng cơ bản gồm:
- Tổ hợp cơ bản 1: Là tổ hợp được hình thành từ tải trọng thường xuyên và một
tải trọng tạm thời, ngắn hạn, với hệ số l:
THCB, = TTyeag + Max(HT) (1.1)
- Tổ hợp cơ bản 2: Là tổ hợp được hình thành từ tải trọng thường xuyên và nhiều tải trọng tạm thời cùng chiều với nhau, với hệ số 0,9
n
THCB, =TTyeaa + 0,9 HT; (1.2)
1
Lưu ý: Khi tính tổ hợp cơ bản có một tải trọng ngắn hạn thì giá trị của tải trọng ngắn hạn được lấy toàn bộ Còn đối với tổ hợp cơ bản có hai hay nhiều tải trọng
ngắn hạn thì giá trị tính toán của các tải trọng đó hay của các nội lực tương ứng với
chúng phải nhân với hệ số tổ hợp bằng 0,9 (nếu trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cầu
và nền móng cụ thể không nêu ra một giá trị nào khác) Giá trị tính tốn của tải trọng
tĩnh luôn luôn được lấy toàn bộ
Tổ hợp tải trọng đặc biệt (gọi tắt là tổ hợp đặc biệt) gồm các tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn, ngắn hạn và một trong các tải trọng đặc biệt (tải
trong động đất hoặc tai trong ding dé tinh khả năng chống cháy của kết cấu ) Khi
3 Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
Trang 10VS
tinh tổ hop đặc biệt, giá trị của hệ số tổ hợp đối với các loại tải trọng được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế tương ứng Hệ số tổ hợp dùng để xét đến khả năng tác
dụng không đồng thời của các loại tải trọng ngắn hạn và tải trọng đặc biệt
1.2.3 Tính toán nội lực kết cấu bê tông cốt thép
Nội lực của kết cầu có sự liên quan đến vật liệu của nó Các phương pháp tính nội được giới thiệu ở Sức bền vật liệu hay Cơ học kết cầu đối với vật liệu lý tưởng (đồng chất, liên tục, đăng hướng), nghĩa là vật liệu hoàn toàn đàn hồi, quan hệ ứng
suất - biến đạng là quan hệ tuyến tính Tuy nhiên, khi áp dụng cho các vật liệu thực tế như bê tông, thép thì có sự sai khác so với vật liệu lý tưởng đó Bê tơng là loại vật
liệu không đàn hồi tuyệt đối, khi làm việc sẽ có giai đoạn đàn hồi (tải trọng bé so với độ cứng kết cấu) và giai đoạn không đàn hồi (khơng tuyến tính) Do đó khi tính nội
lực cho kết cấu bê tông cốt thép ta phải sử dụng phương pháp cải tiến từ các phương
pháp đã được giới thiệu trong phần cơ học
Có thể dùng nhiều phương pháp để tính nội lực cho kết cấu bê tông cốt thép Khi thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, để tính tốn nội lực có thể được tiến hành tính theo sơ đồ đàn hỗi hay theo sơ đơ khớp dẻo Ngồi ra cịn cơ phương pháp cân bằng giới
hạn là khi cho khớp dẻo xuất hiện đồng thời trên các tiết diện nguy hiểm
Hiện nay việc sử dụng các phần mềm ứng dụng tin học để xác định nội lực cho kết
cấu là phổ biến Các phần mềm ứng dụng tin học chủ yếu sử dụng phương pháp tính tốn nội lực theo sơ đồ đàn hồi Vì những lý do này nên nội dung giáo trình chỉ giới
thiệu kiến thức cơ bản của các phương pháp mà không đi sâu vào chỉ tiết tính tốn 1.2.3.1 Tính tốn nội lực theo sơ đồ đàn hôi
Bản chất của phương pháp này dùng các phương pháp tính tốn theo lý thuyết
đàn hồi, sức bền vật liệu, cơ học kết cầu dé tim ra trường ứng suất hoặc nội lực trong kết cấu Tính nội lực theo sơ đồ đàn hồi dựa trên giả thiết cơ bản là vật liệu đàn hỏi,
đồng chất và dang hướng (điều này không phù hợp với vật liệu bê tông cốt thép) Từ đó để có thể tổ hợp tải trọng nhằm tìm ra nội lực lớn nhất, cần phải tính riêng nội lực gây ra do tĩnh tải và do nhiều trường hợp tác dụng của hoạt tải, sau đó tiến hành
cộng đại số Số lượng các trường hợp tác dụng của hoạt tải phụ thuộc vào dạng kết cấu, loại hoạt tải (hoạt tải sử dụng, hoạt tải gió, động đất.), sơ đồ làm việc của kết
cấu và khả năng phán đốn chính xác của người thiết kế Chẳng hạn, khi hoạt tải sử
dụng tác dụng lên khung phẳng thì có thể có 3 trường hợp hoạt tải: tác dụng toàn bộ
+ 2 trường hợp tác dụng lệch tầng và lệch nhịp
Phương pháp này hiện nay vẫn đang được sử dụng nhiều và thường được đưa vào
các phần mềm ứng dụng do nó đơn giản hơn so với phương pháp sơ đồ khớp dẻo
hay phương pháp cán bằng giới hạn
Trang 11Tuy có những điều kiện không phù hợp như vậy, nhưng người ta vẫn sử dụng
phương pháp này vì nó thuận tiện cho người thiết kế, đồng thời có thể sử dung cách tính đơn giản mà không phụ thuộc vào máy tính, cơng nghệ Hoặc có thể trong nhiều
trường hợp nào đó có thể sử dụng các bảng tính sẵn, các cơng thức tính sẵn hoặc các chương trình tính dựa trên cơ sở phương pháp phân tử hữu hạn dé giải các bài tốn khung phẳng, khung khơng gian, bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi, các loại vỏ mỏng không gian
Khi kết cấu làm việc theo thời gian sẽ phát sinh các tải trọng, chắng hạn tải trọng co ngót, từ biến, từ đó phát sinh ra nội lực thứ cấp đối với kết cấu siêu tĩnh Nội lực
này trong một số trường hợp có thể gây nguy hiểm cho kết cấu, đó là khi kết cầu mà
cấu kiện của nó có tính chất biến dạng khác nhau nhiều do tuổi của bê tông, do hàm lượng cốt thép Đối với kết cấu liên hợp thép - bê tơng thì cần phải xét đến ảnh hưởng của từ biến
1.2.3.2 Tính tốn nội lực theo sơ đồ khớp dẻo
Khi vật liệu bê tông cốt thép chuyển sang làm việc ở trạng thái dẻo, khi đó vết nứt đã xuất hiện Ta có thể hình dung lúc đó kết cấu bắt đầu xuất hiện một số “khớp dẻo” - là khơng hồn tồn như liên kết “khớp lý tưởng” Do đó, kết cầu có
sự phân bố lại nội lực trong các kết cấu siêu tĩnh
Trong cuốn Kết cấu nhà bê tông cốt thép (GS.TS Ngô Thế Phong - chủ biên) có
viết: “Khớp dẻo gây nên sự phân bố lại nội lực trong dầm siêu tĩnh Lợi dụng lại sự
phân bố lại nội lực trong kết cấu siêu tĩnh do sự xuất hiện của khớp dẻo, người thiết kế có thể chủ động điều chỉnh nội lực trong hệ siêu tĩnh nhằm tiết kiệm cốt thép, chuyển bớt cốt thép ở những tiết diện đặt quá dày sang những tiết diện đặt thưa hơn để dễ đặt cốt thép và dễ đỗ bê tông”
Chẳng hạn như hình 1.1a là kết cấu dầm có hai đầu liên kết ngàm, chịu lực tập
trung tại giữa dầm Trong giai đoạn chuyển sang trạng thái dẻo, hai đầu dầm có nội
lực lớn, do đó tại hai tiết diện này xuất hiện vết nứt Khi đó liên kết hai đầu dằm không được coi là liên kết ngàm mà liên kết “khớp” Liên kết “khớp” xuất hiện sau
không phải là một liên kết khớp lý tưởng (khơng có mơmen), do đó vẫn tồn tại nội lực mômen tại ngàm Hiện tượng này gọi là “sự phân phối lại” nội lực trong dầm
Hình 1.1b là biểu đồ nội lực mômen khi liên kết hai đầu dầm ngàm, hình 1.1c là biểu đồ nội lực mômen khi liên kết hai đầu dầm “khớp” Do không triệt tiêu hết nội lực
mômen nên vẫn tôn tại nội lực mômen hai đầu ngàm là M2 < M¿, và mơmen tại vị
trí giữa dầm là Mị > M, Người ta gọi hiện tượng này là sự phân phối lại mômen trong dầm Từ việc phân phối này để tính toán nội lực theo sơ đồ khớp dẻo, phán
ảnh sự làm việc của vật liệu bê tông cốt thép
Trang 12| : L2 Đệ t L/2 1 1 1 \ a) ees 1 Sỉ ee 1 1 ị giá b) lì sử M, NJ 2 1 \ —C†” LM; 1 1 | ty eer | 1 1 \ M, l ' c) 1 M>M, M;<M,
Hình 1.1 Sơ đồ dầm có hai đầu ngàm: a) Biểu đồ mômen khi chưa xuất hiện khớp dẻo; ©) Biểu đồ mômen khi đã xuất hiện khớp ở hai đầu ngàm
