- Xác định các tải trọng tác dụng lên khung không gian.. N: Lực nén, được tính toán gần đúng như sau:: Số sàn phía trên tiết diện đang xétq: Tải trọng tương đương tính trên mỗi mét vuông
SỐ LIỆU BAN ĐẦU
Số liệu chung
- Nhà khung BTCT toàn khối 3 tầng, 5 nhịp đối xứng Bước cột đều nhau Sinh viên tính toán thiết kế khung phẳng trục 3.
- Mái đổ BTCT toàn khối cùng với dầm mái; có độ dốc mái i=1/10 và điểm thấp nhất có cao độ SM Cấu tạo các lớp mái M như sau:
+ Hai lớp gạch lá nem, vữa XM#50 dày: 50mm
+ Lớp gạch hộp chống nóng, vữa XM#50 dày: 250mm
+ Lớp bê tông chống thấm dày 50mm, có lưới thép ϕ6a150x150
+ Lớp BTCT sàn mái (bề dày lấy theo thiết kế kết cấu sàn mái)
+ Vữa XM#50 trát trần dày: 15mm
- Sàn BTCT toàn khối cùng với dầm khung; có các cao độ S1,
S2 Cấu tạo các lớp sàn S như sau:
+ Lớp gạch Ceramic lát nền, đệm vữa XM#50 dày: 30mm + Lớp BTCT sàn (bề dày lấy theo thiết kế kết cấu sàn)
+ Vữa XM#50 trát trần, dày: 15mm
- Tường bao che tự chịu lực, xây gạch đặc vữa XM#50, dày 200mm.
- Tường chắn mái là tường gạch dày 200mm, có chiều cao là hm = 1.2m
Cao độ S0 là cao độ mặt sân cách cao độ nền tầng 1 là h0=0.5m
- Khu vực xây dựng công trình thuộc địa hình B (tương đối trông trải).
- Hoạt tải tiêu chuẩn ở mái là hoạt tải sửa chữa pm=0,75kN/m 2
- Vật liệu: Bê tông cấp độ bền B20 Cốt thép nhóm: CB240-T(Rs!0N/mm 2 ) và CB300-V (Rs&0N/mm 2 ), nối thép bằng dây buộc mềm thép D=1mm.
Số liệu riêng cho từng sinh viên
- Độ cao các tầng H1, H2 và H3 (m) Nhịp khung L1, L2, L3 (m). Bước cột B(m).
- Hoạt tải sử dụng tiêu chuẩn trên sàn tầng 1,2,3 là pc(kN/m 2 ).
- Áp lực gió tiêu chuẩn tại độ cao 10m so với mặt đất W0
(kN/m 2 ) xác định theo vùng gió.
- Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Hiệp-STT: 22
Bảng 1.1 Bảng số liệu tính toán
CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ TÍNH TOÁN
Yêu cầu tính toán
- Lập sơ đồ kết cấu của hệ sàn tầng 2, 3 và sàn mái.
- Chọn kích thước tiết diện các bộ phận kết cấu cột – dầm – sàn.
- Lập sơ đồ tính khung không gian.
- Xác định các tải trọng tác dụng lên khung không gian.
- Tính nội lực khung ngang, xác định nội lực tính toán.
- Thiết kế cột khung trục 3:
+ Tính toán cốt thép dọc cho cột
+ Cấu tạo và tính toán cốt ngang của cột
+ Cấu tạo cắt – nối cốt dọc của cột
- Thiết kế dầm khung trục 3:
+ Tính toán cốt thép dọc cho dầm
+ Cấu tạo và tính toán cốt ngang của dầm
+ Cấu tạo cắt – nối cốt dọc của dầm
- Cấu tạo các nút khung.
Yêu cầu thể hiện
Thể hiện 1 bản vẽ khổ A1 (hoặc tương đương) với nội dung:
- Bố trí cốt thép cho khung, các mặt cắt tiết diện bố trí cốt thép của cột, dầm.
- Chi tiết nút khung (ít nhất 5 nút)
- Ghi chú chung của khung.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CHO NHÀ
Lập sơ đồ kết cấu của hệ sàn tầng
1.1 Sơ đồ kết cấu của hệ sàn tầng 2, 3.
Hình 3.1 Sơ đồ kết cấu hệ dầm sàn tầng 2, 3
1.2 Sơ đồ kết cấu của hệ sàn mái.
Hình 3.2 Sơ đồ kết cấu hệ dầm sàn tầng mái
Xác định kích thước sơ bộ của các cấu kiện
2.1 Sơ bộ chiều dày bản sàn.
- Sơ bộ chiều dày bản sàn ta có thể tham khảo công thức 2-
2 (Sàn sườn bê tông toàn khối – Nguyễn Đình Cống) như sau:
Trong đó: lt: nhịp sàn theo phương cạnh ngắn với ô bản liện kết bốn cạnh, chịu uốn hai phương
2.2 Sơ bộ tiết diện dầm
Lập bảng tính sơ bộ tiết diện cho các dầm chính điển hình và áp dụng công thức này cho các dầm chính khác.
Bảng 3.1 Bảng sơ bộ tiết diện dầm Dầm
Chọn sơ bộ tiết diện dầm mái bxh 0x400
2.3 Sơ bộ tiết diện cột.
- Diện tích tiết diện cột là có thể tham khảo và xác định theo công thức 1-3 (Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép – Nguyễn Đình Cống):
- (Bảng 7 – Tiêu chuẩn TCVN 5574-2018) kt: Hệ số xét đến ảnh hưởng khác như momen:
(cột giữa)(cột biên)(cột góc)
N: Lực nén, được tính toán gần đúng như sau:
Số sàn phía trên tiết diện đang xét q là tải trọng tương đương tính trên mỗi mét vuông mặt sàn, bao gồm cả tải trọng thường xuyên và tạm thời trên bản sàn, cùng với trọng lượng của dầm, tường và cột được phân bố đều trên sàn Đối với nhà có bề dày sàn nhỏ, giá trị q (kN/m²) sẽ giảm.
