LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU

Trang 1

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU2.1 SƠ BỘ PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU:

2.1.1 PHÂN TÍCH CÁC DẠNG KẾT CẤU KHUNG:

Theo TCXD 198 : 1997, các hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối được sử dụngphổ biến trong các nhà cao tầng bao gồm: hệ kết cấu khung, hệ kết cấu tường chịu lực,

hệ khung-vách hỗn hợp, hệ kết cấu hình ống và hệ kết cấu hình hộp Việc lựa chọn hệkết cấu dạng nào phụ thuộc vào điều kiện làm việc cụ thể của công trình, công năng sửdụng, chiều cao của nhà và độ lớn của tải trọng ngang như gió và động đất

2.1.1.1 Hệ kết cấu khung:

Hệ kết cấu khung có khả năng tạo ra các không gian lớn, thích hợp với các côngtrình công cộng Hệ kết cấu khung có sơ đồ làm việc rõ ràng nhưng lại có nhược điểm

là kém hiệu quả khi chiều cao công trình lớn

Trong thực tế, hệ kết cấu khung được sử dụng cho các ngôi nhà dưới 20 tầng vớicấp phòng chống động đất  7; 15 tầng đối với nhà trong vùng có chấn động động đấtcấp 8; 10 tầng đối với cấp 9

2.1.1.2 Hệ kết cấu vách cứng và lõi cứng:

Hệ kết cấu vách cứng có thể được bố trí thành hệ thống theo 1 phương, 2 phươnghoặc liên kết lại thành các hệ không gian gọi là lõi cứng Đặc điểm quan trọng của loạikết cấu này là khả năng chịu lực ngang tốt nên thường được sử dụng cho các côngtrình cao trên 20 tầng

Tuy nhiên, độ cứng theo phương ngang của các vách cứng tỏ ra là hiệu quả rõ rệt

ở những độ cao nhất định, khi chiều cao công trình lớn thì bản thân vách cứng phải cókích thước đủ lớn, mà điều đó thì khó có thể thực hiện được

Trong thực tế, hệ kết cấu vách cứng được sử dụng có hiệu quả cho các ngôi nhàdưới 40 tầng với cấp phòng chống động đất cấp 7; độ cao giới hạn bị giảm đi nếu cấpphòng chống động đất cao hơn

2.1.1.3 Hệ kết cấu khung giằng ( khung và vách cứng)

Trang 2

Hệ kết cấu khung - giằng (khung và vỏch cứng) được tạo ra bằng sự kết hợp hệthống khung và hệ thống vỏch cứng Hệ thống vỏch cứng thường được tạo ra tại khuvực cầu thang bộ, cầu thang mỏy, khu vực vệ sinh chung hoặc ở cỏc tường biờn, là cỏckhu vực cú tường nhiều tầng liờn tục hệ thống khung được bố trớ tại cỏc khu vực cũnlại của ngụi nhà Trong hệ thống kết cấu này, hệ thống vỏch chủ yếu chịu tải trọngngang cũn hệ thống khung chịu tải trọng thẳng đứng.

Hệ kết cấu khung - giằng tỏ ra là hệ kết cấu tối ưu cho nhiều loại cụng trỡnh caotầng Loại kết cấu này được sử dụng cho cỏc ngụi nhà dưới 40 tầng với cấp phũngchống động đất  7; 30 tầng đối với nhà trong vựng cú chấn động động đất cấp 8; 20tầng đối với cấp 9

2.1.1.4 Hệ tờng chịu lực:

ở hệ kết cấu này các cấu kiện thẳng đứng chịu lực của nhà là các vách cứng, lõicứng hoặc kết hợp vách với lõi Sự ổn định của công trình phụ thuộc phần lớn vào hìnhdạng tiết diện ngang của chúng, ngoài ra các vách cứng thờng hay bị giảm yếu do cócác lỗ cửa