Tuy nhiên việc tính tốn theo phương pháp sơ đồ khớp dẻo khá phức tạp Hiện
nay một số cấu kiện được tính theo phương pháp theo sơ đồ khớp dẻo và được hình thành dưới dạng bảng tra, chẳng hạn như phần tính Dầm liên tục, ô bản ở phần bê
tông 1 - cầu kiện cơ bản Các phần mềm ứng dụng tin học tính tốn nội lực hiện nay chủ yếu dùng phương pháp đàn hồi, hay phần tử hữu hạn
1.2.3.3 Phương pháp cân bằng giới hạn
Phương pháp cân bằng giới là phương pháp tính nội lực bằng cách cho khớp dẻo xuất hiện đồng thời ở các tiết diện có mơmen lớn, dẫn đến kết cấu bị biến hình tức
thời, và gọi là trạng thái cân bằng giới hạn
Bản chất của phương pháp cân bằng giới hạn là cho phép xác định được tải trọng
giới hạn hay mômen giới hạn không phụ thuộc vào thứ tự xuất hiện các khớp dẻo và
thứ tự tác dụng của tải trọng Phương pháp này được trình bày chi tiết tại cuốn sách
“Kết cấu nhà bê tông cốt thép” Ý
1.2.4 Giai đoạn và trình tự thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
a) Các giai đoạn thiết kế
Công tác thiết kế cơng trình thơng thường được thực hiện theo 3 giai đoạn: thiết
kế cơ sở (sơ bộ), thiết kế kỹ thuật và thiết kế bản vẽ thi công Với những công trình vừa và nhỏ có thé don giản hóa bằng cách kết hợp thảnh hai hoặc chỉ một giai đoạn (thiết kế bản vẽ thi công)
* Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2015
Trang 13Ở giai đoạn thiết kế cơ sở chủ yếu là đề xuất được các phương án, phân tích và so sánh để chọn ra phương án hợp lý, trên cơ sở đó bố trí hệ kết cấu tổng thể của tồn
bộ ngơi nhà, chọn kích thước sơ bộ cho các bộ phận Sau giai đoạn thiết kế cơ sở phải chọn được phương án kết cấu hợp lý và khả thi
Thiết kế kỹ thuật bao gồm việc lập sơ đồ kết cấu, xác định tải trọng, tính tốn nội
lực, tính tốn cốt thép cho các tiết diện chính của từng cấu kiện, kiểm tra kết cấu theo các trạng thái giới hạn
Thiết kế bản vẽ thi công bao gồm việc lựa chọn các chi tiết cấu tạo, cụ thể hóa
việc bồ trí cốt thép, thể hiện bản vẽ thi cơng
b) Trình tự thiết kế
- Bước l: Chọn phương án thiết kế:
Việc đưa ra phương án thiết kế rất quan trọng, để đưa ra phương án khả thi thì đội
ngũ thực hiện ngồi phải có kiến thức chun mơn tốt thì cịn cần có kinh nghiệm
trong cơng việc Để lựa chọn phương án thiết kế chúng ta căn cứ vào: không gian và
hình khối kiến trúc; điều kiện địa chất thủy văn; điều kiện thi công
Như ở phần trước đã nói rằng, phương án được chọn phải có những ưu điểm nỗi trội về giảm chi phí nguyên vật liệu, giảm chi phí máy móc và nhân công, thỏa mãn
các điều kiện kỹ thuật và tiến độ thi công Trong phương án được chọn cần quy định chủng loại vật liệu (bê tông, cốt thép) được dùng và sẽ đưa vào tính tốn chỉ tiết
- Bước 2: Chọn sơ đồ tính, tính tốn lựa chọn sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện:
Sơ đồ tính là mơ hình tính phản ánh sự làm việc thật của kết cấu Do vậy, mơ
hình sơ đồ tính được đưa ra càng phản ánh được sự làm việc thật của kết cấu
càng tốt Từ mơ hình thật của cơng trình ta đưa về sơ để tính mà ở đó các điều
kiện biên - các liên kết giữa các phần tử được thay bằng các liên kết: ngàm, khớp,
lò xo, Chẳng hạn liên kết giữa cột và móng được thay bằng liên kết ngàm, liên
kết dầm và cột với biện pháp thi cơng tồn khối thì được thay bằng liên kết “nút cứng” Sau khi hình thành được sơ đồ tính, ta tiến hành tính tốn kích thước sơ bộ tiết điện dầm, cột
Để tính tốn sơ bộ kích thước tiết điện cầu kiện có thể dùng hai cách
- Cách 1: Sử dụng các cơng thức tính sơ bộ như ở học phần 1- Phần cấu kiện cơ bản, hay sử dụng một số công thức kinh nghiệm đã được kiểm chứng
- Cách 2: Căn cứ vào sơ đồ kết cấu và tải trọng tác dụng, tinh gần đúng nội lực ở
một số tiết diện để từ đó tính tốn kích thước tiết điện các cấu kiện và chọn các kích
thước theo các môđun tương ứng Từ đó xác định lại trọng lượng bản thân kết cấu theo các kích thước tiệt diện đã chọn
Trang 14Chúng ta cũng có thể lựa chọn kích thước sơ bộ tiết diện từ kinh nghiệm tích lũy
được, hoặc tham khảo những thiệt kế khác đề đưa ra những kích thước sơ bộ mà khơng cần phải tính tốn như trên
Khi có kích thước sơ bộ từ tính tốn, cần phải lựa chọn được kích thước phù hợp
với kiên trúc, phù hợp với kích cỡ ván khn thi công,
- Bước 3: Xác định tải trọng tác dụng:
Sử dụng tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 “Tải trọng và tác động” để tính tốn tải
trọng tác dụng lên kết cấu Khi đưa vào tính nội lực cần phải phân biệt tải trọng thường xuyên (tĩnh tải), tải trọng tạm thời hay hoạt tải (hoạt tải sử dụng và tải trọng
gió) và tải trọng đặc biệt (như tải trọng động đất) dé xét đầy đủ các trường hợp có
thé xây ra đối với từng loại tải trọng
- Bước 4: Xác định nội lực và tô hợp nội lực:
Lựa chọn các phương pháp tính nội lực ở trên để tính nội lực Hiện tại có rất
nhiều phần mềm ứng dụng tính tốn thiết kế rất thơng minh (SAP, RD, ETAB, )
Sử dụng phần mềm để tính được nội lực (mômen uốn, lực dọc, lực cắt, mômen xoắn,
lực trượt) do tĩnh tải và những trường hợp tác dung bat lợi của hoạt tải gây ra trong
hệ kết cấu Sau khi có nội lực của các trường hợp tải trọng, tiến hành tổ hợp nội lực
tại các tiết diện hoặc tại các tiết diện nguy hiểm
~- Bước 5: Tính tốn, lựa chọn và bồ trí cốt thép:
Tiến hành tính tốn cốt thép cho cấu kiện sau khi đã có bảng tổ hợp nội lực Từ
bảng tổ hợp nội lực, lựa chọn ra những cặp nội lực bất lợi của tiết diện Số lượng cặp
nội lực khi lựa chọn của dầm khác với số cặp nội lực của cột Khi có diện tích cốt
thép cho mỗi tiết diện, chọn đường kính (cốt thép mềm) hoặc kích cỡ thép (đối với cốt cứng) và bố trí vào các tiết điện theo các yêu cầu về khoảng cách cốt thép và
chiều dày lớp bảo vệ đã được quy định
Khi tính cốt thép cần lưu ý rằng, khi nội lực được tính theo sơ đồ khớp dẻo thì
việc tính cốt thép sẽ được tiến hành theo phương pháp trạng thái giới hạn Khi nội lực được tính theo sơ đồ đàn hỏi thì cốt thép cũng có thể được tinh theo trạng thái giới hạn (đó là sự không phù hợp đang tổn tại), cũng có thể được tính theo giá trị và phương của ứng suất kéo chính (điều đó hay gặp khi tính tắm và vỏ)
- Bước 6: Kiểm tra độ võng và khe nứt:
Kết cấu bê tông cốt thép thông thường có độ võng khơng lớn và nó ít ảnh hưởng
đến sự phá hoại của kết cấu Do trong tính tốn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép về
độ võng, vết nứt thường đảm bảo giới hạn quy định nên công việc này hay được bỏ
qua Tuy nhiên, trong một số trường hợp kết cấu đặc biệt như: kết cấu nhịp lớn, kết
cấu dự ứng lực cần tiến hành kiểm tra cẩn trọng về độ võng và khe nứt
Trang 151.2.5 Nguyên tắc cấu tạo kết cầu bê tông cốt thép
Trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, để hoàn thiện hồ sơ bản vẽ thiết kế thi
công không thể thiếu các nguyên tắc cấu tạo Nguyên tắc cấu tạo vừa đảm bảo về chịu lực, vừa đảm bảo kiến trúc, vừa đảm bảo thuận lợi khi thi công, nguyên tắc bao