Fs: Diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét
Hình 3.3 Mặt bằng định vị cột
- Lập bảng xác định sơ bộ tiết diện cột.
Bảng 3.2 Sơ bộ tiết diện cột giữa điển hình C1(SL: 8) Tầng m s k t a s
Bảng 3.3 Sơ bộ tiết diện cột giữa điển hình C2(SL: 10) Tầng m s k t a s
Bảng 3.4 Sơ bộ tiết diện cột biên điển hình C3(SL: 8) Tầng m s k t a s
Bảng 3.5 Sơ bộ tiết diện cột biên điển hình C4(SL: 2) Tầng m s k t a s
Bảng 3.6 Sơ bộ tiết diện cột biên điển hình C5(SL: 4) Tầng m s k t a s
Bảng 3.7 Sơ bộ tiết diện cột góc điển hình C6(SL: 6) Tầng m s k t a s
Bảng 3.8 Sơ bộ tiết diện cột góc điển hình C7(SL: 2) Tầng m s k t a s
Bảng 3.9 Sơ bộ tiết diện cột góc điển hình C8(SL: 2) Tầng m s k t a s
Lập sơ đồ tính khung không gian
Chiều cao đỉnh mái BTCT(không tính bề dày lớp hoàn thiện):
Hình 3.4 Sơ đồ dầm sàn tầng 2, 3
Hình 3.5 Sơ đồ dầm sàn tầng mái
Hình 3.6 Sơ đồ phối cảnh khung không gian
Hình 3.7 Sơ đồ tính khung không gian
Xác định các loại tải trọng tác dụng lên khung không gian
- Căn cứ theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 2737:2023, ta xác định các giá trị tải trọng tác dụng lên công trình
4.1 Xác định tải trọng tác dụng lên sàn.
- Tĩnh tải tác dụng lên sàn tầng 2, 3:
Bảng 3.10 Tải trọng tác dụng lên sàn tầng 2, 3
Giá trị tải trọng tiêu chuẩn(kN /m 2 )
Giá trị tải trọng tính toán(kN/ m 2 )
Sàn bê tông cốt thép
- Tĩnh tải tác dụng lên sàn mái:
Bảng 3.11 Tải trọng tác dụng lên sàn tầng mái
Giá trị tải trọng tiêu chuẩn(kN /m 2 )
Giá trị tải trọng tính toán(kN/ m 2 )
Hai lớp gạch lá nem 30 15 1.2 0.45 0.54
Giá trị tải trọng tiêu chuẩn(kN /m 2 )
Giá trị tải trọng tính toán(kN/ m 2 ) hộp chống nóng
Lớp bê tông chống thấm
Sàn bê tông cốt thép
Khi sử dụng phần mềm ETABS2016 để tính toán, trọng lượng bản thân của sàn bê tông cốt thép sẽ được tự động tính toán, do đó giá trị tải trọng tiêu chuẩn được gán lên sàn sẽ được xác định một cách chính xác.
- Hoạt tải tác dụng lên sàn tầng 2, 3:
- Hoạt tải tác dụng lên sàn mái:
4.2 Xác định tải trọng tác dụng lên dầm.
- Tường bao che, và tường chắn mái là tường xây gạch đặc dày 200mm, ta có giá trị tải trọng tiêu chuẩn qt=4.0(kN/m) cho chiều cao 1m tường.
- Tường ngăn là tường xây gạch đặc dày 100mm, ta có giá trị tải trọng tiêu chuẩn qt=2.0(kN/m) cho chiều cao 1m tường.
- Giá trị tải trọng của tường tác dụng lên dầm
- (m): Chiều cao tường là hiệu số của chiều cao tầng và chiều cao dầm.
- Lập bảng xác định tải trọng tường tác dụng lên dầm:
Bảng 3.12 Tải trọng tác dụng lên dầm
Giá trị tải trọng tiêu chuẩn h=1m (kN/m)
Hệ số giảm lỗ cửa a
Giá trị tải trọng tiêu chuẩn (kN/m)
Giá trị tải trọng tính toán(kN /m)
4.3 Xác định tải trọng gió.
- Theo tiêu chuẩn TCVN 2737-2023, đối với nhà và công trình có chiều cao không lớn hơn 200m hoặc nhịp không lớn hơn 150m phải xét các tác động gió gây ra:
+ Dạng chính của tải trọng gió
+ Dạng kích động xoáy cộng hưởng
+ Dao động mất ổn địng khí động dạng uốn, xoắn vặn, uốn-xoắn.
- Để đơn giản về tính toán, chỉ xét đến dạng chính của tải trọng gió.
- Hệ số độ tin cậy về tải trọng đối với tải trọng gió chính được lấy bằng 2.1
- Theo tiêu chuẩn TCVN 2737-2023, tại mục 10.2.1, tải trọng gió chính W tác dụng lên công trình có thể xét theo phương án hai.
- Tải trọng gió tính toán được áp dụng lên cột biên và dầm mái xiên.
4.3.1 Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió.