Hệ khung và tờng chịu lực: Đây là hệ kết cấu đợc tạo thành từ sự kết hợp của hai

hệ trên Nó là hệ kết cấu rất có hiệu quả với các công trình nhà nhiều tầng, cao tầng Sựlàm việc của hệ kết cấu này đa số theo dạng sơ đồ giằng với các khung chỉ chịu tảitrọng thẳng đứng trong diện chịu tải của nó còn toàn bộ tải trọng ngang và một phần tảitrọng đứng xem nh dồn về cho hệ lõi chịu lực

Do đặc điểm của công trình là trụ sở làm việc nên có yêu cầu cao về mặt kiếntrúc, công năng, tính thích dụng, ngoài ra công trình thuộc loại nhà nhiều tầng vì vậy tachọn giải pháp kết cấu cho công trình là hệ kết cấu khung vách

2.1.1.5 Hệ kết cấu đặc biệt:

(Bao gồm hệ thống khung khụng gian ở cỏc tầng dưới, phớa trờn là hệ khunggiằng) Đõy là loại kết cấu đặc biệt, được ứng dụng cho cỏc cụng trỡnh mà ở cỏc tầngdưới đũi hỏi cỏc khụng gian lớn; khi thiết kế cần đặc biệt quan tõm đến tầng chuyểntiếp từ hệ thống khung sang hệ thống khung giằng Nhỡn chung, phương phỏp thiết kếcho hệ kết cấu này khỏ phức tạp, đặc biệt là vấn đề thiết kế khỏng chấn

2.1.1.6 Hệ kết cấu hỡnh ống:

Hệ kết cấu hỡnh ống cú thể được cấu tạo bằng một ống bao xung quanh nhà baogồm hệ thống cột, dầm, giằng và cũng cú thể được cấu tạo thành hệ thống ống trong

Trang 3

ống Trong nhiều trường hợp, người ta cấu tạo hệ thống ống ở phía ngoài, còn phíatrong nhà là hệ thống khung hoặc vách cứng.

Hệ kết cấu hình ống có độ cứng theo phương ngang lớn, thích hợp cho các côngtrình cao từ 25 đến 70 tầng

2.1.1.7 Hệ kết cấu hình hộp:

Đối với các công trình có độ cao và mặt bằng lớn, ngoài việc tạo ra hệ thốngkhung bao quanh làm thành ống, người ta còn tạo ra các vách phía trong bằng hệ thốngkhung với mạng cột xếp thành hàng

Hệ kết cấu đặc biệt này có khả năng chịu lực ngang lớn thích hợp cho nhữngcông trình rất cao, có khi tới 100 tầng

2.1.2 PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN:

Công trình Trung tâm thương mại Parkson Hùng Vương là một công trình caotầng (11 tầng chưa kể tầng hầm) với độ cao lên tới 44m Đây là một công trình đa chứcnăng, vừa là trung tâm thương mại, vừa làm khu văn phòng, lại kết hợp làm siêu thị do

đó có những thời điểm sẽ tập trung một lượng dân số lớn Mặt khác, công trình lại xâydựng trong khu dân cư đông đúc vì vậy yêu cầu đặt ra khi thiết kế công trình là phảichú ý đến độ an toàn của công trình, theo điểm 2.6.1 TCXD 198 : 1997 thì “Kết cấunhà cao tầng cần tính toán thiết kế với các tổ hợp tải trọng thẳng đứng, tải trọng gió vàtải trọng động đất ” Do đó khi thiết kế hệ kết cấu công trình phải đảm bảo công trìnhchịu được động đất thiết kế mà không bị sụp đổ toàn phần hay sụp đổ cục bộ, đồngthời giữ được tính toàn vẹn của kết cấu và còn khả năng chịu tải trọng sau động đất

Hệ kết cấu chịu lực của công trình phải được thiết kế với bậc siêu tĩnh cao để khichịu tác động của các tải trọng ngang lớn công trình có thể bị phá hoại ở một số cấukiện mà không bị sụp đổ hoàn toàn