hàm nhiều nội dung từ kích thước tiết diện, cốt liệu, cốt thép, khoảng cách cốt thép,
lớp bảo vệ, nối và kéo dài, bố trí cốt thép Các nguyên tắc này đã được quy định trong các tiêu chuẩn xây dựng, cụ thể trong TCXD 5574:2018 đã quy định chỉ tiết
~- Hình dáng, kích thước diện diện ngang được lựa chon cần hợp lý: đảm bảo chịu
lực; hài hòa kiến trúc; thuận tiện thi công; phù hợp trong môi trường xâm thực lớn (tăng chiều dày bảo vệ cốt thép)
- Việc lựa chọn cốt dọc trong tiết diện rẤt quan trọng vừa đảm bảo chịu lực vừa đảm bảo sự làm việc đồng thời Lựa chọn cốt thép không lựa chọn nhiều loại đường
kính trên một tiết diện; hay không để chêch lệch đường kính quá lớn giữa các cốt đọc; lựa chọn số lượng để đảm bảo khoảng cách cốt thép theo yêu cầu (không gần quá, hay xa nhau quá)
- Khi nối, kéo dài cốt thép cần lưu ý vị trí để đảm bảo về chịu lực, dễ thi công
Khi nối cần đảm bảo chiều dài nối, neo phụ thuộc trạng thái chịu lực tại vùng nối
(kéo-nén), phương pháp nối (buộc, hàn, ren)
- Trong tiêu chuẩn TCXD 5574-2018 quy định về yêu cầu đối với lớp bảo vệ cốt
thép: sự làm việc đồng thời của cốt thép với bê tông; tính tồn vẹn của cốt thép dưới
các tác động của môi trường xung quanh (kể cả khi có mơi trường xâm thực); khả năng chịu lực của kết cấu
Trong kết cấu bê tông cốt thép gồm có cốt thép được xác định từ tính tốn và cốt
thép khơng xác định từ tính tốn (cốt cấu tạo) Tuy vậy, cốt thép cấu tạo không thể
không tổn tại trong kết cấu vì:
- Cốt thép cấu tạo bổ sung vào bởi những nơi lực xuất hiện do sự không phù hợp giữa sơ đồ tính tốn và kết cấu thật, trong đó chủ yếu là ở những chỗ liên kết thật
không quay được tự do như sơ đồ khớp, không ngàm chặt như sơ đồ ngàm, đồng
thời sơ đồ tính cũng không xét hết được những nhân tố ảnh hưởng đến sự tác động
qua lại giữa các bộ phận kết cấu với nhau
- Bổ sung cốt thép cấu tạo vào kết câu để chịu những tác động bất thường và
những sai lệch giữa dạng tải trọng đưa vào tính tốn với dạng tai thật Cốt cấu tạo
còn được đặt vào những vùng có trạng thái ứng suất phức tạp, khơng nắm rõ và chỉ
có thể xử lý bằng kinh nghiệm hay thí nghiệm mơ hình
- Nhiều loại cốt thép cấu tạo được đưa vào kết cấu để chịu những ứng suất do co
ngót của bê tông, do sự thay đổi nhiệt độ mà trong tính tốn khơng kể đến Người ta
Trang 16còn đặt cốt thép cấu tạo để dự phòng lún lệch giữa các móng Khi phải thiết kế một
kết câu với những chỉ tiết cấu tạo hay hình dạng tiết diện khác lạ cũng như những câu kiện được sản xt hàng loạt thì ngồi việc tính tốn và cấu tạo theo tiêu chuẩn
và những nguyên tắc cơ bản, cần phải tiến hành thí nghiệm mơ hình với kích thước càng gần với các kết cau that càng tốt, có những số liệu thực về độ võng, về sự hình
thành và phát triển khe nứt và tải trọng phá hoại, qua đó kiểm tra sự đúng đắn của
công việc tính tốn và những chỉ tiết cầu tạo đã được sử dụng, sửa chữa những sai
sót khó tránh khỏi về cấu tạo cốt thép khi làm một kết cấu mới
1.2.6 Cấu tạo khe biến dạng trong cơng trình
Bên cạnh tải trọng tác động làm cơng trình biến dạng, kết cấu bê tông cốt thép còn bị biến dạng do tác động của môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm) làm co lại hoặc giãn ra Hiện tượng co ngót bê tơng làm cho tồn bộ kết cấu co lại
Tuy nhiên, phụ thuộc vào loại kết cấu tĩnh định hay siêu tĩnh mà có thể không
phát sinh hay phát sinh nội lực thứ phát trong kết cấu Kết cấu siêu tĩnh như dằm
liên tục, khơng siêu tĩnh thì biến dạng do co ngót và nhiệt độ tương đương như
với những chuyển vị cưỡng bức và sẽ làm phát sinh những nội lực, có thể gây
nguy hiểm nên cần được xem xét Để giảm thiểu những nội lực phát sinh do nhiệt
độ, co ngót trong cơng trình thì cần bố trí các khe biến dạng
Theo như Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9345:2012 về kết cầu bê tông và bê tông
cốt thép - Hướng dẫn kỹ thuật phòng chống nứt dưới tác động của khí hậu nóng am, thi khe bién dang được chia làm 3 loại chính:
- Khe nhiệt hay còn gọi là khe co giãn, được cấu tạo cho các công trình có chiều
dài tương đối lớn Mục dich là để khắc phục hiện tượng co giãn của kết cấu dưới tác
động của nhiệt độ môi trường Khe co giãn được sử dụng khi nhà có kích thước khá
lớn (50 - 60 m)
Theo GS Ngô Thế Phong, chiều dài kết cấu và sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì
nội lực phát sinh càng lớn, có thể gây nên vết nứt, làm hư hỏng hoặc giảm tuổi thọ kết
cấu Ứng với một độ chênh lệch nhiệt độ nhất định sẽ có một chiều dài kết cầu mà nội
lực phát sinh không lớn, chỉ cần dùng những biện pháp cấu tạo và đặt cốt thép cầu tạo
là đủ chịu, khơng cần phải tính toán nội lực do sự chênh lệch của nhiệt độ nữa Do đó
để hạn chế phát sinh nội lực do nhiệt thì việc hình thành những khe nhiệt độ bằng cách
chia kết cấu thành từng phân đoạn cắt rời nhau từ mái cho đến mặt móng Bề rộng của
khe nhiệt độ được xác định theo tính tốn, thơng thường dao động từ 2 đến 3 cm
* Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh (2015), Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật,
Hà Nội, tr 165
Trang 17của địa tầng Trong tính tốn thiết kế thường
nhau và chúng có thể làm cả nhiệm vụ của khe co giãn
- Khe lún: Khe lún được cấu tạo trong cơng trình có sự chênh lệch lớn giữa các
khối nhà; ví dụ như trong một cơng trình vừa có cả khối thấp tầng, vừa có cả khối cao tầng Khe lún còn được sử dụng khi công
của nền đất khác nhau Bề rộng khe lún bằng 2 - 3 cm giống như khe nhiệt độ Khe lún thường nằm ở chỗ tiếp giáp của hai khối nhà có số tầng khác nhau, ở xung quanh
khu vực phải chịu hoạt tải lớn so với khu vực lân cận và ở chỗ có sự thay đổi rõ rệt trình xây trên nền đất có sức chịu tải
kết hợp khe lún và khe nhiệt độ với
- Khe kháng chắn: Nhằm để đảm bảo cơng trình khỏi các tác động dưới lòng đất như động đất; các tác động từ gió khi cơng trình có độ cao lớn; mặt tiết diện tiếp xúc
gió rộng H(m) 2⁄72 r AAA) matiat nén ZZ —
thai t 1 cá Vira chong 4m ok
2 2) XM mac 75 Os rE = 2! 3 8 Cao độ đáy móng E 1U B_ ¡450 20-30 ¡ tư
Vữa chống thắm a! Hal won
XM mac 75 day 20! 7 10,000 100 KY % x l|so E 7% ^^ "ng 1 1 S0 0 joes
Hình 1.2 Cau tao khe bién dang
Trang 181.3 HO SO THIET KE KY THUAT THI CONG
Sau khi hoan thanh tinh toan thiét ké, tién hanh hoan thiện hồ Sơ thiết kế phục vụ cho giai đoạn tiếp theo Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công bao gồm 2 phần: Hồ sơ
thuyết minh tính tốn và hồ sơ bản vẽ thi công
1.3.1 Thuyết minh thiết kế
Thuyết minh tinh toán thiết kế là trình bày quy trình nội dung các bước thiết kế
Mỗi một giai đoạn thiết kế tương ứng với một thuyết minh Thơng thường có 3 giai
đoạn thiết kế: thiết kế cơ sở, thiết kế kỹ thuật, thiết kế kỹ thuật thi cơng Thuyết mình
thiết kế cơ sở (báo cáo kinh tế kỹ thuật) đưa ra các căn cứ, minh chứng chứng minh
cho sự cần thiết của dự án, giải thích về phương án thiết kế được để xuất Thuyết
minh thiết kế kỹ thuật là giải thích về các yếu tố, các giải pháp kỹ thuật thuộc lĩnh
