thiết kế khung bê tông cốt thép nhà dân dụng

Trêng ®¹i häc HẢI PHÒNG ®å ¸n Khoa c«ng nghÖ ThiÕt kÕ khung bª t«ng cèt thÐp nhµ d©n dông Bé m«n kÕt cÊu x©y dùng Số liệu thiết kế: Số tầng L 1 (m) L 2 (m) B (m) H 1 (m) H 2 (m) Địa điểm xây dựng 5 2,2 7,8 3,3 3,9 3,6 TP.HCM Số liệu sơ đồ : 2 Số liệu d , khung K4 Yêu cầu : thiết kế khung ngang một trường học tại TP.HCM . 3 Phần I: Tính toán khung I- Mô tả công trình Công trình mà chúng tôi thiết kế là trờng học 5 tầng, đợc xây dựng tại th nh pho HCM. Công trình đợc xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh bởi các tòa nhà cao tầng. Hệ thống kết cấu của công trình gồm: 1. Hệ thống khung: là hệ thống chịu lực chính của công trình, tiếp nhận tất cả các tải trọng theo phơng ngang và đứng, sau đó truyền xuống móng. 2. Hệ thống kết cấu bao che: gồm tờng và cửa, chỉ làm chức năng che chắn cho phần nội thất bên trong và bên ngoài, không tham gia chịu lực. 3. Hệ thống sàn: phân bố đều ở các tầng, ngoài việc chịu tải trọng bản thân và hoạt tải sử dụng tác dụng trực tiếp lên nó thì sàn còn đóng vai trò liên kết, truyền tải trọng ngang và đứng lên hệ khung đảm bảo cho toàn bộ công trình đợc ổn định và đảm bảo các cấu kiện cùng tham gia chịu lực. 4. Các bộ phận giao thông: cầu thang theo phơng đứng, hành lang theo phơng ngang. II- Lựa chọn giải pháp kết cấu 1. Chọn vật liệu sử dụng: Sử dụng bê tông cấp độ bền B15có : R b = 8,5MPa; R bt = 0,75MPa Sử dụng thép: + Nếu 12< thì dùng thép AI có R S = R SC = 225MPa + Nếu 12 thì dùng thép AII có R S = R SC = 280MPa 2. Lựa chọn giải pháp kết cấu cho sàn: Chọn sàn sờn tòan khối, cú bố trí dầm phụ, v có các dầm qua cột 3. Chọn kích thớc chiều dày sàn: 4 Chọn chiều dày sàn theo công thức của Lê Bá Huế: + = 837 kL h ng s , với d ng L L = a, Với sàn trong phòng: - Hoạt tải tính toán: p s = p c .n = 200x1,2 = 240 (daN/m 2 ) - Tĩnh tải tính toán (cha kể trọng lợng bản thân bản sàn BTCT) Bảng 1 : Cấu tạo và tải trọng các lớp vật liệu sàn: Các lớp vật liệu Tiêu chuẩn (daN/m 2 ) n Tính toán (daN/m 2 ) Gạch ceramic dày 8 mm, 0 = 2000 daN/m 3 0,008 . 2000 = 16 daN/m 2 16 1,1 17,6 Vữa lát dày 15 mm, 0 = 2000 daN/m 3 0,015 . 2000 = 30 daN/m 2 30 1,3 39 Vữa trát dày 10 mm, 0 = 2000 daN/m 3 0,01 . 2000 = 20 daN/m 2 20 1,3 26 Cộng 82,6 Do tờng không xây trực tiếp trên sàn nên tĩnh tải tính toán: 2 0 82,6 /g daN m= Tải trọng phân bố trên sàn: 2 0 0 240 82,6 322,6 ( / ) s q g p daN m= + = + = Với 2 0 m/daN400q < lấy 1k = Ô sàn trong phòng có: L = L 2 /2=3,9m L ng = B =3,3m =B/L 2 =3,3/3,9 =0,846 Chiều dày sàn trong phòng: h s1 =kx L ng /(37+8) =1x3,3 /(37+8x0,846) =0,075m = 7,5cm Chọn 1 8( ) s h cm= Nếu kể cả trọng lợng bản thân sàn BTCT thì: - Tĩnh tải tính toán của ô sàn trong phòng: 2. 