Hệ kết cấu khung -giằng tỏ ra là hệ kết cấu tối ưu cho nhiều loại công trình cao tầng.Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôi nhà đến 40 tầng Nếu công trình đượcthiết kế cho vùng có động đất cấp 8 thì chiều cao tối đa cho loại kết cấu này là 30 tầng,cho vùng động đất cấp 9 là 20 tầng

Trang 4

Chính vì các lý do trên mà sử dụng giải pháp hệ khung-vách bằng BTCT đổtoàn khối Hệ thống thang bộ, thang máy là lõi trung tâm đảm bảo sự bền vững, chắcchắn cho công trình.

Chiều cao tầng điển hình là 3,3m với nhịp là 8,4m Giải pháp khung-váchBTCT với dầm đổ toàn khối, bố trí các dầm trên đầu cột và gác qua vách cứng

Về hệ kết cấu chiu lực: Sử dụng hệ kết cấu khung – lõi chịu lực với sơ đồ khunggiằng Trong đó, hệ thống lõi và vách cứng được bố trí đối xứng ở khu vực giữa nhàtheo cả hai phương, chịu phần lớn tải trọng ngang tác dụng vào công trình và phần tảitrọng đứng tương ứng với diện chịu tải của vách Hệ thống khung bao gồm các hàngcột biên, dầm bo bố trí chạy dọc quanh chu vi nhà và hệ thông dầm sàn, chịu tải trọngđứng là chủ yếu, tăng độ ổn định cho hệ kết cấu

2.1.3 Lựa chọn kích thước tiết diện:

+Rb: cường độ chịu nén của bêtông Với bêtông M300 lấy Rb= 1300 (kg/cm2)

+kt: hệ số xét đến ảnh hưởng khác như mômen uốn, hàm lượng cốt thép, độ mảnh củacột

-Với cột biên ta lấy kt = 1,3

-Với cột trong nhà ta lấy kt = 1,2

-Với cột góc nhà ta lấy kt = 1,5

+N: lực nén được tính toán gần đúng như sau:

N = mS.q.FS

Trong đó:

mS: số sàn phía trên tiết diện đang xét

FS: diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét

q: tải trọng tương đương tính trên mỗi mét vuông mặt sàn Giá trị q được lấy theo kinhnghiệm thiết kế Với sàn có bề dày 18 cm lấy q = 1,5 T/m2

Bảng chọn tiết diện các cột:

Trang 6

Các cột còn lại chọn tiết diện 500x500mm.

2.1.4 Tiết diện dầm:

Chiều cao dầm thường được lựa chọn theo nhịp với tỷ lệ hd = (1/8 – 1/12)Ld vớidầm chính và hd = (1/12 – 1/20)Ld với dầm phụ

Chiều rộng dầm thường được lấy bd = (1/4 – 1/2) hd

Từ bản vẽ kiến trúc ta có chiều dài các dầm thay số vào các công thức trên tatính được tiết diện các dầm trên:

+ Dầm khung chọn tiết diện: b= 40 (cm),h=70 (cm)

+ Với dầm phụ đỡ tường chọn: b=22 (cm), h=50 (cm)

2.1.5 Phân tích lựa chọn phương án kết cấu sàn:

1 Đề xuất phương án kết cấu sàn :

Công trình có bước cột khá lớn 8.4m, ta có thể đề xuất một vài phương án kếtcấu sàn thích hợp với nhịp này là:

+ Sàn BTCT có hệ dầm chính, phụ (sàn sườn toàn khối)

+ Hệ sàn ô cờ

+ Sàn phẳng BTCT ứng lực trước không dầm

+ Sàn BTCT ứng lực trước làm việc hai phương trên dầm

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của từng loại phương án kết cấu sàn để lựachọn ra một dạng kết cấu phù hợp nhất về kinh tế, kỹ thuật, phù hợp với khả năng thiết

kế và thi công của công trình

a) Phương án sàn sườn toàn khối BTCT:

Cấu tạo hệ kết cấu sàn bao gồm hệ dầm chính phụ và bản sàn

Ưu điểm: Lý thuyến tính toán và kinh nghiệm tính toán khá hoàn thiện, thi côngđơn giản, được sử dụng phổ biến ở nước ta với công nghệ thi công phong phú nênthuận tiện cho việc lựa chọn phương tiện thi công Chất lượng đảm bảo do đã có nhiềukinh nghiệm thiết kế và thi công trước đây

Trang 7

Nhược điểm: Chiều cao dầm và độ võng của bản sàn rất lớn khi vượt khẩu độlớn, hệ dầm phụ bố trí nhỏ lẻ với những công trình không có hệ thống cột giữa, dẫnđến chiều cao thông thuỷ mỗi tầng thấp hoặc phải nâng cao chiều cao tầng không cólợi cho kết cấu khi chịu tải trọng ngang Không gian kiến trúc bố trí nhỏ lẻ, khó tậndụng Quá trình thi công chi phí thời gian và vật liệu lớn cho công tác lắp dựng vánkhuôn.

b)Phương án sàn ô cờ BTCT:

Cấu tạo hệ kết cấu sàn bao gồm hệ dầm vuông góc với nhau theo hai phương,chia bản sàn thành các ô bản kê bốn cạnh có nhịp bé, theo yêu cầu cấu tạo khoảng cáchgiữa các dầm vào khoảng 3m Các dầm chính có thể làm ở dạng dầm bẹt để tiết kiệmkhông gian sử dụng trong phòng

Ưu điểm: Tránh được có quá nhiều cột bên trong nên tiết kiệm được không gian

sử dụng và có kiến trúc đẹp, thích hợp với các công trình yêu cầu thẩm mỹ cao vàkhông gian sử dụng lớn như hội trường, câu lạc bộ Khả năng chịu lực tốt, thuận tiệncho bố trí mặt bằng

Nhược điểm: Không tiết kiệm, thi công phức tạp Mặt khác, khi mặt bằng sànquá rộng cần phải bố trí thêm các dầm chính Vì vậy, nó cũng không tránh được nhữnghạn chế do chiều cao dầm chính phải lớn để giảm độ võng Việc kết hợp sử dụng dầmchính dạng dầm bẹt để giảm chiều cao dầm có thể được thực hiện nhưng chi phí cũng

sẽ tăng cao vì kích thước dầm rất lớn

c)Phương án sàn không dầm ứng lực trước :

Cấu tạo hệ kết cấu sàn bao gồm các bản kê trực tiếp lên cột (có mũ cột hoặckhông)

+) Ưu điểm:

+ Chiều cao kết cấu nhỏ nên giảm được chiều cao công trình

+ Tiết kiệm được không gian sử dụng

+ Dễ phân chia không gian

Trang 8

+ Tiến độ thi công sàn ƯLT (6 - 7 ngày/1 tầng/1000m2 sàn) nhanh hơn so với thicông sàn BTCT thường.

+ Do có thiết kế điển hình không có dầm giữa sàn nên công tác thi công ghép vánkhuôn cũng dễ dàng và thuận tiện từ tầng này sang tầng khác do ván khuôn được tổhợp thành những mảng lớn, không bị chia cắt, do đó lượng tiêu hao vật tư giảm đáng

kể, năng suất lao động được nâng cao

+ Khi bêtông đạt cường độ nhất định, thép ứng lực trước được kéo căng và nó sẽchịu toàn bộ tải trọng bản thân của kết cấu mà không cần chờ bêtông đạt cường độ 28ngày Vì vậy thời gian tháo dỡ cốt pha sẽ được rút ngắn, tăng khả năng luân chuyển vàtạo điều kiện cho công việc tiếp theo được tiến hành sớm hơn