Wk: giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió theo cao độ Ze
: hệ số chuyển đổi áp lực gió từ chu kỳ lặp từ 20 năm xuống 10 năm, lấy bằng 0.852
: hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình tại độ cao tương đương
: hệ số hiệu ứng giật
: áp lực gió cơ sở được lấy theo phân vùng gió trên lãnh thổ Việt Nam
Bảng 3.13 Bảng số liệu tải trọng gió
Vùng áp lực gió II
Bề rộng đón gió phương X 20.4(m)
Bề rộng đón gió phương Y 21.6(m) Độ dốc mái I=1/9 =6.34 o
4.3.2 Xác định áp lực gió cơ sở.
Vùng gió là II, tra bảng 7 tiêu chuẩn TCVN 2737-2023 =>
Vùng áp lực gió trên bản đồ I II III IV V
4.3.3 Xác định hệ số k (ze)
Giá trị của hệ số k(ze) được xác định dựa trên sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao ze so với mốc chuẩn và hình dạng địa hình, thông qua một công thức cụ thể.
- ze được lấy theo mục 10.2.4-TCVN 2737-2023: ta có => ze=h.8m Đỉnh mái có cao độ hmái.733m
- Lập bảng xác định hệ số ce theo hai trường hợp
Bảng 3.16 Xác định hệ số khí động c ( )
-2.093 -1.646 -1.060 -1.073 0.839 (Chọn hệ số khí động theo trường hợp 1 để thiên về an toàn) b Góc hướng gió (phương X)
- Tra bảng nội suy Bảng F.5a-Hệ số ce khi góc hướng gió
Với hướng gió theo phương X, =>
- Lập bảng xác định hệ số ce
Bảng 3.17 Xác định hệ số khí động c ( )
4.3.5 Xác định hệ số hiệu ứng giật
Theo tiêu chuẩn TCVN 2737-2023, phụ lục E.1, công trình cao dưới 150m có thể xác định hệ số hiệu ứng giật cho nhà bê tông cốt thép bằng công thức tính toán sơ bộ.
4.3.6 Xác định giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió.
4.3.6.1 Xác định giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió theo góc hướng gió (gió phương Y).
- Việc tính toán xác định giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió được lập thành bảng như sau:
Bảng 3.18 Xác định giá trị tiêu chuẩn tải trọng gió
Cột trục biên (dầm mái xiên) c (kN
Cột trục biên (dầm mái xiên) c (kN
4.3.6.2 Xác định giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gió theo góc hướng gió (gió phương Y).
Bảng 3.19 Xác định giá trị tải trọng tiêu chuẩn
Cột trục biên (dầm mái xiên) c (kN
Cột trục biên (dầm mái xiên) c (kN
4.4 Xác định các tổ hợp tải trọng.
4.4.1 Các trường hợp tải trọng:
- Các dạng tải trọng khai báo trong Etabs2016:
Bảng 3.20 Tổ hợp tải trọng trong ETABS2016
Kiể u tải ĐỊNH NGHĨA LOẠI
TLBT Dea d Tải trọng bản thân cấu kiện
Tải trọng của các lớp hoàn thiện
HOAT TAI Live Hoạt tải tiêu chuẩn tác dụng trên sàn
Tải trọng tạm thời ngắn hạn
GX Win d Tải gió phương X
GXX Win d Tải gió phương ngược lại X
GY Win d Tải gió phương Y
GYY Win d Tải gió phương ngược lại Y ULS Tính toán TTGH1 tính bền cho cấu kiện dầm sàn móng Tổ hợp tải trọng
…,USL8 Tính toán TTGH1 tính bền cho cột
SLS Tính toán TTGH2 tính võng, chuyển vị …
4.4.2 Các tổ hợp tải trọng:
Tải trọng cơ bản bao gồm tải trọng thường xuyên, tạm thời dài hạn và tạm thời ngắn hạn Theo TCVN 2737 – 2023, nếu công trình không có vách ngăn tạm thời, bê tông lót hoặc vữa lót đệm dưới thiết bị, thì sẽ được coi là một yếu tố quan trọng trong thiết kế.
- Các tổ hợp cơ bản có thể được biểu diễn bằng công thức tổng quát:
Ký hiệu trong tiêu chuẩn TCVN 2737 – 2023 thể hiện các giá trị tiêu chuẩn của tải trọng, bao gồm tải trọng thường xuyên thứ i, tải trọng tạm thời dài hạn thứ j và tải trọng tạm thời ngắn hạn thứ m Các hệ số độ tin cậy tương ứng cho từng loại tải trọng cũng được quy định, bao gồm hệ số độ tin cậy cho tải trọng thường xuyên thứ i, tải trọng tạm thời dài hạn thứ j và tải trọng tạm thời ngắn hạn thứ m Ngoài ra, hệ số tổ hợp cho tải trọng tạm thời dài hạn thứ j và tải trọng tạm thời ngắn hạn thứ m cùng với hệ số tầm quan trọng của công trình cũng được nêu rõ.
Bảng 3.21 Tổ hợp tải trọng trong
NG HT GX GXX GY GY
GYY ULS ENVELOP (ULS1,ULS2,ULS3,
Theo mục 6.4 của TCVN 2737 – 2023, có hai loại tải trọng tạm thời ngắn hạn: HOATTAI (tải đứng) và TẢI GIÓ (tải ngang) Trong trường hợp một trong hai loại tải trọng này được xác định là tải trọng tạm thời ngắn hạn chủ đạo, cần xem xét các yếu tố liên quan để đánh giá chính xác Tải trọng tạm thời ngắn hạn còn lại sẽ được xem xét dựa trên các tiêu chí tương ứng để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế.
Mô hình tính toán nội lực khung ngang, xác định nội lực tính toán
5.1 Mô hình khung không gian.
- Sử dụng phần mềm ETABS2016 để mô hình và tính toán kiểm tra các cấu kiện của công trình như cột, dầm, sàn.