vực xây dựng Thuyết mình cho giai đoạn thiết kế kỹ thuật thi cơng là trình bày nội dung bao gồm các giải pháp về yếu tô kỹ thuật có xét đến tính khả thi biện pháp thi công nhằm đảm bảo phương án có tinh kha thi cao
Phần thuyết minh thiết kế kết cầu cơng trình bao gồm các nội dung: giới thiệu
cơng trình, các căn cứ thiết kế, phân tích một số giải pháp kiến trúc của cơng trình,
yếu tố vật liệu, tải trọng, nội lực, tính tốn chỉ tiết, cầu tao,
1.3.2 Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật thi công
Hồ sơ bản vẽ thi cơng được hình thành sau khi đã tính tốn thiết kế Bản vẽ thiết kế thi công phải đảm bảo các quy tắc, quy ước về bản vẽ; phải thể hiện đầy đủ, phản
ánh chỉ tiết từ tổng quan các cấu kiện, các mặt cắt, các chỉ tiết cấu kiện, Bên cạnh
đó trong hồ sơ bản vẽ thi cơng phải đính kèm theo phần các ghi chú về vật liệu, các chỉ tiết nối, thống kê vật liệu
1.3.3 Một số yêu cầu và quy định đối với bản vẽ kết cấu bê tông cốt thép
Công việc thể hiện bản vẽ kỹ thuật rất quan trọng, vừa đòi hỏi chính xác, vừa yêu cầu đủ thông tin và thể hiện đẹp Muốn được như vậy người kỹ sư xây dựng phải có
năng lực về chuyên môn và năng lực sử dụng công nghệ ' - là các phần mềm thiết kế
ứng dụng tin học (Auto Cad, Revit, ) Bên cạnh đó cần nắm rõ các quy tắc, quy định và các yêu cầu về bản vẽ kỹ thuật đã được tiêu chuẩn Việt Nam quy định Một số
tiêu chuẩn về bản vẽ kỹ thuật xây dựng như sau:
- TCVN 5896:2010/ISO 9431:1990: Bản vẽ xây dựng - Bồ trí hình vẽ, chú thích
bảng chữ và khung tên trên bản vẽ;
- TCVN 6083:2012: Bản vẽ kỹ thuật - Bản vẽ xây dựng - Nguyên tắc chung về
trình bày bản vẽ bố cục chung và bản vẽ lắp ghép;
Trang 19
- TCVN 6084:2012: Ban vẽ xây dựng - thể hiện cốt thép bê tông;
- TCVN 5572:2012: Hệ thống tài liệu thiết kế xây dựng - Kết cấu bê tông và bê
tông cốt thép - Bản vẽ thi công
Thành phần của bộ hồ sơ bản vẽ kết cầu bê tông cốt thép bao gồm: các bản vẽ bố
trí kết cấu, các bản vẽ cấu kiện bê tông cốt thép đồ tại chỗ, bản vẽ cầu kiện bê tông cốt thép lắp ghép, các bảng thống kê
Yêu cầu đối với bản vẽ kết cấu bê tông cốt thép là chính xác, rõ ràng, đầy đủ và đúng các ký hiệu quy định; nghĩa là đảm bảo cho người thi công hiểu trọn vẹn các
chỉ tiết kết cấu, từ kích thước hình học đến vị trí và hình dáng cốt thép trong kết cấu, nhờ đó có thể làm ván khn và đặt cốt thép một cách chính xác theo thiết kế
a) Bồ trí kết cầu trong bản vẽ
Bố trí các bộ phận trên bản vẽ phải có sự hài hòa, phải đảm bảo tỷ lệ tiêu chuẩn quy định, vị trí hợp lý, khơng q thưa, không quá dày,
Một số nội dung bản vẽ kết cấu bê tông cốt thép thông thường gồm: Các bản vẽ
bố trí hệ kết cấu chịu lực như khung, dầm, sàn; các bản vẽ mặt cắt; các chỉ tiết cấu
tạo cốt thép, nói thép, cấu tạo thép; Các bản thống kê các bộ phận kết cấu và cầu
kiện; các ghi chú về vật liệu, về cầu tạo,
Bản vẽ bố trí kết cấu được thể hiện theo tỉ lệ 1/100; 1/200; 1/500
Trên bản vẽ bố trí kết cấu cần chỉ rõ: trục định vị của nhà hoặc công trình, khoảng cách giữa các trục với nhau với kích thước tổng cộng; cao độ các mức sàn; ký hiệu
các bộ phận kết cầu (cấu kiện)
b) Thể hiện bỗ trí cốt thép cau kiện trên bản vẽ
Vai trò của cốt thép trong kết cấu là chịu lực khi kết hợp với bê tông Do đó cần
thể hiện rõ, đúng vị trí, kích thước, chỉ tiết nối Trên các bản vẽ kết cấu cốt thép
được bố trí với quy ước xem bê tông như là trong suốt đề có thể nhìn thấy tất cả cốt
thép trong cấu kiện
Trên bản vẽ bố trí cốt thép được thể hiện theo tỷ lệ 1⁄20; 1/50 hay 1/100 Nội dung các bản vẽ này phải thể hiện rõ:
- Các đường bao của kết cấu, các kích thước cấu kiện (kích thước chỉ tiết, kích
thước tổng)
- Vị trí và hình dáng cốt thép trong cấu kiện, các chỉ tiết được hàn trước vào cốt
thép khi chế tạo (chỉ cần ghi ký hiệu và kích thước định vi)
- Chiéu day lớp bê tông bảo vệ cốt thép (tính từ mặt ngồi của thanh thép đến
mép ngoài của câu kiện)
- Chỉ tiết liên kết (ngàm, gối) phần ngoài biên của kết cấu với tường, hay vật liệu khác
Trang 20ị ;Or@® Is „G) Œ J - (2a ii cS c > oS E5 L > - > Sey + ASO! Z4) @) Wn đ â @ 1s @7 hố =.= ee a -= < _® 2912 2618 © O14 @ 2 @) 2614 T Ise" ® age vế AY 2014 ® | © 2918 || a 014/8 W 0 LÊ NI 2914 8 (8) a|LÌ 220,| 4-1 — 33 220 | 4-4
Hình 1.3 Một phần bản vẽ bê tông cốt thép - chỉ tiết bản vẽ
- Các bản thống kê cốt thép (thể hiện chỉ tiết các cấu kiện, hình đáng thanh, số lượng, khối lượng, )
- Bản vẽ được triển khai cốt thép với các kích thước đủ để cơng nhân có thé tao
được như chiều dài móc neo, các đoạn uốn, bán kính các đoạn cong Khi hình dáng
cốt thép đơn giản thì hình đáng triển khai của chúng có thể đưa vào bảng thống kê cốt thép
Phải thể hiện số mặt cắt ngang cần thiết (thằng góc hoặc nghiêng với trục của cầu kiện) để người đọc hình dung việc bố trí cốt thép, nối thép, cắt thép Tỷ lệ kích thước của mặt cắt ngang phải giống nhau cho từng cấu kiện và phải ghi chú đầy đủ kích thước cho các mặt cắt
Trên bản vẽ bố trí cốt thép cần phải có các ghỉ chú để cho người đọc bản vẽ cần nắm được các thông tin về: Một số chỉ tiêu vật liệu, cốt liệu (cấp độ bền, cỡ đá ), loại cốt thép và cường độ tính tốn của cốt thép, cách nối cốt thép, loại que hàn dùng để nối cốt thép, ghi chú khi thi công
Đối với kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước cần phải ghi chú thêm vào trên bản
vẽ cấp cường độ của bê tông và cường độ tối thiêu của bê tông khi căng cốt thép,
loại cáp, mác vữa dùng để lắp kín neo hoặc bơm vào ống rãnh, trình tự căng cốt
Trang 21TOM TAT CHUONG 1
Nội dung chương 1 trình bày về nguyên lý chung và các nguyên tắc trong thiết kế
kết cấu bê tông cốt thép Đây là kiến thức cơ bản, bao quát để thực hiện thiết kế
cơng trình nhà bê tông cốt thép Người thiết kế cần phải nắm được các nguyên lý thiết kế chung và các nguyên tắc trong thiết kế Để thiết kế cơng trình nhà bê tông cốt thép khả thi, người thiết kế cần hiểu rõ nguyên lý thiết kế về mối quan hệ hữu cơ giữa kiến trúc và kết cấu, những nguyên tắc, quy trình thực hiện thiết kế, nguyên tắc cấu tạo, các quy định về bản vẽ kỹ thuật và cuối cùng là cơng việc hồn thiện hỗ sơ
thiệt kê
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1 Phân tích mối quan hệ giữa kiến trúc và kết cấu trong thiết kế công trình bê tơng cơt thép?
2 Phương án thiết kế khả thi được đề xuất cẦn có những đặc điểm nào?
3 Nêu một số yêu cầu về mặt kỹ thuật trong thiết kế kết cấu công trình bê tơng
cốt thép?
Nêu trình tự quy trình thiết kế kết cấu cơng trình nhà bê tông cốt thép?
5 Những tải trọng nào tác dụng lên cơng trình nhà bê tông cốt thép? Đặc điểm,
tính chât tác dụng của những tải trọng đó lên cơng trình?
6 Nêu các phương pháp xác định nội lực đối với kết câu bê tông cốt thép? Nêu một số nguyên tắc về cấu tạo kết cấu bê tông cốt thép?
8 Bai tap nhém: Tim va phan tích tính khả thi cho một hồ sơ của một công trình
(trường học, chung cư ), với quy mô từ 7 - 10 tang?