0 1 . . 82,6 2500 0,08 1,1 302,6( / ) s bt s g g h n x x daN m = + = + = - Tổng tải trọng phân bố tính toán trên sàn trong phòng: 2. 302,6 240 542,6( / ) s s s q g p daN m = + = + = b, Với sàn hành lang: - Hoạt tải tính toán: 2 . 300 1,2 360 / c hl P p n x daN m= = = - Tĩnh tải tính toán (cha kể trọng lợng bản thân sàn BTCT ) 2 0 82,6 /g daN m= 5 Tải trọng phân bố tính toán trên sàn: 2 0 82,6 360 442,6( / ) hl hl q g p daN m= + = + = 3 3 442,6 1,034 400 400 hl q k = = = Ô sàn hành lang có: 1 1 3,3 2,2 2,2 0,667 3,3 d ng L B m L L L m B = = = = = = = Chiều dày sàn hành lang: 2 . 1,034 2,2 0,054( ) 5,4 ( ) 37 8. 37 8 0,667 ng s k L x h m cm x = = = = + + Chọn )cm(8h 2s = Nếu kể cả tải trọng bản thân sàn BTCT thì: - Tĩnh tải tính toán của ô sàn hành lang: 2. 0 2 . . 82,6 2500 0,08 1,1 302,6 ( / ) hl bt s g g h n x x daN m = + = + = - Tổng tải trọng phân bố tính toán trên sàn hành lang: 2. 302,6 360 662,6 ( / ) hl hl hl q g p daN m = + = + = c, Với sàn mái: - Hoạt tải tính toán: 2 . 75 1,3 97,5 ( / ) c m P P n x daN cm= = = - Tĩnh tải tính toán (cha kể đến trọng lợng bản thân của sàn BTCT) Bảng 2 : Cấu tạo và tải trọng các lớp vật liệu sàn mái: Các lớp vật liệu Tiêu chuẩn n Tính toán Vữa lát dày 3 0 20 , 2000 /mm daN m = 0,02 x 2000 = 40 daN/m 2 40 1,3 52 Vữa trát dày 3 0 10 , 2000 /mm daN m = 0,01 x2000 = 20 daN/m 2 20 1,3 26 Cộng 78 Do không có tờng xây trực tiếp trên sàn nên tĩnh tải tính toán: 2 0 78 /g da N m= Tải trọng phân bố tính toán trên sàn mái: 2 0 78 97,5 175,5( / ) m q g p daN m= + = + = Do tải trọng trên mái nhỏ nên chọn chiều dày của ô sàn lớn và ô sàn bé trên mái là: )cm(8h 3s = Vậy nếu kể cả tải trọng bản thân sàn BTCT và coi nh tải trọng mái tôn xà gồ phân bố đều trên sàn thì: - Tĩnh tải tính toán của ô sàn mái: 2. 0 3 . . 78 20 1,05 2500 0,08 1,1 319( / ) m maiton bt s g g g h n x x x daN m = + + = + + = 6 - Tổng tải trọng phân bố tính toán trên sàn mái: 2. 319 97,5 416,5( / ) m m m q g p daN m = + = + = 4. Lựa chọn kết cấu mái: Kết cấu mái dùng hệ mái tôn gác lên xà gồ, xà gồ gác lên tờng thu hồi 5. Lựa chọn kích thớc tiết diện các bộ phận a, Kích thớc tiết diện dầm: * Dầm BC (dầm trong phòng ) Nhịp dầm L d = L 2 =7,8m H d = L d /m d =709mm Chọn chiều cao dầm: 0,7 d h m= , bề rộng: 0,22 d b m= Với dầm trên mái, do tải trọng nhỏ nên ta chọn chiều cao bé hơn 0,6 dm h m= * Dầm AB (dầm ngoài hành lang ) Nhịp dầm: L = L 1 =2,2m khá nhỏ ta chọn chiều cao