Hình 3.8 Khai báo vật liệu trong ETABS2016.
Hình 3.9 Khai báo các tiết diện cấu kiện cột, dầm
Hình 3.10 Khai báo tiết diện sàn
Hình 3.11 Khai báo các loại tải trọng
Hình 3.12 Khai báo các tổ hợp tải trọng
Hình 3.13 Mô hình hệ khung không gian
Hình 3.14 Gán tải hoàn thiện tác dụng lên sàn tầng 2, 3
Hình 3.15 Gán hoạt tải lên sàn tầng 2, 3
Hình 3.16 Gán tải hoàn thiện lên sàn mái
Hình 3.17 Gán hoạt tải lên sàn mái
Hình 3.18 Gán tải tường lên dầm
Hình 3.19 Gán tải gió phương Y (GY-Y) lên cột biên, dầm mái xiên (góc gió 0 o )
Hình 3.20 Gán tải gió phương Y (GY-X) lên cột biên (góc gió 0 o )
Hình 3.21 Gán tải gió phương ngược lại với Y (GYY-Y) lên cột biên, dầm mái xiên (góc gió 0 o )
Hình 3.22 Gán tải gió phương ngược lại với Y (GYY-X) lên cột biên (góc gió 0 o )
Hình 3.23 Gán tải gió phương X (GX-X) lên cột biên, dầm mái xiên (góc gió 90 o )
Hình 3.24 Gán tải gió phương X (GX-Y) lên cột biên (góc gió 90 o )
Hình 3.25 Gán tải gió phương ngược lại với X (GXX-X) lên cột biên, dầm mái xiên (góc gió 90 o )
Hình 3.26 Gán tải gió phương ngược lại với X (GXX-Y) lên cột biên (góc gió 90 o )
5.2 Bảng phụ lục nội lực khung trục 3.
Hình 3.27 Biều đồ bao Momen dầm khung trục 3 (ULS)
Hình 3.28 Biểu đồ bao lực cắt dầm khung trục 3 (ULS)
PHỤ LỤC NỘI LỰC CỦA CỘT TỪ ETABS2016
9 -0.514 -0.646 1.287 0.609 MÁI C12 ULS5 -99.99 2.406 1.033 2.609 5.217 MÁI C12 ULS5 -98.05 2.406 1.033 0.750 0.887 MÁI C12 ULS5 -96.10 2.406 1.033 -1.109 -3.443
MÁI C13 ULS5 -99.19 2.352 -1.021 -2.577 5.095 MÁI C13 ULS5 -97.25 2.352 -1.021 -0.739 0.863 MÁI C13 ULS5 -95.31 2.352 -1.021 1.099 -3.370
MÁI C21 ULS1 -90.46 4.767 7.124 -3.440 0.708 MÁI C21 ULS1 -88.73 4.767 -3.200 -6.580 -6.919 MÁI C21 ULS2 -93.07 -4.974 17.50
5 -8.685 MÁI C21 ULS2 -91.34 -4.974 7.183 -3.457 -0.727 MÁI C21 ULS2 -89.61 -4.974 -3.141 -6.691 7.231 MÁI C21 ULS3 -95.71 0.564 17.07
7 9.283 MÁI C21 ULS5 -88.05 5.309 7.113 -3.841 0.789 MÁI C21 ULS5 -86.33 5.309 -4.358 -6.044 -7.705 MÁI C21 ULS6 -90.76 -5.514 18.64
3 -9.629 MÁI C21 ULS6 -89.03 -5.514 7.178 -3.859 -0.807 MÁI C21 ULS6 -87.31 -5.514 -4.293 -6.167 8.016 MÁI C21 ULS7 -93.70 0.639 18.16
MÁI C24 ULS1 -93.05 5.161 -7.235 3.453 0.787 MÁI C24 ULS1 -91.32 5.161 3.089 6.770 -7.470 MÁI C24 ULS2 -94.53 -4.425
2 -7.620 MÁI C24 ULS2 -92.81 -4.425 -7.281 3.467 -0.540 MÁI C24 ULS2 -91.08 -4.425 3.043 6.857 6.541 MÁI C24 ULS3 -94.02 1.017 12.68
MÁI C24 ULS5 -90.71 5.685 -7.221 3.852 0.857MÁI C24 ULS5 -88.99 5.685 4.250 6.229 -8.240MÁI C24 ULS6 -92.17 -4.966 - - -8.562
16.94 4 MÁI C24 ULS6 -90.45 -4.966 -7.272 3.868 -0.617 MÁI C24 ULS6 -88.72 -4.966 4.199 6.327 7.328 MÁI C24 ULS7 -91.61 1.081 14.90
Tính toán và thiết kế cột khung trục 3
Hình 3.29 Tên cột khung trục 3 (ETABS2016)
6.1 Chọn vật liệu tính toán cốt thép cho cột.
- Chọn bê tông cấp độ bền B20 có các thông số sau:
Cường độ chịu nén tính toán
Cường độ chịu kéo tính toán
Modulel đàn hồi của vật liệu
Hệ số làm việc của bê tông:
- Chọn cốt thép CB240 – T (ϕ (kể đến ảnh hưởng uốn dọc)
Momen tăng lên khi kể đến độ lệch tâm và uốn dọc:
Theo phương Y: tương tự như tính toán phương X
Bước 3: Qui đổi bài toán lệch tâm xiên về bài toán lệch tâm phẳng tương đương
Tùy theo tương quan giá trị và với kích thước các cạnh mà đưa về bài toán lệch tâm phẳng tương đương theo phương X hoặc phương Y.