Trang 22[1] [2] [3] [4] [5] 2
TÀI LIỆU ĐỌC THÊM
Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2015
Ngô Thế Phong, Lý Trần Cường, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh, Kế: cấu
bê tông cốt thép - Phần cấu kiện nhà cửa, Nxb Khoa học và Kỹ thuật,
Hà Nội, 2006
TCVCN 2737:1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế, Nxb Xây dựng,
Hà Nội, 1999
TCVCN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, Nxb Xây dựng, Hà Nội, 2018
TCVN 5896:2010/ISO 9431:1990 Bản vẽ Xây dựng - Bố trí hình vẽ, chú thích
Trang 23
Chuong 2
KET CAU KHUNG BE TONG COT THEP TOAN KHOI
MỤC TIÊU CHƯƠNG 2
Sau khi học xong chương này sinh viên cần:
© Trình bày được về khái niệm chung về khung bê tơng cốt thép
e Trình bày và hiểu được về các loại khung bê tông cốt thép
© Mơ tả được khung bê tông cốt thép
e_ Tính tốn được kích thước sơ bộ cho khung bê tơng cốt thép tồn khối e_ Tính tốn được tải trọng tác dụng lên khung bê tơng cốt thép
© Sử dụng phần mềm ứng dụng tin học phân tích nội lực và tổ hợp nội lực khung bê tông cốt thép
e Tính tốn được tiết diện cột chịu nén lệch tâm phẳng © Thiết kế được cấu trúc khung bê tông cốt thép toàn khối
2.1 KHÁI NIỆM KHUNG BÊ TÔNG CĨT THÉP
Hình 2.1 Khung bê tông cốt thép
Trang 24Khung bé tong cố thép (BTCT) là kết cấu chịu lực chính trong cơng trình Khung
được cấu tạo từ cột và dầm Liên kết giữa cột và dầm có thể là liên kết khớp (lắp
ghép), hoặc liên kêt băng nút cứng (đỗ toàn khối) Khung là kết cấu trung gian liên kết giữa kêt cầu móng và kêt câu mái
Khung bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các công trình xây
dựng, vì bê tông cốt thép là vật liệu dé kiếm, dễ chế tạo và bền vững với mơi trường Khung BTCT có kích thước nhịp và chiều cao tầng vừa linh hoạt vừa phù hợp với nhiều không gian kiến trúc khác nhau Bên cạnh đó kết cấu khung BTCT có giá thành hợp lý hơn so với các loại khác
2.2 PHÂN LOẠI KHUNG BÊ TƠNG CĨT THÉP
Có thể có nhiều cách phân loại khung BTCT, mỗi cách phân loại mang một ý
nghĩa khác nhau Chẳng hạn dựa vào số nhịp, số tầng, hình dáng đầm ngang để phân ra các loại: khung một nhịp và khung nhiều nhịp; khung một tầng và khung nhiều tầng; khung có dầm ngang phẳng, dầm ngang vòm, và dầm ngang là thanh xiên
(xem hình 2.2):
- Dựa vào biện pháp thi cơng có các loại: khung bê tơng cốt thép tồn khối, khung
bê tông cốt thép lắp ghép, nửa lắp ghép;
- Dựa vào trạng thái ứng suất có: khung BTCT thường và khung BTCT ứng lực
trước Do khung ứng lực trước được nén trước lực nén để hạn chế một phần nội lực do tải trọng nên khả năng chịu lực và khả năng vượt nhịp tốt hơn khung BTCT thường
Ngoài ra căn cứ vào cốt thép: khung BTCT cốt mềm và khung BTCT cốt cứng
Cốt cứng ở đây là kết cấu liên hợp thép - bê tông, cốt cứng bằng thép hình chữ I, L,
U và cốt mềm là cốt thép thông thường
Sau đây là một số loại khung BTCT thường gặp: 2.2.1 Khung bê tông cốt thép tồn khối
Khung bê tơng cốt thép toàn khối được đặt tên theo phương pháp chế tạo Toàn khối là muốn nói liên kết mối nối giữa cột và dầm được thi công liền khối với nhau
Do đó khi tính toán liên kết giữa cột và dầm được mơ hình là liên kết nút cứng
Khung cốt thép tồn khối có ưu điểm với độ cứng tốt, khả năng chịu tải trọng tốt, đặc biệt là tải trọng ngang Khung BTCT toàn khối được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật xây dựng
Theo hình dáng thanh ngang có loại khung BTCT tồn khối sau: khung có thanh ngang thăng (Hình 2.2a), khung có thanh ngang xiên - gãy khúc (Hình 2.2b), khung có thanh ngang dạng vịm (Hình 2.2c) và khung liên kết khớp với móng (Hình 2.2d)
Mỗi một dạng khung này có phạm vi ứng dụng và khả năng chịu lực khác nhau
24
Trang 25Chúng ta có thể thấy các khung ở hình a, b, c có liên kết với móng là ngàm, do đó
khả năng chịu tải trọng ngang sẽ tốt hơn nhiều so với khung ở hình d, đồng thời có tính ồn định tốt hơn Các khung có thanh ngang là gấy khúc và thanh ngang dạng vịm (hình b, c) sẽ chịu lực tốt hơn, vượt nhịp lớn hơn so với khung có thanh ngang
thẳng (hình a) do khung ở hình b, c có nội lực trong thanh xiên - gãy khúc, trong vòm
có thành phan lực nén Sơ đồ khung ở hình (a) cho nhịp dưới 15 m, sơ đồ khung ở
hình (b) cho nhịp từ 15 đến 18 m, sơ đỗ khung ở hình (c) cho nhịp trên 18 m Khung ở hình (d) có mơmen uốn đầu cột và dầm ngang tăng lên, nhưng do liên kết khớp với móng nên sẽ giảm được kích thước móng, giảm tác dụng của tải trọng động đất Khung BTCT toàn khối liên kết cột và dầm là nút cứng, độ cứng theo phương ngang, theo phương đứng đều tốt, chịu tải trọng ngang tốt, do đó được sử dụng cho cơng trình nhà nhiều tầng ng] Ti I I =| L I J ey ew L u | | 1
Hình 2.2 Các dạng sơ đồ khung bê tông cốt thép® 2.2.2 Khung bê tơng cốt thép cốt cứng
Khung BTCT cốt thép cốt cứng được sử dụng rộng rãi trong công trình dân dụng
vì có khả năng chịu lực lớn và vượt nhịp lớn Để đạt hiệu quả cao về chỉ phí đầu tư
xây dựng, khung BTCT có cốt cứng nên được sử dụng cho cơng trình cao tầng, siêu
cao tầng, kết cầu nhịp lớn Khi chỉ xét điều kiện kinh tế trong việc sử dụng hết khả
năng của cốt cứng thì dùng cốt cứng là hợp lý khi trọng lượng bản thân của kết cấu
không vượt quá 25% tổng tải trọng” Hình 2.3 là tòa nhà Trung tâm Tài chính Thượng Hải cao 492 m gồm 101 tầng được thiết kế cốt cứngŠ
Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2015, tr 33
7 Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kế: cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
2015, tr 45
8 Nguồn Internet
Trang 26
Thiết kế cốt cứng trong cơng trình nhà nhiều tầng nhằm giảm tiết diện cấu kiện để
tăng không gian sử dụng Trong quá trình sử dụng, bê tông và cốt thép cộng tác với nhau cùng chịu lực, tức là chịu những tải trọng đặt vào kết cấu sau khi tạo dựng Dầm có cốt cứng có thẻ có chiều cao lớn, cánh trên trong vùng nén, cánh dưới trong
vùng kéo như hình 2.4a Cốt thép dọc mềm đặt vào chỉ có nhiệm vụ cấu tạo, cốt ngang đặt vào theo tính tốn đề chịu lực cắt
So mg —rmr Sã bez @z#6 BARS@3" @ #6 BAR 121 a = ch 4)#4 BARS@6” i | 5)#4 BARS@6" i ' \ i xì Th Ba? | ‘ a t | Ỉ io] + W 14x87 | i | ỉ Blin 5 2) #6 BARS@3" Ỉ : ; | j š ¬ ị tạ \ bot f ny ’ ‡ ị XE ị ị 2 : | 7 2 { gL ea ị is W 14873 i Ñ ¬ ; @as Bar’ @2 (z¿ sARS@6”
Hình 2.3 Tiết diện cột có cốt cứng - Trung tâm Tài chính Thượng Hải (Nguén: Internet) a ` a | 46-8 | $8-10 $8-10 5 E wo oO x1 Ih 3| 2+ ie | 98-10 5 cm 4) b)
Hình 2.4 Cầu tạo tiết diện của dầm cốt cứng”
? Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tơng cót thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2015, tr 46
Trang 27Cốt cứng trong dầm, cột là những thanh thép hình chữ: I, L, thép góc, thép ống
hộp tròn, Theo nghiên cứu, tính tốn hàm lượng cốt cứng trong cột từ 3 đến 8 %,
trong một số trường hợp có thẻ lớn hơn giá trị đó, nhưng khơng được vượt quá 15%
để đảm bảo sự liên kết giữa bê tông và cốt cứng Đối với cột phải đảm bảo độ mảnh không vượt quá 80 Giá trị nhỏ nhất của đường kính cốt là 12 mm, cốt đai là 8 mm, khoảng cách cốt đai s = 200 mm va 1⁄2 kích thước tiết diện nhỏ nhất Cấu tạo cột cốt
cứng xem hình 2.5, chỉ dẫn nguyên tắc cấu tạo để đảm bảo cốt cứng và bê tông cùng
đồng thời chịu lực với nhau
2 >80 2 5 2-1 250 1-4 250 ¿6-8
Hình 2.5 Cấu tạo tiết diện của cột cốt cứng'
2.2.3 Khung bê tông cốt thép lắp ghép
Khung bê tông cốt thép lắp ghép được cấu tạo, lắp dựng từ cột và dầm mà chúng được chế tạo từ trước ở các xưởng đúc bê tông cốt thép Do các cấu kiện cột, dằm
được đúc sẵn tại các xưởng bê tông nên chất lượng tốt bởi việc chế tạo và bảo dưỡng đảm bảo quy trình và tiêu chuẩn Tuy nhiên, độ cứng tổng thể của khung bê tông cốt thép lắp ghép kém do liên kết giữa dầm và cột không tốt
2.2.4 Khung bê tông cốt thép ứng lực trước
Khung bê tông cốt thép ứng lực trước dùng để vượt nhịp lớn mà khung BTCT thông thường không sử dụng được Bản chất khung BTCT ứng lực trước là tạo một lực nén trước trong kết cấu để triệt tiêu một phần nội lực do tải trọng tác dụng Sơ đồ
' Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2015, tr 47
Trang 28khung BTCT ứng lực trước l nhịp giống như sơ đồ khung BTCT thông thường (dầm ngang phăng, gãy khúc, vịm) Đơi với sơ đỗ khung có dầm ngang gãy khúc thì độ độc nhỏ hơn khung BTCT thường Mục đích sử dụng khung BTCT ứng lực trước là đáp ứng khâu độ nhịp lớn của không gian kiến trúc
Đối với khung BTCT ứng lực trước toàn khối và căng cáp tại chỗ thì nhịp của nó
có thể vượt tới 50 - 60 m, hoặc có thể lớn hơn Cốt thép thường trong khung BTCT
ứng lực trước là cốt cầu tạo, sử dụng thép cường độ cao Khi cần giảm trọng lượng bản thân do phải vượt nhịp lớn, người ta sử dụng tiết điện chữ I
“—— #&==c=c <a i : Nà == | i i i oo iL INL a) b) ©)
Hình 2.6 Bồ trí cốt thép căng trước ở góc khung!!