+ Do sàn phẳng nên bố trí các hệ thống kỹ thuật như điều hoà trung tâm, cungcấp nước, cứu hoả, thông tin liên lạc được cải tiến và đem lại hiệu quả kinh tế cao

+) Nhược điểm:

+ Tính toán tương đối phức tạp, mô hình tính mang tính quy ước cao, đòi hỏinhiều kinh nghiệm vì phải thiết kế theo tiêu chuẩn nước ngoài

+ Thi công phức tạp đòi hỏi quá trình giám sát chất lượng nghiêm ngặt

+ Thiết bị và máy móc thi công chuyên dùng, đòi hỏi thợ tay nghề cao Giá cả đắt

và những bất ổn khó lường trước được trong quá trình thiết kế, thi công và sử dụng.d)Phương án sàn ứng lực trước hai phương trên dầm:

Cấu tạo hệ kết cấu sàn tương tự như sàn phẳng nhưng giữa các đầu cột có thểđược bố trí thêm hệ dầm, làm tăng độ ổn định cho sàn Phương án này cũng mang các

ưu nhược điểm chung của việc dùng sàn BTCT ứng lực trước So với sàn phẳng trêncột, phương án này có mô hình tính toán quen thuộc và tin cậy hơn, tuy nhiên phải chiphí vật liệu cho việc thi công hệ dầm đổ toàn khối với sàn

2 Lựa chọn phương án kết cấu sàn:

Bước cột 8.4m, tương đối lớn nhưng mặt bằng sàn rộng Không gian sử dụngđược thiết kế đơn giản Tầng điển hình có bố trí văn phòng cho thuê với modun giống

Trang 9

nhau Và để đơn giản trong thiết kế và thi cụng, em đề xuất phương ỏn thi cụng sàn bờtụng cốt thộp toàn khối.

Kớch thước tiết diện của cỏc cấu kiện được lựa chọn như sau:

+ Chiều dày sàn được lấy (1/40-1/45)L đối với sàn làm việc hai phương Kớchthước ụ sàn lớn nhất là 8.4 x 8.4m nờn ta chọn hs = 18 cm , đảm bảo điều kiện trờn+ Dầm bo chạy trờn đầu cột cú kớch thước đó chọn là hd = 70 cm, bd = 30 cm, đảmbảo cường độ và ổn định

+ Dầm giữa nhà được chọn là hd = 70 cm, bd = 30 cm

3 Phõn tớch lựa chọn phương ỏn kết tầng hầm

Kết cấu tường tầng hầm : với điều kiện địa chất cụng trỡnh cú lớp đất yếu tươngđối dày, mực nước ngầm cao, chiều sõu đào tương đối lớn (từ 8-9m), mặt bằng thicụng chật hẹp (khoảng 1330 m2) sẽ khú tiến hành cụng việc thi cụng tầng hầm theodạng bottom - up với mỏi taluy, hay sử dụng đúng cừ thộp thỡ sẽ rất tốn kộm và khúkhả thi Với diện tớch và chiều sõu lớn như vậy thỡ nếu dựng 2 biện phỏp này ta sẽ phảiđào nhiều đợt, nhiều bậc, độ ổn định cũng như an toàn cho thi cụng sẽ phức tạp và khúđoỏn định Mặt khỏc xung quanh cụng trỡnh cú đường và khu dõn cư nờn nếu thi cụngtheo biện phỏp mỏi taluy hay chống cừ sẽ khú khả thi Vỡ vậy hợp lý hơn cả là sử dụngbiện phỏp tường trong đất kết hợp làm tường cho tầng hầm và tường ngăn đất, vừađảm bảo chất lượng, ổn định và an toàn Tuy nhiờn biện phỏp này khỏ tốn kộm, đũi hỏicụng nghệ thi cụng chuyờn dụng, giỏm sỏt chất lượng cao

Kết cấu sàn tầng hầm: Như đó lựa chọn ở trờn, sàn tầng hầm được dựng là hệ kếtcấu sàn ụ cờ, kết hợp với dầm chớnh dạng dầm bẹt

2.2 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG:

2.2.1 Tĩnh Tải:

Việc tính toán các loại tải trọng và cách xác định đợc áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN

2737 - 1995 về “ Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế ”.

