Đồ án thiết kế khung ngang bê tông cốt thép toàn khối

Tính toán hệ khung được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương cạnh ngắn của công trình + hệ dầm dọc Khi tỷ số L/B > 1,5 nội lực chủ yếu gây ra trong khung ngang vì độ cứng khung n

KHOA XÂY DỰNG KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP II

BỘ MƠN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Giáo viên hướng dẫn : Huỳnh Quốc Hùng

Ngày giao đề :………Hồn thành:……… Nội dung đồ án:

THIẾT KẾ KHUNG NGANG BÊ TƠNG CỐT THÉP TỒN KHỐI

1 Sơ đồ khung ngang:

1 - LỚP CHỐNG THẤM (SIKA LATEX)

2 - LỚP VỮA XM MÁC 100 DÀY 30 BO TRÒN GO

3 - SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP

4 - LỚP VỮA TRÁT TRẦN MÁC 75 DÀY 15

5 - LỚP SƠN NƯỚC MÀU TRẮNG

1 - TẤM ĐAN CHỐNG NHIỆT 600x600x50

2 - HAI LỚP GẠCH THÔNG TÂM 4 LỖ TRÒN

3 - MỘT LỚP GẠCH LÁ NEM 20x200x200

4 - LỚP VỮA XI MĂNG MÁC 75 DÀY 25

5 - BÊ TÔNG CHỐNG THẤM B25 DÀY 40

6 - SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP

7 - LỚP VỮA TRÁT TRẦN MÁC 75 DÀY 15

8 - LỚP SƠN NƯỚC MÀU TRẮNG

(SÀN NHÀ + SÀN VỆ SINH)

1 - LÁT GẠCH CERAMIC 400x400x10

2 - LỚP VỮA XM MÁC 75 DÀY 30

3 - SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP

4 - LỚP VỮA TRÁT TRẦN MÁC 75 DÀY 15

5 - LỚP SƠN NƯỚC MÀU TRA

6 Các ghi chú :

1 Bề rộng tường t(mm) được lấy theo bề rộng dầm;

2 Bỏ qua lỗ cửa, xem là một mảng tường đặt;

3 Lan can (LC) được xây bằng gạch đặt, chiều cao h=0.9(m) dày t=100(mm);

4 Thành sê nô xây gạch dày t=100(mm) cao hsn=500(mm).

7 Trình tự thiết kế:

Bước 1 : Giới thiệu, mô tả kết cấu của khung:

Kết cấu chịu lực là hệ khung bê tông cốt thép đổ toàn khối có liên kết cứng tại nút, liên kết giữa cột với móng được xem là ngàm tại mặt móng Hệ khung chịu lực của công trình là một hệ không gian, có thể xem được tạo nên từ những khung phẳng làm việc theo hai phương vuông góc với nhau hoặc đan chéo nhau.

Tính toán hệ khung được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương cạnh ngắn của công trình + hệ dầm dọc (Khi tỷ số L/B > 1,5 nội lực chủ yếu gây ra trong khung ngang vì độ cứng khung ngang nhỏ hơn nhiều lần độ cứng khung dọc Vì thế tách riêng từng khung phẳng để tính nội lực: khung phẳng).

Công trình khung bêtông cốt thép toàn khối 3 tầng, 3 nhịp Để đơn giản tính toán, tách khung phẳng trục 8, bỏ qua sự tham gia chịu lực của của hệ giằng móng và kết cấu tường bao che.

Mặt bằng kết cấu dầm sàn được bố trí như trên Hình 2:

SƠ ĐỒ KẾT CẤU KHUNG TRỤC 8 SƠ ĐỒ KẾT CẤU KHUNG TRỤC 8

Hình 2 Diện tích truyền tải của cột thuộc khung trục 8

Bước 2 Chọn vật liệu và sơ bộ chọn kích thước tiết diện của cấu kiện:

A Chọn vật liệu:

• Bê tông

-Dùng bê tông có cấp độ bền B20( tương đương M250) có

-Trọng lượng riêng : γbt=2500daN/m

-Cường độ chịu nén tính toán của bê tông khi tính theo trạng thái giới hạn I:

• Cường độ chịu kéo, nén tính toán: Rs=Rsc= 2250 (daN/cm2)

• Cường độ chịu cắt khi tính toán cốt ngang: Rsw=1750 (daN/cm2)

• Môđun đàn hồi: E=2.1 × 106 (daN/cm2)

Thép CII: Φ ≥10(mm)