dầm m3,0h d = , bề rộng m22,0b d = *Dầm AA Nhịp dầm: L = 2,5m khá nhỏ ta chọn chiều cao dầm m3,0h d = , bề rộng m22,0b d = * Dầm dọc nhà: Nhịp dầm L = B =3,3m Chiều cao dầm: h d =L d /m d =3,3/13 =0.25m Ta chọn chiều cao dầm m3,0h d = , bề rộng: m22,0b d = b, Kích thớc côt: Diện tích kích thớc cột đợc xác định theo công thức: b R N.k A = *Cột trục B: - Diện truyền tải của côt trục B: 2 7,8 2,2 ( ) x3,3 16,5 2 2 B S m= + = - Lực dọc do lực phân bố đều trên bản sàn: 1 . 542,6 16,5 8952,9( ) s B N q S x daN= = = - Lực dọc do tải trọng tờng ngăn dày 220 mm 2 7,8 . . 514.( 3,3).3,9 14433,12( ). 2 t t t N g l h daN= = + = 2 7,8 ' . . 514.( 3,3).3,6 13322,9( ). 2 t t t N g l h daN= = + = - Lực dọc do tải trọng tờng thu hồi: 3 7,8 2,2 . . 296.( ).1,4 2072( ). 2 2 t t t N g l h daN= = + = - Lực dọc do tải phân bố đều trên bản sàn mái: 4 . 416,5 16,5 6872,25( ) m m N q S x daN= = = - Với nhà5 tầng có 4 sàn học và 1 sàn mái thì: 7 . (8952,9 14433,12) 4(8952.9 13322,9) 1 (2072 6872,25) 12143 5 ). (3 i i N n N x daN= = + + + + + = Để kể đến ảnh hởng của mômen ta chọn 1,1=k 2 121433.5. 1,1 1571,5( ) 85 b k N x A cm R = = = Vậy ta chọn kích thớc cột 30 55 c c b x h x cm= có 2 1500 s A cm= * Cột trục C: Cột trục C có diện chịu tải Sc nhỏ hơn diện chịu tải của cột trục B, để thiên về an toàn và định hình hóa ván khuôn, ta chọn kích thớc tiết diện cột trục C ( 30 55 c c b x h x cm= ) bằng với cột trục B. * Cột trục A: Diện truyền tải của côt trục A: 2 2,2 3,3 3,63 2 A S x m= = - Lực dọc do lực phân bố đều trên bản sàn: 1 . 542,6 3,63 1969,6( ) s A N q S x daN= = = - Lực dọc do tải trọng lan can hành lang dày 110 mm 2 . . 296 3,3 0,9 879,12( ). t t LC N g l h x x daN= = = - Lực dọc do tải trọng tờng thu hồi: 3 2,2 . . 296. .1,4 455,84( ). 2 t t t N g l h daN= = = - Lực dọc do tải phân bố đều trên bản sàn mái: 4 . 416,5 3,63 1511,9( ) m A N q S x daN= = = Với nhà 5 tầng có 4 hành lang và 1 sàn mái thì: . 4.(1969,6 879.12) 1.(455,84 1511,9) 13362,6( ) i i N n N daN= = + + + = Do lực dọc bé nên khi kể đến ảnh hởng của mômen ta chọn 3,1k = 2 . 1,3.13362,6 204,4( ) 85 b k N A cm R = = = Do A nhỏ nên ta chọn: 22 22 c c b x h x cm= có 2 484 s A cm= Càng lên cao lực dọc càng giảm nên ta chọn kích thớc tiết diện cột nh sau: Cột trục B, C có kích thớc: 30 55 c c b x h x cm= cho tầng 1,2. 