2.2.1.1 Cơ sở tính toán.

+ Tải trọng truyền vào khung gồm tĩnh tải và hoạt tải dới dạng tải tập trung và tảiphân bố đều

+ Tĩnh tải: trọng lợng bản thân cột, dầm sàn, tờng, các lớp trát

Trang 10

+ Tải trọng do sàn truyền vào dầm của khung đợc tính toán theo diện chịu tải, đợccăn cứ vào đờng nứt của sàn khi làm việc Nh vậy tải trọng truyền từ bản vào dầm theocác trờng hợp sau:

+ Khi l2/ l1 < 2 thì:

Theo phơng cạnh ngắn l1: hình tam giác

Theo phơng cạnh dài l2: hình thang

+ Khi l2/ l1 > 2 thì tải trọng truyền vào dầm theo hình chữ nhật

Để đơn giản cho tính toán ta quy tải tam giác và hình thang về dạng phân bố đều:+ Tải dạng tam giác có lực phân bố lớn nhất tại giữa nhịp là qmax, tải phân bố đềutơng đơng là:

l1: chiều dài theo phơng cạnh ngắn;

l2: chiều dài theo phơng cạnh dài;

- Dầm dọc nhà, dầm bo tác dụng vào cột trong diện chịu tải của cột dới dạng lựctập trung

Từ những cơ sở tính toán trên ta tiến hình tính toán các loại tải trọng nh dới đâysau đó dồn tải về khung trục 2

Trang 11

+ Träng lîng trªn 1m chiÒu dµi (gåm träng lîng kÕt cÊu vµ v÷a tr¸t):

+ Víi cét tiÕt diÖn 70 x 70(cm):

TLR (kG/m 3 )

TT tiêu chuẩn (kG/m 2 )

Hệ số vượt tải

TT tính toán (kG/

Trang 12

TT tiêu chuẩn (kG/

m 2 )

TT tiêu chuẩn (kG/

m 2 )

TT tính toán (kG/m 2 )

Trang 13

dày(mm) (kG/m 3 ) chuẩn (kG/

m 2 )

vượt tải

2.2.1.4 Tải trọng tường xây

Tường ngăn giữa các đơn nguyên, tường bao chu vi nhà dày 220 ; Tường ngăntrong các phòng, tường nhà vệ sinh trong nội bộ các đơn nguyên dày 110 được xâybằng gạch có  =1200 kG/m3 Cấu tạo tường bao gồm phần tường đặc xây bên dưới

và phần kính ở bên trên

+ Trọng lượng tường ngăn trên dầm tính cho tải trọng tác dụng trên 1 m dài tường.+ Trọng lượng tường ngăn trên các ô bản (tường 110, 220mm) tính theo tổng tải trọngcủa các tường trên các ô sàn sau đó chia đều cho diện tích toàn bản sàn của công trình.Chiều cao tường được xác định: ht= H-hs

Trong đó: ht -chiều cao tường

H-chiều cao tầng nhà

hs- chiều cao sàn, dầm trên tường tương ứng

Trang 14

Ngoài ra khi tính trọng lượng tường, ta cộng thêm hai lớp vữa trát dày 3cm/lớp.Một cách gần đúng, trọng lượng tường được nhân với hế số 0.75, kể đến việc giảm tảitrọng tường do bố trí cửa số kính.

Kết quả tính toán trọng lượng của tường phân bố trên dầm ở các tầng được thểhiện trong bảng:

Bảng 1.7 Tải trọng tường xây

Tầng Loại tường Dày

(m)

Cao (m)

TLR (kG/m 3 )

Giảm tải

Tải trọng tc (kG/m)

n

Tải trọng tt (kG/m)

Tầng

1,2,3