• Cường độ chịu kéo, nén tính toán: Rs=Rsc= 2250 (daN/cm2)

• Cường độ chịu cắt khi tính toán cốt ngang: Rsw=1750 (daN/cm2)

• Môđun đàn hồi: E=2.1 × 106 (daN/cm2)

B Chọn sơ bộ kích thước tiết diện

Chọn chiều dày của sàn

Chiều dày của sàn được chọn dựa theo công thức:

Các ô bản phòng học đều chọn chiều dày hb=100(mm), chọn chiều dày sênô và sàn hành lang hb=80(mm)

Chọn kích thước tiết diện của dầm

Tiết diện của dầm, phụ thuộc chủ yếu vào nhịp dầm và độ lớn của tải trọng Theo kinh nghiệm tiết diện của dầm được chọn theo công thức:

c.Chọn sơ bộ tiết diện cột

c.1 Về dộ bền

= Trong đó:

K=1.1 ÷ 1.5 là hệ số kể đến ảnh hưởng của mômen uốn, độ mảnh của cột, hàm lượng cốt thép, lấy tùy thuộc vào vị trí của cột Khi ảnh hưởng của mômen là bé thì lấy k bé và ngược lại.

Rb=1150(daN/cm2) – cường độ chịu nén tính toán của bê tông

N là lực dọc trong cột, được tính toán theo công thức gần đúng như sau:

Sxq

N q = (kN/m2)

q- tải trọng tương đương tính theo trên một mét vuông mặt sàn trong đó gồm tải trọng thường xuyên và tạm thời trên bản sàn, trọng lượng dầm, tường, cột được tính ra phân bố đều trên sàn Thông thường với nhà có chiều dày sàn bé (10÷14) cm, có ít tường, kích thước cột và dầm bé lấy q=(10 14)÷ kN/m2

Sxq : Tổng diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét(Xem hình 3)

λ = ≤λ = ( với l0 = ψ H , b: chiều rộng tiết diện, H: chiều cao tầng)

Thực hiện chọn tiết diện cho cột trục B tầng 1 của khung 8

Về độ bền:

2,8 9, 0 4,0

     

λ = = = × ≤λ = =>Thỏa mãn điều kiện về độ ổn định.

Trong đó hệ số Ψ =0.7 cho khung nhà nhiều tầng liên kết cứng giữa dầm và cột,

có từ 2 nhịp trở lên, đổ bê tông thép toàn khối.

Với các cột còn lại việc chọn kích thước sơ bộ của tiết diện được thực hiện tương tự ở bảng 1

Bảng 1 :Tính toán và chọn sơ bộ trục tiết diện cột và khung trục tầng 8

BẢNG CHỌN TIẾT DIỆN KHUNG TRỤC 5Cột trục Tầng Sxq(m2) q(kN/m2) k Ac(cm2) b(cm) h(cm) H(m) λb Kiểm

Hình 4 Sơ đồ chọn tiết diện khung 8

(dầm), liên kết cứng với nhau tại các nút và liên kết giữa cột với móng là ngàm tại mặt móng.

Khung được tính theo sơ đồ đàn hồi, để đơn giản hóa lấy nhịp tính toán bằng nhịp kiến trúc Ta có sơ đồ tính:

D4 D3

D6 D5

Hình 5 Sơ đồ tính khung trục 8

2 Xác định các loại tĩnh tải tác dụng lên khung :

2.1 Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung

a Xác định tải trọng đơn vị trên 1 m2 sàn.

Bảng 2 Xác định tải trọng đơn vị trên 1m2 sàn

b.Xác định tải trọng đơn vị trên 1 m2 tương.

Bảng 2 Xác định tải trọng đơn vị trên 1m2 tường.

c Xác định tĩnh tải vào khung trục 8.