Mô hình Theo phương X Theo phương Y Điều kiện
Bước 4: Tính toán diện tích cốt thép
- Tính: ( hệ số điều kiện làm việc của bê tông đổ theo phương thẳng đứng)
- Giả thiết sơ bộ chiều dày a, ta tính được
- Hệ số chuyển đổi : Khi ; Khi
- Độ lệch tâm tính toán: với ;
- Trường hợp 1: : nén lệch tâm rất bé, tính gần như nén đúng tâm.
Hệ số uốn dọc phụ khi xét thêm nén đúng tâm:
Diện tích toàn bộ cốt thép tính như sau:
- Trường hợp 2: => tính toán theo trường hợp nén lệch tâm bé.
Xác định chiều cao vùng chịu nén x theo công thức sau: với
Diện tích cốt thép được tính như sau: với k = 0.4
- Trường hợp 3: => tính toán theo trường hợp nén lệch tâm lớn.
Diện tích toàn bộ cốt thép được tính như sau: với k = 0.4
Bước 5: Kiểm tra hàm lượng cốt thép
- Thỏa yêu cầu về cấu tạo:
- Thỏa yêu cầu về kinh tế: Hàm lượng cốt thép hợp lý khi đặt thép theo chu vi thì lấy Ab là diện tích toàn bộ tiết diện và
- khi không có thiết kế chống động đất.
- tùy thuộc vào độ mảnh ; tuy nhiên thiên về an toàn, chọn thép theo điều kiện có kháng chất với hàm lượng cốt thép tối thiểu lấy 1% theo TCVN 9386:2012.
Khoảng cách tối đa giữa các thanh cốt thép dọc không được vượt quá 400mm theo phương vuông góc với mặt phẳng uốn và 500mm theo phương song song với mặt phẳng uốn, theo quy định tại Mục 10.3.3.3 trong tài liệu [2].
Việc xác định giá trị nội lực để tính toán thép cho cột trở nên khó khăn khi có nhiều trường hợp tổ hợp tải trọng Điều này có thể dẫn đến sai sót trong việc tìm ra trường hợp nội lực nguy hiểm nhất, ảnh hưởng đến chất lượng thiết kế cột.
Dựa trên các cặp giá trị nội lực từ các trường hợp tổ hợp tải trọng trong phần mềm Etabs, tiến hành tính toán và xác định diện tích thép cần thiết Cuối cùng, lọc ra giá trị diện tích thép lớn nhất để bố trí, nhằm đảm bảo không bỏ sót trường hợp nội lực và tăng cường tính an toàn cho công trình.
- Để tiện cho việc sử dụng bảng Excel, sinh viên tính toán cụ thể một trường hợp nội lực cho cột C24 Tầng 2 (tính đại diện cho một cột).
Bảng 3.22 Các thông số tính toán cột C24 – Tầng 2
Bước 1: Xác định chiều dài tính toán. ltt = l0x = l0y = 0.7 3900 = 2730 (mm)
Bước 2: Tính toán độ lệch tâm ban đầu và độ mảnh của thanh.
Kiểm tra điều kiện tính toán gần đúng của cột nén lệch tâm xiên: (thỏa)
- Tính toán độ ảnh hưởng của uốn dọc theo từng phương
- Độ lệch tâm ngẫu nhiên:
- Độ lệch tâm tĩnh học:
- Độ lệch tâm tính toán:
- Tính hệ số ảnh hưởng của uốn dọc:
=>(kể đến ảnh hưởng uốn dọc)
Momen tăng lên khi kể đến độ lệch tâm và uốn dọc:
=>(kể đến ảnh hưởng uốn dọc)
Momen tăng lên khi kể đến độ lệch tâm và uốn dọc:
Bước 3: Qui đổi bài toán lệch tâm xiên về bài toán lệch tâm phẳng tương đương
Khi xét tỉ số độ lệch tâm theo hai phương, cần lưu ý rằng độ lệch tâm có tính đến uốn dọc là tương đương, vì vậy sinh viên nên chọn cột tính toán theo phương Y, phương có momen uốn lớn nhất Điều này giúp đưa bài toán về lệch tâm phẳng tương đương theo phương Y một cách hiệu quả.
Bước 4: Tính toán diện tích cốt thép
- Giả thiết sơ bộ chiều dày a = 25 mm
- Hệ số chuyển đổi : Khi
Độ lệch tâm tính toán: với ;
Tính toán theo trường hợp 3: Nén lệch tâm bé
- Xác định chiều cao vùng chịu nén:
- Diện tích toàn bộ cốt thép như sau:
Diện tích cốt thép âm trong cột lớn cho thấy bê tông đã đạt đủ khả năng chịu lực, do đó chỉ cần bố trí thép cấu tạo trong cột.
- Diện tích cốt thép cấu tạo đặt trong cột tính như sau:
Bước 5: Kiểm tra hàm lượng cốt thép
Tiết diện đã chọn là hợp lý
Bước 6: Bố trí cốt thép:
Bố trí cốt thép cho cột chịu nén lệch tâm xiên cần được thực hiện theo chu vi, trong đó cốt thép dọc được đặt ở cạnh b với mật độ lớn hơn hoặc bằng mật độ ở cạnh h.