30 50 c c b x h x cm= cho tầng 3, 4 30 45 c c b x h x cm= cho tầng 5 Cột trục A có kích thớc: 22 22 c c b x h x cm= cho cả 5 tầng. 8 H×nh 4. DiÖn chÞu t¶i cña cét 3300 3300 7800 2200 C B A 4 5 6 S C S B S A 9 III- Sơ đồ tính toán khung phẳng 1. Sơ đồ hình học 3900 2200 3600 D-22X30 D-22X30 D-22X30 D-22X30 3900 D-22X30 D-22X30 D-22X30 C-30x55 C-30x55 D-22X30 D-22X30 D-22X30 D-22X30 D-22X30 D-22X30 D-22X70 D-22X70 D-22X70 D-22X70 D-22X30 D-22X30 D-22X30 D-22X30 C-30X50 C-30X50 C-30x55 C-30x55 C-30X50 C-30X50 C-22X22 C-22X22 C-22X22 C-22X22 3600 3600 3900 600 500 +11.1 +14.7 +18.3 D-22X30 D-22X30 D-22X30D-22X60 D-22X30 C-30X45 C-30X45 C-22X22 D-22X30 0.00 0.60 3.9 +7.5 H ình 6. Sơ đồ hình học khung truc 5 2. Sơ đồ kết cấu Mô hình hóa kết cấu khung thành các thanh đứng (cột), và các thanh ngang (dầm) với trục của hệ kết cấu đợc tính đến trọng tâm của tiết diện các thanh. a, nhịp tính toán của dầm: Nhịp tính toán của dầm lấy bằng khoảng cách giữa các trục cột - Xác định nhịp tính toán dầm BC: 10 2 0,5 0,5 7,8 0,11 0,11 7,52 2 2 2 2 2 2 c c BC h h t t l L m= + + = + + = ( Với trục cột là trục cột tầng 3, 4 ) - Xác định nhịp tính toán của dầm AB: 1 0,5 2,2 0,11 2,34 2 2 2 c AB h t l L m= + = + = ( Với trục cột là trục cột tầng3, 4). b, Chiều cao của cột: Chiều cao của cột lấy bằng khoảng cách giữa các trục dầm, do dầm khung thay đổi tiết diện nên ta sẽ xác định chiều cao của cột theo trục hành lang (dầm có tiết diện nhỏ hơn) - Xác định chiều cao của cột tầng 1: Lựa chọn chiều cao chôn móng từ mặt đất tự nhiên trở xuống (cốt -0,6 m) với m5,0mm500h m == 1 0,3 3,9 0,6 0,5 4,85( ) 2 2 d t t m h h H Z h m = + + = + + = ( Với 0,6Z m= ) - Xác định chiều cao cột tầng 2,3,4,5: m6,3hhhh 5t4t3t2t ==== Ta có sơ đồ kết cấu 3600 C-30X50 C-30X50 C-30X50 C-22X22 C-22X22 C-22X22 C-22X22 D-22X70 D-22X70 D-22X70 D-22X70 D-22X30 D-22X30 D-22X30 D-22X30 7520 2340 3600360036004850 C-30x55 C-30x55 C-30x55 C-30x55 C-30X50 C-30X45 C-30X45 C-22X22 D-22X60 D-22X30 so d? k?t c?u khung ngang 11 IV- Xác định tải trọng đơn vị 1.Tĩnh tải đơn vị - Tĩnh tải sàn phòng học: g s = 302,6 (daN/m 2 ) - Tĩnh tải sàn hành lang: g hl = 302,6 (daN/m 2 ) - Tĩnh tải sàn mái: g m = 319 (daN/m 2 ) (phần sênô có g sn = g m = 319 (daN/m 2 )) - Tờng xây 220: g t2 = 514 (daN/m 2 ) - Tờng xây 110: g t2 = 296 (daN/m 2 ) 2. Hoạt tải đơn vị - Hoạt tải sàn phòng học: p s = 240 (daN/m 2 ) - Hoạt tải sàn hành lang: p hl = 360 (daN/m 2 ) - Hoạt tải sàn mái và sênô: p m = 97,5 (daN/m 2 ) 3. Hệ số quy đổi tải trọng: a, Với ô sàn lớn, kích thớc 3,3 x 3,9 (m) Tải trọng phân bố tác dụng lên khung có dạng hình thang. Để quy đổi sang dạng tải trọng phân bố hình chữ nhật, ta cần xác định hệ số chuyển đổi k. 32 21k += với 2 3,3 0,423 0,718 2 2 3,9 B k L x = = = = . b, Với ô sàn hành lang, kích thớc 2,2 x 3,3 (m) Tải trọng phân bố tác dụng lên khung có dạng hình tam giác. Để quy đổi sang dạng tải trọng phân bố hình chữ nhật, ta có hệ số 625,0 8 5 k == . V- Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung Tải trọng bản thân của các kết cấu dầm cột sẽ do chơng trình tính toán kết cấu tự tính. 1. Xác định tĩnh tải tầng 2, 3, 4,5 Hình 8. Sơ đồ phân tĩnh tảI sàn tầng 2,3,4,5 12 [...]