Khi trên đỉnh cột liên kết với dầm ngang là nút cứng, có thể có 3 phương án bồ trí cốt thép ứng lực trước như hình 2.6 (a, b, c) Mỗi phương án này đều có ưu điểm,
nhược điểm riêng Phương án (a) tốt về khả năng chịu lực, nhưng thi công căng cáp
khó hơn, thành phần hao tồn ứng suất do ma sát sẽ lớn Phương án (b), cốt thép ứng lực trước được tách rời độc lập giữa cột và dầm và được quy tụ vào nút Phương án này sẽ dễ thi công, giảm được tôn thất ứng suất do ma sát Tuy nhiên, phương án (b) lại tạo ra sự tập trung ứng suất tại nút rất lớn, do đó ta phải gia cố thêm cốt thép để
bảo vệ Ở phương án (c), được bố trí cáp ứng lực trước ở dầm ngang, cịn khơng bố trí cáp ở cột Như vậy cho thấy độ cứng của cột sẽ bé hơn của dầm, điều này không được ưu tiên dùng trong thiết kế
2.3 THIẾT KÉ KHUNG BÊ TƠNG CĨT THÉP TỒN KHĨI
Trình tự thiết kế khung BTCT toàn khối được thực hiện như sau: mơ tả, trình bày về khung cần thiết kế; lựa chọn phương án, lập sơ đồ kết cấu; chọn kích thước sơ bộ khung (dầm, cộU); tính tốn tải trọng; tính tốn nội lực, tổ hợp nội lực; tính tốn tiết
diện, kiểm tra điều kiện sử dụng; thiết kế chỉ tiết, chọn cấu tạo, hoàn thiện hồ sơ bản
vẽ Để thực hiện tốt tất cả các giai đoạn trên người thiết kế cần nắm vững các kiến
thức liên quan đến tính tốn kết cấu, vật liệu, kiến trúc và các nguyên tắc cấu tạo
!! Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
2015, tr 48, hình 2.20
Trang 292.3.1 Mơ tả, phân tích tính tốn
Khung bê tơng cốt thép tồn khối trong cơng trình là kết cấu chịu lực chính, tùy
vào cấu tạo - sơ đồ tính mà nó có thể chịu tải trọng ngang, tải trọng đứng, hoặc cả
hai Khung BTCT kết hợp với nhau, khung ngang kết hợp với khung dọc nhà, khung kết hợp với kết cấu sản tạo thành hệ chịu lực cho công trình Tùy vào kích thước,
hình dáng cơng trình mà có thể hệ khung chịu lực theo hai phương gần giống nhau,
hoặc lệch nhau lớn Khung BTCT toàn khối làm việc không gian (khung không gian) khi hệ khung chịu lực theo hai phương tương đương nhau, khi chịu lực theo hai phương chênh lệch lớn thì có thể coi khung làm việc một phương (khung phẳng)
2.3.2 Xác định kích thước sơ bộ
Kết cấu khung BTCT toàn khối bao gồm cột và dầm liên kết với nhau tạo thành,
nút khung là nút cứng Khung là một hệ siêu tĩnh, do đó độ cứng giữa các phan tir cân đối nhau để phân phối nội lực hợp lý giữa chúng, đảm bảo bền vững, biến dạng ít và dễ thi công Điều này cần được xem xét khi xác định kích thước sơ bộ của các
bộ phận cấu kiện
Xác định kích thước sơ bộ khung bao gồm xác định kích thước dầm và cột Trong
Học phần 1 - Phần cầu kiện cơ bản đã đưa ra công thức xác định kích thước sơ bộ dầm chính, dầm phụ cho hệ dầm liên tục
a) Kích thước dầm khung
Chiều cao dầm khung được xác định như sau!?:
1
h=—l (2.1)
m
trong dé: / - chiéu dai nhip khung;
m - hệ số được lấy theo bang 2.1:
Bảng 2.1 Bảng tra tham số m Hình dáng dầm ngang ` :
M6t nhip Nhiéu nhip
1 Thang 10-12 12-16
2 Gãy khúc: - không có thanh căng 12-16 12-18
- có thanh căng 16-20 16-24
3 Cong: - khơng có thanh căng 18-24 18-30
- có thanh căng 30-35 30-40
'2Ng6 Thé Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
2015, tr 50, 51
Trang 30Chiều rộng b của dầm được xác định theo yêu cầu thẩm mỹ, cấu tao, kién tric,
thi công: i
b=(1/4-1/2)h (2.2) |
Kích thước chiều cao dầm cũng có thể được xác định theo công thức sơ bộ sau:
M
hạ =2 0 bR (2.3) PS)
n
trong đó:
họ - chiều cao làm việc của dầm ngang;
b-bề rộng dim, b được giả thiết trước căn cứ vào yêu cầu cấu tạo và mỹ quan; Ra - cường độ chịu nén tính tốn của bê tông:
M=(0,6~0,6)Mẹ (2.4) |
Mẹ - mômen lớn nhất xuất hiện trong dầm ngang khi coi nó như một dầm đơn
giản có nhịp bằng chính nhịp dầm ngang đó Sau đó tính:
h=hạ + a với a được chọn theo cấu tạo
b) Kích thước cột
Diện tích tiết điện cột là Ac được xác định sơ bộ theo công thức sau:
_kN
Ac c = Ry (2.5a)
trong do:
N - luc doc trong cột do tải trọng đứng, được xác định bằng cách tính tổng tai
trọng đứng tác dụng lên phạm vi (diện chịu tải) truyền tải vào cột hình 2.7
thể hiện diện chịu tải của các cột thuộc trục 1;
k - hệ số kể đến ảnh hưởng của mômen, lấy từ 1,0 đến 1,5
Từ công thức (2.5a) xác định được diện tích tiết diện cột A,„ từ đó xác định kích
thước b x h nếu là hình chữ nhật, đường kính nếu là đường trịn Đối với cột chịu
nén lệch tâm, kích thước h - chiều cao làm việc lớn hơn b, do đó tùy vào mức độ lệch tâm mà chọn h, b như sau: h = (1,5 — 3)b Trường hợp cột nén lệch tâm xiên,
tiết điện cột nên chọn vng, trịn hoặc chữ nhật
Trang 311800 _| 1800 3600 Pham vi ày ae vi
truyén tai77N truyén tah truyện tải
tán cat lên cột Viên cột r®
trục C trục B trụP | 1800 + 1800 3600 3150 3150 1200 J1200) 6300 2400 â đ ®
Hình 2.7 Sơ đồ diện chịu tải của cột
2.3.3 Xác định sơ đồ tính
Sơ đồ tính là sơ đồ phản ánh sự làm việc thực tế của kết cấu Do vậy đề lựa chọn
được sơ đồ phù hợp cần hiểu rõ và hình dung sự làm việc của kết cấu đó Khung BTCT tồn khối có nút khung là nút cứng, khung được liên kết ngàm với móng
Điều này chỉ mới nói lên định tính, mà chưa có định lượng Cần phải xác định vị trí - tọa độ nút cứng (nhịp tính tốn, chiều cao tính tốn) và vị trí - tọa độ ngàm Cao độ
ngàm của cột với móng được lấy bằng cao độ mặt trên của móng Hình 2.8 là một ví
du thé hiện sơ đồ tính khung phẳng gồm 4 nhịp và 5 tang
3600 3600 3600 3600 3 3600 @ oe â đ
Hỡnh 2.8 Sơ đồ tính khung phẳng gồm 4 nhip, 5 tang
Trang 322.3.4 Xác định tác trọng
Để xác định tải trọng tác dụng lên khung cần dựa vào tiêu chuẩn thiết kế “Tải
trọng và tác động - TCVN 2737:1995” Trong tiêu chuẩn này quy định chỉ tiệt, cụ
thể đặc điểm tác động của tải trọng, giá trị tiêu chuẩn tải trọng Tải trọng tác dụng
lên khung BTCT gồm tải trọng tác dụng theo phương đứng và tải trọng tác dụng theo phương ngang
a) Tải trọng đứng
Tải trọng tác dụng theo phương đứng (tải trọng đứng) đó là: trọng lượng bản
thân, hoạt tải sử dụng Tải trọng đứng đã được tiếp cận, đề cập đến ở Học phần 1-
Cấu kiện cơ bản bê tông cốt thép
Ở giáo trình này chỉ đề cập đến tác dụng của tải trọng đứng lên khung BTCT như
thế nào Dựa vào đặc điểm của tải trọng để xác định cách tác dụng của tĩnh tải và ,
hoạt tải sàn Tĩnh tải tác dụng thường xuyên lên cơng trình - lên khung, đo đó chỉ có ; một trường hợp chất tải Hoạt tải sàn, hay còn gọi là hoạt tải sử đụng tác dụng không
liên tục, không thường xuyên nên cần tìm ra trường hợp chất tải có nội lực bất lợi nhất Như vậy, đối với khung phẳng khi chất hoạt tải lên khung thường có 3 trường |
hợp: 2 trường hợp lệch tầng, lệch nhịp, 1 trường hợp chất tồn bộ Hình 2.9 thể hiện
2 trường hợp chất tải lệch tầng, lệch nhịp, trường hợp còn lại là cộng tổng hợp của hai trường hợp kia
Ngoài ra cần xét đến khả năng chất đầy hoạt tải sử dụng lên sàn các tầng đối với
các ô sàn lớn và số tầng nhà từ 2 trở lên, theo TCVN 2737:95 cho phép giảm tải khi ì
tính tốn sàn, dam và cột bang cac hé sé Wa, Wao Wal Va2-
Trường hợp hoạt tải sử dụng nhỏ hơn 10% trọng lượng bản thân công trình thì có : thể cộng hoạt tải đó với trọng lượng bản thân công trình để tính nội lực
ị ⁄ ⁄ Ve Ñ Ñ ⁄ ⁄ Ct Ñ Ñ
Hình 2.9 Hai trường hợp chất hoạt tải - chất lệch tang, léch nhip
32
t
i
Trang 33ee a ne Se gee at Ea esszrnr=s==e==
b) Tải trọng ngang - tải trọng gió tinh
Tải trọng ngang là tải trọng tác dụng lên công trình theo phương ngang nhà, bao
gồm: tải trọng gió, tải trọng động đất, các lực hãm, lực va chạm Trong chương này chi dé cập đến thành phần tĩnh của tải trọng gió, cịn thành phần động và tải trọng động đất sẽ trình bày ở Chương 4 của giáo trình nảy
Giá trị tiêu chuẩn của phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao z so với mốc tiêu chuẩn đạt được xác định theo:
W = Wo.k.c (2.5b)
trong đó:
Wo - gia trị áp lực gió, phụ thuộc vào vùng áp lực gió theo địa danh hành chính (bảng 1.11 và bảng 1.12, phụ lục 1);
Nếu có số liệu về tốc độ gió thì có thể tinh Wo theo:
Wo= 0,0613.(Vọ)? (daN/m”) (2.6)
ở đây:
Vo - van téc gid (m/s) ở độ cao 10 m so với mốc chuẩn, lấy trung bình trong khoảng thời gian 3 giây, bị vượt trung bình một lần trong 20 năm, ứng với
địa hình dạng B;
k - hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao, xác định theo phụ lục 1, bảng 1.13; c - hệ số khí động, lấy theo bảng 6 của TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động,
tiêu chuẩn thiết kế
Phần tĩnh của tải trọng gió được xem là phân bố đều trên phương ngang ở cao
trình z nào đó Phần đón gió sé bi day vào (c có dấu cộng) cịn phần phía sau nhà sẽ bị hút ra (c có dấu trừ) Nên hiểu rằng, xem áp lực gió phân bổ đều theo phương ngang chỉ là giả định Trong thực tế, gió phân bổ khơng đều và sẽ làm cho nhà bị xoắn Điều này cần được người thiết kế lưu ý (Xem: Kết cấu nhà bê tông cốt thép,
GS.TS Ngé Thé Phong - Chủ biên)
Ở một vài nước khác, người ta còn xét đến trường hợp cửa khơng đóng kín, gây thêm tải trọng ngang theo hướng gió Theo TCVN 2737:1995, hệ số độ tin cậy của tải trọng gió được lấy bằng 1.2 tương ứng với nhà có thời gian sử dụng giả định là 50 năm Khi thời gian sử dụng khác đi thì giá trị tính tốn của tải
trọng gió phải thay đổi bằng cách nhân với hệ số cho trong bảng 2.9, Phụ lục 2, (Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kế: cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2015)
Khi chất tải trọng gió lên cơng trình cần lưu ý chất với hai trường hợp: gió trái và
gió phải
Trang 342.3.5 Xác định nội lực, tổ hợp nội lực
Khung BTCT toàn khối là kết cấu siêu tĩnh bậc cao, khi số tằng, số nhịp càng lớn
thì bậc siêu tĩnh càng lớn Do đó, việc tính tốn nội lực cho khung BTCT toàn khối
không thể sử dụng các phương pháp tinh thi công mà phải sử dụng đến các phần mềm ứng dụng tin học Các phần mềm tin học ứng dụng phổ thông hiện nay như SAP 2000, ETAB, đều được lập trình dựa trên phương pháp phần ne hữu hạn Đẻ sử dụng phần mềm ứng dụng, ngoài việc nắm vững kiến thức cơ bản về Sức bền vật
liệu, Cơ học kết cầu, còn cần nắm vững kiến thức về kết cấu, vật liéu,
Khi xác định được nội lực (M, N, Q) cho từng trường hợp tải trọng, tiến hành tổ hợp nội lực dé tìm ra nội lực bất lợi nhất tại các tiết diện quan trọng của đầm và cột:
e Đối với cột thì có hai tiết diện quan trọng là tiết diện dưới chân và trên đỉnh cột,
tùy vào nội lực mà có thể thêm tiết điện khác
e Đối với dầm ngang thẳng có tiết diện giữa nhịp và hai tiết diện hai đầu dim
giáp cột Cần lưu ý thêm đối với những tiết diện mà tại đó có đặt lực tập trung
Trong một số trường hợp đặc biệt, quan trọng thì cần phải vẽ biểu đồ bao nội lực
để xác định được tính chắc chắn sự bắt lợi trên các tiết diện, là cơ sở để bố trí thép,
cắt thép, neo thép phù hợp
Theo TCVN 27-37:1995 có hai loại tổ hợp: tô hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt (đã
trình bảy ở Chương 1) Khung BTCT toàn khối ở đây chỉ đề cập đến những tải trọng thông thường, do đó chỉ cần dùng đến THCB 1 và THCB 2 Khi tiến hành tổ hợp, ở
mỗi tiết diện phải xét cho các cặp nội lực nguy hiểm như sau:
- Đối với dằm: M}., Ma„x, Quax-
- Đối với cột chịu nén lệch tâm, có 3 cặp nội lực sau:
Cap | Cặp 2 Cặp 3
Minax> New Minax> Nụ Minax> max > Mur
Khi cột bế trí thép đối xứng thì ta chọn các nội lực sau:
Cap 1 Cap 2 Cap 3
‘ M
IM] sax Nu Ninax> Nu haere Imax
Nối với cột chịu nén lệch tâm xiên thì chọn các cặp nội lực sau:
Cap 1 Cặp 2 Cặp 3 Cặp 4 Cặp 5
My, Max ? Max > x x,Max› Mỹ, Max > yMaxsM xu, y.Max? Mx ews Ngx› My;
Trang 35
Ký hiệu “tư” là viết tắt từ tương ứng, là nội lực tương ứng trong cùng tỗ hợp (+)
hoặc (—) tương ứng với nội lực có giá trị mang dâu dương hoặc âm
Tại tiết diện cột liên kết với móng can phai tim ra thém Qu, dé phuc vu tinh
tốn móng
Ví dụ về thực hành tổ hợp nội lực cột nén lệch tâm phẳng (bảng 2.2) Bang 2.2 Bảng tổ hợp nội lực cột lệch tâm phẳng
Nội Nội lực ơi Ì f :
: Hải Noi Mee Ì Tả hợp cơ bản 1 | TẾ hợp cơ bản 2
Tiết | Nội ie do hoat tai san do gió
Ø
điện | lực | „| Trường| Trường| Trường| Giá | Giá | Mme | Mau | Na | Me | Min | Nnax
tái | hơp 1 | hợp2 | hợp 3 | trái [phải | Nrự | Nrư | Mrv | Nrư | Nrư | wrư
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M | 27 21 -3 18 |-36] 38 | 65 | -9 | 45 | 80 | -8 | 77,4 N | 230] 100 39 139 | -7 | 9 | 239 | 233 | 369 | 328 | 259 | 363 M|-14] -10 2 -8 37 |-35| 23 |-49]-22 | 21 }-54,5) -53 B N | 240} 100 39 139 |-7,5| 6 |232,5J 246 | 379 | 268 | 335 | 370
Trường hợp tính nội lực theo sơ đồ khớp dẻo độc giả có thể đọc tại trang 57, cuốn
“Kết cấu nhà bê tông cốt thép” do các tác giả GS.TS Ngô Thế Phong và GS.TS
Phan Quang Minh biên soạn
2.3.6 Tính tốn tiết điện
Sau khi có giá trị nội lực của các trường hợp tải trọng tác dụng, tiến hành tính toán bảng tổ hợp nội lực cho dầm, cột Để tính thép cần lựa chọn các cặp nội lực
nguy hiểm từ bảng tổ hợp nội lực dầm và cột Cặp nội lực nguy hiểm được chọn là cặp có giá trị tuyệt đối lớn, cặp có sự chênh lệch lớn giữa M và N lớn,
Tính toán tiết diện cấu kiện cột và dầm đối với trường hợp khung phẳng BTCT tồn khối đã được trình bày ở phần trước “kết cấu bê tông cốt thép” Do đó, ở đây khơng trình bày lại chỉ tiết phương pháp tính mà thực hiện tính bằng ví dụ trực tiếp