- Quy định khoảng cách giữa 2 cốt dọc kề nhau:
6.5 Bảng tính toán cốt thép dọc cho cột.
Tương tự với các trường hợp cột còn lại, các cột được tính toán và tổng hợp trong bảng sau:
Bảng 3.23 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CỐT THÉP DỌC CHO CỘT
(kN m) mm Bài toán lệch tâm phẳng tương đương
(kN m) mm Bài toán lệch tâm phẳng
(kN m) mm Bài toán lệch tâm phẳng
(kN m) mm Bài toán lệch tâm phẳng
Hình tính toán cốt thép dọc cho cột trong Phần mềm Excel
6.6 Tính toán cốt đai cho cột.
6.6.1 Cơ sở lý thuyết tính toán
Trong thực hành tính toán, thép đai cột thường không được tính toán theo lực cắt mà chỉ được bố trí dựa trên tỷ lệ giữa đường kính thép dọc, hàm lượng thép và kích thước cột, cùng với các yêu cầu kháng chấn trong thiết kế động đất Đối với cốt đai trong cấu kiện nén lệch tâm, quy trình tính toán tương tự như đối với dầm, cần bổ sung thành phần vào các công thức tính khoảng cách đai để xem xét ảnh hưởng của uốn dọc.
6.6.2 Một số yêu cầu về cấu tạo, bố trí cốt đai.
- Chọn trước đường kính đai và số nhánh đai: ϕđai
- Số nhánh đai tùy thuộc vào kích thước cột và cách bố trí thép dọc:
Khi tiết diện nhỏ hơn 400 mm và mỗi cạnh có không quá một thanh cốt thép dọc, có thể sử dụng một cốt thép đai bao quanh toàn bộ cốt thép dọc.
- Các trường hợp còn lại thì cách một thanh thép dọc phải có 1 cốt đai và khoảng cách không quá 400 mm
- Trong trường hợp thiết kế kháng chấn khoảng cách đai không quá 200 và cách một thanh thép dọc thì phải có đai.
Tính toán đai chịu lực cắt.
- Kiểm tra điều kiện ứng suất nén chính: (Theo mục 8.1.3.2 – tài liệu [2]).
Lực cắt trong tiết diện thẳng góc của cấu kiện được xác định bởi hệ số, phản ánh ảnh hưởng của đặc điểm trạng thái ứng suất của bê tông trong dải nghiêng bằng 0.3.
- Khả năng chịu cắt của bê tông:
Qb là lực cắt trong tiết diện thẳng góc của cấu kiện.
= 0.5 là hệ số, kể đến ảnh hưởng của đặc điểm trạng thái ứng suất của bê tông
Nếu > Qb thì tính toán cốt đai, ngược lại thì bố trí đai theo cấu tạo.
- Khoảng cách đai cấu tạo:
Theo TCXDVN 198:1997 Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối Cốt đai trong cột phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Đường kớnh cốt thộp khụng nhỏ hơn ẳ lần đường kớnh cốt thép dọc.
- Đường kích cốt thép đai phải 8mm (riêng đối với động đất mạnh 10mm).
- Cốt đai được bố trí thành 2 vùng: vùng đai dày và cùng đai thưa.
Trong vùng đai dày, khoảng cách từ điểm cách mép trên đến điểm cách mép dưới của dầm được xác định là L1, với khoảng cách đai không vượt quá 100 mm Để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả, L1 cần tuân thủ các điều kiện quy định.
L1 chiều cao tiết diện cột.
L1 1/6 chiều cao thông thủy của tầng.
- Tại vùng đai thưa, chiều dài đoạn cột L2 chọn phải thỏa mãn các điều kiện sau: cạnh nhỏ của tiết diện cột.
6 dọc (đối với động đất mạnh)
12 dọc (đối với động đất yếu và trung bình)
Hình 3.31 Bố trí cốt đai cột
6.6.3 Áp dụng tính tính toán cốt đai cột.
Theo kết quả tính toán cốt dọc của cột bên trên ta có
Chọn đường kính cốt đai là 8mm để thảo mãn các điều kiện đã nêu bên trên.
Chọn cột có lực cắt lớn nhất theo hai phương để đại diện cho toàn bộ khung trục Dựa vào kết quả nội lực từ Etabs, chúng ta có thể thực hiện các tính toán cần thiết.
Bảng 3.24 Bảng số liệu bộ 3 nội lực của Q xmax , Q ymax
18 3900 3400 540 Bước 1: Chọn trước đường kính thép đai và số nhánh đai: ϕđai chọn đai 8 thỏa các yêu cầu bên trên
Bước 2: Tính khoảng cách đai chịu cắt trong cột:
- Kiểm tra điều kiện ứng suất nén chính
- Khả năng chịu cắt của bê tông:
Tính cốt thép đai cho cột.
- Chọn cốt thép đai 2 nhánh 8a100 cho cột trong đoạn
Có Lực trong cốt thép ngang trên một đơn vị chiều dài cấu kiện:
Lực cắt đối với cốt thép ngang nằm vuông góc với trục dọc cấu kiện được xác định theo công thức:
Khả năng chịu cắt của bê tông cốt thép:
- Tại đoạn cột chọn cốt thép đai 2 nhánh 8a200
6.7 Tính toán cấu tạo cắt – nối cho cột.
6.7.1 Các bước tính toán nối cốt thép dọc cho cột.
Bước 1: Xác định chiều dài neo cơ sở theo công thức (255) theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018.
Trong bài viết này, diện tích tiết diện ngang của thanh cốt thép được neo được ký hiệu là "as", trong khi chu vi tiết diện của nó được ký hiệu là "us", với giả định sử dụng đường kính thép lớn nhất để đơn giản hóa tính toán Cường độ bám dính tính toán giữa cốt thép và bê tông được ký hiệu là "o", và giả định rằng độ bám dính này phân bố đều theo chiều dài neo Cường độ bám dính được xác định theo một công thức cụ thể.