... tính thép chung cho cả 2: Tính cốt thép cho gối B và C (mômen âm): Tính theo tiết diện chữ nhật b x h = 25 x 70 cm: M=180,38 kN.m Giả thiết: a = 4(cm) h0 = 70 4 = 66 (cm) m = M 180,38 = = 0,144 2 Rb b.h0 115.25.66 2 - Có m < R = 0,429 = As = 1 + 1 2. m 2 = 0,922 M 180,38.10 4 = = 10,59(cm 2 ) R s h0 2800.0,922.66 Kiểm tra hàm lợng cốt thép: à= As 10,59 = = 0,64% > à min b.h0 25 x66 Tính cốt thép. .. nghiêng đợc đảm bảo * Bố trí cốt thép đai - Xác định vùng cốt đai tính toán: + Lực cắt mà dầm bê tông không có cốt đai chịu đợc là: 0,5 Rbt b.h0 = 0,5.0,9.250.660 = 74250 N = 74,25KN 33 + Bằng các tam giác đồng dạng ta xác định đợc các tiết diện có lực cắt bằng 74,25 KN là: Nhịp biên:Cách mép gối C là 1450mm Nhịp giữa: Cách mép gối B là 1450 mm - Vùng cốt đai giữa dầm dùng cốt đai 8 ,2 nhánh, s = 200... cắt nghiêng đợc đảm bảo * Bố trí cốt thép đai - Xác định vùng cốt đai tính toán: + Lực cắt mà dầm bê tông không có cốt đai chịu đợc là: 0,5Rbt b.h0 = 0,5.0,9.220.260 = 25740 N = 25,74KN + Bằng các tam giác đồng dạng ta xác định đợc các tiết diện có lực cắt bằng 25,74 KN là: Nhịp biên:Cách mép gối B là 304mm Nhịp giữa: Cách mép gối A là 304 mm - Vùng cốt đai giữa dầm dùng cốt đai 8 ,2 nhánh, s = 130 mm... tiết diện chân cột và một tiết diện đỉnh cột) 28 X- Tính toán cốt thép dầm 1 Tính toán cốt thép dọc cho các dầm: Sử dụng bê tông cấp độ bền B20, có: R b = 11,5 Mpa; R bt = 0,90 Mpa Sử dụng thép dọc nhóm AII có: R s = R sc = 280 Mpa tra bảng ta có: R = 0,623; R = 0,429 a Tính toán cốt thép dọc cho tầng 2, nhịp BC, phần tử 13 (b x h = 25x 70 Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra nội lực nguy hiểm nhất cho... tra hàm lợng cốt thép: à= As 5, 02 = = 0,878% > àmin b.h0 22 x 26 Tính cốt thép cho gối A (mômen âm): Tính theo tiết diện chữ nhật: bxh=22x30 (cm) Giả thiết: a = 4 ( cm) h 0 = 30 4 = 26 ( cm) Tai gôi A: M=17,22 (kN.m) m = M 17, 22 = = 0,101 2 Rb b.h0 115.22.26 2 Có m < R = 0,429 1 + 1 2. m = 0,947 2 M 17, 22.104 As = = = 2, 498(cm2 ) Rs h0 2800.0,947.26 = Kiểm tra hàm lợng cốt thép: 30 à= As... 143,85 7370 2165 26 3600 4 3600 3 3600 16 2 4850 VIII- Xác định nội lực Sử dụng chơng trình tính toán kết cấu Sap 2000 để tính toán nội lực cho khung với sơ đồ phần tử dầm và cột nh hình 21 Khi khai báo tải trọng trong chơng trình tính toán kết cấu, với trờng hợp tĩnh tải, phải kể đến trọng lợng bản thân của kết cấu (cột, dầm khung) với hệ số vợt tải n = 1,1 Ta có các số liệu đầu vào (Input) và đầu... 488,4 2494,81 598,95 756,54 1355,49 Ta có sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung 3600 2775,86 2475,6 2296,1 2596,4 1233,6 567,2 5792,1 2306,4 2381,96486,1 355,5 3600 664,8 5792,1 2306,4 2381,96486,1 355,5 3600 664,8 5792,1 2306,4 2381,96486,1 355,5 4850 664,8 7370 2165 Hình 10 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung 17 VI- Xác định hoạt tải tác dụng vào khung 1 Trờng hợp hoạt tải 1 C B L2 = 7800 3900 5 B = 3300... dầm: Ta có: Qmax = 140, 4 KN < 0,3R b bh0 = 0,3.11,5.250.660 = 569250 N = 569,25KN Vậy dầm đủ khả năng chịu ứng suất nén chính * Tính toán cốt đai - Vì lực cắt của dầm phụ bé nên không cần phải tính toán cốt xiên Qs.inc = 0 Sử dụng bài toán tính cốt đai khi không có cốt xiên đối với dầm chịu tải trọng phân bố đều 32 - Từ điều kiện đảm bảo cờng độ trên tiết diện nghiêng nguy hiểm nhất là: Q max Qb 2 Trong... dầm, cột của khung IX- tổ hợp nội lực 27 Các bảng tổ hợp nội lực cho dầm và cột đựơc trình bày nh trong bảng 12 và bảng 13 + Với một phần tử dầm ta tiến hành tổ hợp nội lực cho ba tiết diện (hai tiết diện đầu dầm và một tiết diện giữa dầm) + Với cột: ta tiến hành tổ hợp nội lực cho hai tiết diện (một tiết diện chân cột và một tiết diện đỉnh cột) 28 X- Tính toán cốt thép dầm 1 Tính toán cốt thép dọc cho... dầm: Ta có: Qmax = 36, 26 KN < 0,3R b bh0 = 0,3.11,5.220.260 = 197340 N = 197,34KN Vậy dầm đủ khả năng chịu ứng suất nén chính * Tính toán cốt đai - Vì lực cắt của dầm phụ bé nên không cần phải tính toán cốt xiên Qs.inc = 0 Sử dụng bài toán tính cốt đai khi không có cốt xiên đối với dầm chịu tải trọng phân bố đều - Từ điều kiện đảm bảo cờng độ trên tiết diện nghiêng nguy hiểm nhất là: Q max Qb 2 Trong . ngang. II- Lựa chọn giải pháp kết cấu 1. Chọn vật liệu sử dụng: Sử dụng bê tông cấp độ bền B15có : R b = 8,5MPa; R bt = 0,75MPa Sử dụng thép: + Nếu 12< thì dùng thép AI có R S = R SC = 225MPa +. sơ đồ : 2 Số liệu d , khung K4 Yêu cầu : thiết kế khung ngang một trường học tại TP.HCM . 3 Phần I: Tính toán khung I- Mô tả công trình Công trình mà chúng tôi thiết kế là trờng học 5 tầng,. D-22X30 C-30X45 C-30X45 C-22X22 D-22X30 0.00 0.60 3.9 +7.5 H ình 6. Sơ đồ hình học khung truc 5 2. Sơ đồ kết cấu Mô hình hóa kết cấu khung thành các thanh đứng (cột), và các thanh ngang (dầm) với trục của hệ kết cấu đợc tính đến trọng tâm của