sau đây (trường hợp cột chịu nén lệch tâm xiên sẽ trình bày tính toán ở Chương 4 - Nhà cao tầng)
Cần lưu ý về một số thay đổi nhỏ trong phần tính tốn tính tốn cột giữa TCXD
5574:2012 và TCXD 5574:2018
Sau đây trình bày về một ví dụ tính tốn cột nén lệch tâm:
Trang 36Vi du: Cột của khung toàn khỗi, siêu tĩnh ba nhịp, nhiều tầng Chiều dài cột
1= 4200 mm Tiết diện chữ nhật b = 400 mm; h = 600 mm Bê tông cấp B20, đỗ bê
tông theo phương đứng Nội lực gôm M = 300 kNm; N = 2000 kN u cầu tính tốn cốt thép đỗi xứng bằng thép nhóm CI
1 Số liệu:
Bê tông B20 đỗ theo phương đứng, mỗi lớp dày trên 1,5 m, hệ số điều kiện làm việc
Yo = 0,85; Ry = 0,85x11,5 = 9,8 MPa
Cốt thép CII có R, = Rec = 280 MPa Hé sé: Ep = 0,62
Giả thiết a = a' = 40 mm; họ = h — a = 560 mm; Z, = 520 mm
M_ 300 D6 léch tam: e, = — =
N 2000 =0,15 m=150 mm
Độ lệch tâm ngẫu nhiên: e„ > max an =7 anne =20 mm
600 80
Khung siêu tĩnh: e9 = max(e); es) = 150 mm
Xét uốn dọc: Với khung nhiều tầng, ba nhịp, san tồn khối, có Jp = 0,71 = 0,7x4200 =
2940 mm
Ig _ 2940 : £ ‘
+ =—— =4,9 <8 - Bo qua u6n doc, lay n = 1 h 600 2 và:
e= reo + 0,5h — a = 150 + 300 — 40 = 410 mm
2 Tính cốt thép:
à N_ _ 2000x1000 Ryb 9,8x400
Egho = 0,62 x 560 = 347 mm Xảy ra trường hợp xị > Šnho Tính tốn x theo phương pháp đúng dần:
Trang 37400 3 Xứ lý kết quả: _ 2xI638 H+ E 200x560 Chọn cốt thép: 420 + 122 = 1256 + 380 = 1636 mm”
Vì h = 600 > 500 nên giữa cạnh h cần dat thém cét thép doc cau tao 014
Cốt thép đai chọn ®6, khoảng cách 250
=0,0164 = 1,46% > Hạn
Kiểm tra lại khoảng cách a Chọn chiều dày lớp bảo vệ c = 25mm, a = € +2 =25+11=
36 mm, bé hon tri sé gia thiét
Kiểm tra khoảng hở giữa các cốt thép Theo quy định cấu tạo, khi đồ bê tông theo
phương đứng khoảng hở t cần > 50 mm
pe 400—4x20—22—2x25 4 = 62 mm đạt yêu cầu
2.4 CAU TAO KHUNG BE TONG COT THEP TOAN KHOI
Quá trình tính tốn thiết kế khung là chuỗi công việc quan trọng, yêu cầu tính
chính xác cao để được một số liệu tin cậy, an toàn nhất Tuy nhiên để đưa ra bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công triển khai ra ngoài thực tế còn cần nhiều nội dung mà
trong tính tốn chưa đề cập đến, trong đó có vấn đề cầu tạo khung
Khung bao gồm các phần tử liên kết lại với nhau, nghĩa là bao gồm các thanh và
nút khung Vấn đề cấu tạo khung liên quan đến cấu tạo các phần tử đó (thanh, nút
khung) Phần cấu tạo chỉ tiết về hàm lượng thép dầm, cột, lớp bảo vệ, nối thép đã được đề cập ở Học phan 1 - Cầu kiện cơ bản BTCT
Đối với khung BTCT toàn khối, phần câu tạo ta tập trung vào cấu tạo nút Nút khung phải có kích thước hình học và bố trí cốt thép sao cho phù hợp với sơ đồ tính tốn là rất quan trọng Về nguyên tắc nút cứng phải đảm bảo bê tông không bị vỡ khi bị nén và cốt thép khơng bị tuột Hình 2.10 thể hiện cấu tạo thép ở nút khung, cho thấy định tính rằng cấu tạo cốt thép nút khung khá phức tạp
Trang 38Cốt dọc 1
Hình 2.10 Hình ảnh cấu tạo cốt thép khung
Trạng thái ứng suất của nút khung khá phức tạp, trạng thái ứng suất nút khung còn
phụ thuộc mục tiêu thiết kế, tải trọng tác dụng, Chẳng hạn trong trường hợp khung chịu tải trọng lặp, khung chịu tải trọng động đất thì cầu tạo nút phải đặc biệt hơn cấu tạo
nút khung thông thường Trạng thái ứng suất tại nút cong phụ thuộc vào vật liệu, cụ thể là sự bố trí cốt thép ở nút Sự phân bố ứng suất phụ thuộc nhiều vào hình dạng và kích
thước nút Ở các góc (góc biên, góc giữa) là những nơi tập trung ứng suất lớn nhất trong
khung Để bố trí thép ở nút khung ta có thể dựa vào quỹ đạo ứng suất kéo chính (khơng
dựa vào mômen, lực cat), hoặc sử dụng thực nghiệm để có cấu tạo hợp lý
2.4.1 Cấu tạo nút góc trên cùng
Hinh 2.1 1a rit ra tir cdc kết quả thí nghiệm của nút khung ở góc trên cùng cho thấy
ứng suất theo đường chéo thay đổi tuyến tính Khi thay góc gãy thành đường cong hoặc
đường chéo (tạo nách khung) thì sự tập trung ứng suât sẽ giảm đi đáng kê (hình 2.1 1b)
4> Ss > )M su M tp M N
Hình 2.11 Ứng suất của nút khung góc trên cùng
'3 Ngơ Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
2015, tr 35, hình 2.4 38
Trang 39
Nút góc trên cùng thường có giá trị mômen ở đầu dầm lớn, do đó việc neo cốt
chịu kéo từ dầm phải cẩn trọng do ở cột khơng có lực nén truyền từ tầng trên xuống
(dễ tuột hơn) Độ lệch tâm của N so với trục dọc cột đi qua trọng tâm tiết điện định
cột eyh, sẽ quyết định cấu tạo thép nút góc trên cùng
Với cạ = TẾ, và hạ - chiều cao tiết diện đỉnh cột: eg/h 0 N
Ty sé eg/h, càng lớn chứng tỏ mômen càng lớn, do đó chiều đài neo của cốt thép
phải lớn Lưu ý rằng không được cắt tất cả các cốt thép ở cùng 1 tiết diện đề tránh sự
tập trung ứng suất dễ gây nên sự phá hoại cục bộ
Để bố trí cốt thép tại góc trên cùng thì dựa vào e/h, như sau:
e ey/h, < 0,25, mômen bé, cấu tạo nút khung như hình 2.12a
e 0,25 < e/h, < 0,5, có khơng ít 2 thanh cốt thép chịu kéo của dầm phải được kéo
qua mép dưới của dầm 1 đoạn 30d, số thanh cịn lại neo ở phía trên nhưng không
được nhiều hơn 4 thanh (hình 2.12b)
© eh, > 0,5 tat cả các cốt thép chịu kéo của dầm phải được kéo qua mép dưới của
dầm 1 đoạn không nhỏ hơn 30d, ở mỗi tiết diện cách nhau 30d chỉ được cắt khơng
q 2 thanh (hình 2.12c) Nhằm tránh các cốt thép này xuống cột quá sâu, nên kết hợp việc kéo cốt thép chịu kéo từ dầm xuống cột và từ cột lên dầm Cốt thép cột kéo
lên dầm được cắt theo biểu đồ bao mômen và được ưu tiên cắt trước
Theo tiêu chuẩn TCXD 5572:2018 thì khi bẻ góc thanh thép cần bo góc thành góc
trịn theo quy định: r = (10 — 15)d
Trường hợp mômen rất lớn (eo/h, > 0,5), góc khung cần mở rộng (nách khung)
như hình 2.11c để giảm sự tập trung ứng suất, tăng cường khả năng chịu mômen
Nách khung được quy định: chiều đài nách không nhỏ hơn 1/10 nhịp dầm, chiều cao
nách không nhỏ hơn 0,4 chiều cao dầm ngang, độ dốc của nách chọn lớn hơn 1:3
được coi là có hiệu quả
IS {FSS a) b) ©)
Hình 2.12 Cấu tạo nút khung ở góc trên cùng 4) evh <0,25; b) 0,25 <ewh„ <0,5; ©) e/h, >0,5
Trang 402.4.2 Cầu tạo nút biên giữa các tầng
Hình 2.13 thể hiện cấu tạo nút biên ở giữa các tầng Khi đoạn neo cốt thép uốn
cong thì phải đặt cơt đai với khoảng cách không quá 100 mm để gia cường, đoạn
thép kéo thẳng không quá 0,5 /„¿¿ (hình 2.13b)
I 20,5) 210d Cét dai phụ l h | h
Hình 2.13 Cấu tạo nút khung biên giữa!
Để hiểu rõ bản chất cấu tạo các nút khung trên cần đọc thêm cuốn sách ““Kết cấu
nhà bê tông côt thép”, và một sô tài liệu khác liên quan 2.4.3 Cầu tạo nút giữa
h, ic
Hình 2.14 Cấu tạo nút giữa khung!”
!“ Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
2015, tr 37, hình 2.6
'5 Ngo Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,