- Với: đối với cốt thép kéo nguội có gân không ứng suất trước đối với cốt thép không ứng suất trước có đường kính ds 32 mm
Bước 2: Xác định giá trị nhỏ nhất của chiều dài mối nối chồng theo công thức (259) theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018.
Diện tích tiết diện ngang của cốt thép được tính toán và thực tế có sự khác biệt, với hệ số điều chỉnh để phản ánh ảnh hưởng của trạng thái ứng suất của cốt thép thanh và giải pháp cấu tạo của cấu kiện trong vùng.
Tính toán và thiết kế dầm khung trục 3
Hình 3.35 Tên dầm trong ETABS2016
Hình 3.36 Biểu đồ bao momen dầm khung trục 3 (ULS)
Hình 3.37 Biều đồ bao lực cắt dầm khung trục 3 (ULS) 7.1 Lý thuyết tính toán cốt thép dọc cho dầm.
Tính toán cốt thép cho cấu kiện chịu uốn tiết diện chữ nhật theo TCVN 5574:2018 bao gồm hai bài toán cơ bản: bài toán cốt đơn và bài toán cốt kép Trong thực tế, để thuận tiện cho thiết kế và thi công, người ta thường áp dụng bài toán cốt đơn để tính toán cốt thép cho cấu kiện này.
Để tính toán thép dầm, cần xem xét 3 vị trí mặt cắt là gối trái, nhịp và gối phải Do đó, cần chọn 3 tổ hợp có giá trị bất lợi nhất tại các vị trí này Tổ hợp bao ULS thỏa mãn yêu cầu này, vì vậy sẽ sử dụng tổ hợp bao để tính toán thép dầm.
Nguyên tắc thiết kế gối dầm thường sử dụng tiết diện hình chữ nhật, trong khi nhịp được tính theo tiết diện chữ T Tuy nhiên, để đơn giản hóa quá trình tính toán và đảm bảo an toàn, việc tính toán theo tiết diện chữ nhật là lựa chọn phổ biến hơn.
Với tiết diện đã được lựa chọn, tiến hành tính toán cốt thép cho tiết diện tương ứng với nội lực Tiếp theo, kiểm tra hàm lượng cốt thép trong dầm để đảm bảo đáp ứng các điều kiện yêu cầu.
- Các công thức cơ bản tính toán dầm:
- Kiểm tra điều kiện hạn chế: với
Nếu điều kiện trên thỏa, tiến hành tính diện tích cốt thép cho bài toán cốt đơn
Nếu điều kiện trên không thỏa, tiến hành tăng chiều cao tiết diện hoặc cấp độ bền.
7.2 Áp dụng tính toán cốt thép dọc cho dầm.
Sử dụng phần mềm Excel để thiết lập các công thức tính toán và chỉ nhập số liệu ban đầu.
Chọn 1 dầm đại diện để tính toán, chọn dầm B91 tầng 2 để tính toán:
Hình 3.38 Biểu đồ momen dầm B91 tầng 2 (ULS)
Bảng 3.25 Bảng số liệu tính toán dầm B91 tầng 2 (ULS)
Tầng Dầm M(kNm) b (mm) h (mm)
Tính diện tích cốt thép theo bài toán cốt đơn:
Kiểm tra hàm lượng cốt thép tính toán:
Tính diện tích cốt thép theo bài toán cốt đơn:
Kiểm tra hàm lượng cốt thép tính toán:
Tính diện tích cốt thép theo bài toán cốt đơn:
Kiểm tra hàm lượng cốt thép tính toán:
- Nhận xét: biểu đồ nội lực khung trục 3 đối xứng nhau; Vì vậy ta tính cốt thép cho các dầm 1 bên rồi đặt cốt thép cho bên còn lại
- Việc tính toán cốt thép cho các dầm còn lại được lập thành bảng như sau:
Bảng 3.26 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CỐT THÉP DẦM KHUNG TRỤC 3
Hình tính toán cốt thép dầm bằng Phần mềm Excel
7.3 Tính toán cốt đai cho dầm.
Theo TCVN 5574:2018 mục 8.1.3.3.1 tính toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn theo tiết diện nghiện được tiến hành theo điều kiện:
Hình 3.39 Tính toán cốt đai cho dầm
Sơ đồ nội lực cốt thép theo tiết diện nghiên chịu tác dụng của lực cắt cần được kiểm tra bền theo điều kiện phá hoại do ứng suất nén chính Bước đầu tiên trong quy trình này là xác định các ứng suất tác động lên tiết diện và đánh giá khả năng chịu lực của cốt thép Việc thực hiện kiểm tra này đảm bảo an toàn và độ bền cho công trình, đồng thời giúp phát hiện sớm các nguy cơ tiềm ẩn.
- là lực cắt trong tiết diện thẳng góc của cấu kiện lấy tại mép cột
- là hệ số kể đến ảnh hưởng của đặc điểm trạng thái ứng suất của bê tông trong dải nghiêng
Bước 2: Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông:
- là lực cắt chịu bởi bê tông trong tiết diện nghiên được xác định theo công thức: không lấy lớn hơn và không nhỏ hơn
Với là hệ số kể đến ảnh hưởng của cốt thép dọc lực bám dính và đặc điểm trạng thái ứng suất của bê tông.
C là hình chiếu tiết diện nghiêng lấy không nhỏ hơn h0 và không lớn hơn 2h0 => thiên về an toàn; chọn 2h0
- là lực cắt chịu bởi cốt thép ngang trong tiết diện
- là hệ số kể đến sự suy giảm nội lực dọc theo chiều dài hình chiều của tiết diện nghiên C lấy bằng 0.75
- là diện tích thép đai và số nhanh n được xác định:
Bước 3: Tính toán thép bước đai cho dầm:
- Bước đai tính toán được xác định từ công thức
- Bước cốt thép ngang trong tính toán không được lớn hơn giá trị
Trong các cấu kiện bê tông cốt thép, khi lực cắt tính toán không thể chỉ do bê tông chịu, cần thiết phải đặt cốt thép ngang với khoảng cách không lớn hơn 0.5h0 và không vượt quá 300 mm.
Trong các dầm và sườn có chiều cao từ 150 mm trở lên, cần bố trí cốt thép ngang với khoảng cách không vượt quá 0.75h0 và không lớn hơn 500 mm Điều này áp dụng cho các đoạn cấu kiện mà lực cắt tính toán chỉ yêu cầu bê tông chịu tải.
Trong các dầm và sườn có chiều cao từ 150 mm trở lên, cần đặt cốt thép ngang với khoảng cách không vượt quá 0.75h0 và không lớn hơn 500 mm Điều này áp dụng cho các đoạn cấu kiện mà lực cắt tính toán chủ yếu được chịu bởi bê tông.
Để đơn giản hóa quá trình tính toán và thi công, chúng ta lựa chọn các dầm điển hình làm cơ sở để tính toán và áp dụng cho các dầm khác trong khung trục 3.
- Tính thép đai bố trí cho hai đầu đoạn dầm B91 Tầng 2 có tiết diện 200x500:
Hình 3.40 Biều đồ lực cắt tại gối dầm B91 tầng 2 (ULS)
- Lực cắt lớn nhất tại vị trí 2 đầu gối dầm B91 Tầng 2:
- Kiểm tra bền theo điều kiện phá hoại do ứng suất nén chính:
Bê tông đủ khả năng chịu ứng suất nén chính của dầm
- Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông:
Chọn Qb = 60.75 kN < Qmax = 89.5 kN
Bê tông không đủ khả năng chịu cắt; tính toán cốt thép đai thỏa mãn:
105 Điều kiện: chọn cốt đai 2 nhánh 6a150 cho 2 đoạn đầu dầm
- Tại vị trí các gối một đoạn :
Hình 3.41 Biểu đồ lực cắt tại vị trí cách gối L/4 (ULS)
Có lực cắt lớn nhất là
Bê tông không đủ khả năng chịu cắt; tính toán cốt thép đai thỏa mãn:
Bước cốt đai: Điều kiện: chọn cốt đai 2 nhánh 6a200 cho 2 đoạn đầu dầm
- Việc tính toán cốt đai cho các dầm còn lại được lập thành bảng như sau.
Bảng 3.27 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CỐT ĐAI CHO DẦM Dầm Q (kN) b (m m) h (m m) a (m m) h 0
7.4 Tính toán cấu tạo cắt – nối cho dầm.
- Cấu tạo nối: Vì tất cả dầm đều có chiều dài bé hơn nhiều so với thanh thép 11m7 nên không cần nối thép cho dầm (4.8m, 4.2m, 2.4m, 3.6m)
Cấu tạo cắt cốt thép dầm được thực hiện dựa trên biểu đồ bao momen, tuy nhiên để thuận tiện cho việc tính toán và thi công, chúng ta áp dụng phương pháp cắt thép một cách hợp lý.
Thực hiện cắt thép ở điểm cách mép gối đối với cốt thép lớp trên, chịu momen âm của dầm.
Thực hiện cắt thép ở điểm cách mép gối đối với gối biên và đối với gối giữa, chịu momen dương.
L: chiều dài thông thủy được kể đến từ hai mép cột
Hình 3.42 Cắt thép cho dầm
Cấu tạo các nút khung
- Neo cốt thép được tổ hợp neo thẳng với cốt thép chịu nén (nếu có thể) và neo chữ L đối với cốt thép chịu kéo.
- Chiều dài neo tính toán yêu cầu của cốt thép theo TCVN 5574:2023 được xác định bằng công thức:
(công thức 257 – tài liệu [2]) Trong đó: với
Hệ số 109 phản ánh tác động của trạng thái ứng suất của bê tông và cốt thép, cũng như ảnh hưởng của giải pháp cấu tạo vùng neo của cấu kiện đến chiều dài neo Đối với cốt thép không ứng suất trước, hệ số này được quy định là 0.75 cho cốt thép chịu nén và 1 cho cốt thép chịu kéo.
Theo mục 10.3.5.5 trong tài liệu [2], có thể giảm chiều dài neo của các thanh thép không ứng suất trước bằng cách hàn thêm cốt thép ngang và uốn đầu các thanh thép có gân, nhưng mức giảm không được vượt quá 30%.
- Chiều dài neo thực tế phải thỏa đối với bê tông chịu kéo và đối với bê tông chịu nén,
Xác định cấu tạo những nút khung điển hình và áp dụng cho các nút khung còn lại. a Tại vị trí nút giao trục 3 – A, tầng 1: Gối 1 – Dầm B91 có
- Chiều dài đoạn neo cơ sở:
- Chiều dài neo tính tính toán
Hình 3.43 Chi tiết nút khung trục 3 –A tầng 1 b Tại vị trí nút giao trục 3 – C, tầng 1: Gối 1 – Dầm B94 có
- Chiều dài đoạn neo cơ sở:
- Chiều dài neo tính tính toán
Hình 3.44 Chi tiết nút khung trục 3 – C tầng 1 c Tại vị trí nút giao đỉnh mái.
- Tham khảo Mục D – Phần 5 – Tài liệu [5], có góc
Thép đi liên tục qua mắt
- Xác định vùng gia cường cốt đai 6a50 cho hai bên mắt dầm:
Hình 3.45 Chi tiết nút khung trục 3 – C tầng mái