Tên ô bản các lớp cấu tạo (m) ( daN/m3) n g (daN/mtc 2) g (daN/mtt 2)

gtt (daN/m2)

360 48 408

396 62.4 485,4

180 48 228

198 62.4 260,4

- Tải trọng bản thân của các kết cấu dầm khung, cột khung nên để cho chương trình tính

toán kết cấu tự tính

- Việc tính toán tải trọng vào khung được thể hiện theo hai cách:

+ Cách 1: Chưa quy đổi tải trọng (giữ nguyên dạng truyền tải)

+ Cách 2: Quy đổi tải trọng thành phân bố đều với hệ số quy đổi k (xem hình 5)

Với tải trọng phân bố tác 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 như sau:

qcn = qht.k ; k = 1 - 2β2 + β3 ; β = 0,5Ln/Ld

Với tải trọng phân bố có dạng tam giác Để quy đổi sang tải trọng phân bố hình chử nhật ta dung

hệ số chuyển đổi k=5/8 ; qcn = 5/8qtg

- Tỉnh tải tầng 2,3 (xem hình 5)

Bảng 1 : Xác định tĩnh tải phân bố và tập trung sàn tầng 2,3 lên dầm khung K8

TỈNH TẢI PHÂN BỐ - daN/m

2 Do trọng lượng sàn S2 truyền vào

gtc = 1/2 x (4 + 1,2)x 1,4 x 294/2 524,79gtt = 1/2 x (4 +1,2)x 1,4 x 337,8/2 602,97

3 Trọng lượng lan can hành lang bằng tường gạch dày 100 xây

2 Do trọng lượng sàn S2 truyền vào

gtc = 1/2 x (4 + 1,2)x 1,4 x 294/2 524,79gtt = 1/2 x (4+1,2)x 1,4 x 337,8/2 602,97

3 Do trọng lượng tường xây trên dầm dọc dày 200 cao :

2 Do trọng lượng sàn S1 truyền vào.

2 Do trọng lượng sàn S1 truyền vào

gtc = 4/2 x 2 x 1/2 x 344 670,8

3 Do trọng lượng tường xây trên dầm dọc dày 200 cao :

3,9 - 0,3 =3,6(m)gtc = 408 x 3,6 x 4/2 2937,6

Hình 6 : Sơ đồ phân tĩnh tải sàn tầng mái

Bảng 5 Xác định tĩnh tải phân bố và tập trung sàn tầng mái lên dầm khung K8

TĨNH TẢI PHÂN BỐ - daN/m

Kí

ght Tải trọng từ sàn S5 truyền vào dưới dạng hình thang với tung

2 Do trọng lượng sàn S3 truyền vào

2 Do trọng lượng sàn S4 truyền vào

gtc = 1/2 x (4+ 1,2) x 1,4 /2 x 615 1097,7gtt = 1/2 x (4 + 1,2) x 1,4 /2 x 689,3 1230,4

3 Trọng lượng lan can hành lang bằng tường gạch dày 100 xây

gtc = 1/2 x (4+ 1,2)x 1,4 x 615/2 1097,7 gtt = 1/2 x (4 +1,2)x 1,4 x 689,3/2 1230,4

2 Do trọng lượng sàn S6 truyền vào.

2 Do trọng lượng sàn S6 truyền vào

gtc = 4/2 x 2 x 1/2 x 615 1199,25gtt = 4/2 x 2 x 1/2 x 689,3 1344,135

2 Do trọng lượng sàn S7 truyền vào

2 Do trọng lượng sàn S7 truyền vào

878,72 878,72 2317,44 965 2816,53 1378,6 2908,27 1378,6 1940,45

Hình 7 : Sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung trục 8 (daN ; daN/m) – T

3.Xác định hoạt tải đứng tác dụng vào khung:

Hoạt tải sử dụng được lấy theo Tiêu chuẩn TCVN 2737 – 1995 : Tải trọng và tác động.

Hoạt tải đơn vị.

Bảng 6 : Hoạt tải đơn vị trên 1 m2 sàn

Kí hiệu ô sàn Công năng ô sàn Tải trọng tiêu

chuẩn

n Ptt

(daN/m2) Toàn

phần

Phần dài hạn S1 Phòng học 200 70 1,2 240 S2 Hành lang 300 100 1,2 360 S3,S4,S5,S6,S7 Sênô và Mái bằng BTCT không sử dụng 75 1,3 97,5

Hình 7: Sơ đồ phân hoạt tải 1 tầng 2

Bảng 7 Xác định hoạt tải 1 phân bố và tập trung của sàn tầng 2 lên dầm khung K8

TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI 1 TẦNG 2 - daN/m

Ptg Pb Pa

Hình 8: Sơ đồ phân hoạt tải 1 tầng 3

Bảng 8 Xác định hoạt tải 1 phân bố và tập trung của sàn tầng 3 lên dầm khung K8

TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI 2 TẦNG 3 - daN/m

Pc Pht

Pb' Pb

Hình 9: Sơ đồ phân hoạt tải 1 - tầng mái

Bảng 9 Xác định hoạt tải 1 phân bố và tập trung của sàn tầng mái lên dầm khung K8.

TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI 1 TẦNG MÁI - daN/m

Hoạt tải từ sàng S5,S6 tuyền vào

12001200

Hình 10 Sơ đồ hoạt tải 1 tác dụng vào khung trục 8 ( daN, daN/m) – HT1.

c.Tính trường hợp hoạt tải 2

Ptg

HÌNH 11 SƠ ĐỒ PHÂN HOẠT TẢI 2 – TẦNG 2

Bảng 10 Xác định hoạt tải 2 phân bố và tập trung của sàn tầng 2 lên dầm khung K8

TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI 2 TẦNG 2 - daN/m

Pb' Pb

HÌNH 12 SƠ ĐỒ PHÂN HOẠT TẢI 2 – TẦNG 3

Bảng 11 Xác định hoạt tải 2 phân bố và tập trung của sàn tầng 3 lên dầm khung K8

TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI 2 TẦNG 3 - daN/m

HÌNH 13 SƠ ĐỒ PHÂN HOẠT TẢI 2 – TẦNG MÁI

Bảng 8 Xác định hoạt tải 2 phân bố và tập trung của sàn tầng mái lên dầm khung K8

TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI 2 TẦNG MÁI - daN/m

Hình 14 Sơ đồ hoạt tải 2 tác dụng vào khung trục 8 ( daN, daN/m) – HT2.

4 Xác định hoạt tải gió tác dụng vào khung

Xác định theo TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.

Công trình được xây dựng tại tỉnh Thừa Thiên – Huế, thuộc vùng gió II.B, có áp lực gió đơn vị (Bảng 4 – TCVN 2737-1995) là Wo = 95 (daN/m2) thuộc dạng địa hình B Công trình cao dưới 40m nên ta chỉ xét đến tác dụng tĩnh của tải trọng gió.

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W có độ cao Z so với mốc chuẩn được xác định theo công thức: W = W0 ×k×c

C – Hệ số khí động (bảng 6 TCVN 2737-1995)

Phía khuyất gió c = -0,6 Tải trọng tính toán của gió tác dụng lên khung được tính theo công thức:

Gió đẩy: qd = nK1W0cdB Gió đẩy: qh = nK1W0chB Trong đó: n=1,2 là hệ số tin cậy của tải trọng gió

B là phạm vi truyền tải vào khung.

Bảng tính toán tải trọng gió tác dụng lên khung trục 6

TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG VÀO KHUNG TRỤC 6

Tải trọng gió tác dụng vào phần sênô được quy về lực tập trung đặt ở đầu cột Sđ, Sh.

Để an toàn hệ số k lấy ở cao trình đỉnh mái tức là Z=12,45 (m)  k = 1,039

Trị số S tính theo công thức sau:

1200

1200

118,57 132,01 142,14

157,96 176,02

189,52

71,0794,76

HÌNH 15 SƠ ĐỒ GIÓ TRÁI TÁC DỤNG VÀO KHUNG TRỤC 8

(daN, daN/m) – GT

118,57 132,01 142,14

12002800

Hình 17: Sơ đồ phần tử dầm, cột của khung

trục 10

- Trường hợp tải trọng

Từ phần mềm sáp ta xuất các sơ đồ sau:

Hình 18:Sơ đồ bố trí kích thước tiết diện cho khung trục 8.

Hình 19 :Sơ đồ tĩnh tải tác dụng lên khung trục 8(daN;daN/m)

Hình 20 :Sơ đồ hoạt tải 1 tác dụng lên khung trục 8(daN;daN/m).

Hình 21 :Sơ đồ hoạt tải 2 tác dụng lên khung trục 8(daN;daN/m).

•

Hình 22 :Sơ đồ gió trái tác dụng vào khung trục 8(daN;daN/m)

•

•

Hình 23 :Sơ đồ gió phải tác dụng vào khung trục 10(daN;daN/m)

Hình 24 : Biểu đồ bao mômen (daNm)

Frame Station OutputCase CaseType P V2 M3

Tổ hợp cơ bản 1: tĩnh tải + 1 trường hợp hoạt tải với hệ số tổ hợp là 1.

Tổ hợp cơ bản 2:tĩnh tải + 2 trường hợp hoạt tải trở lên với hệ số là 0,9.

Trên cơ sở đó ta có cấu trúc tổ hợp như sau:

TH1: TT+HT1

Phần tử Tiết diện TT HT1 HT2 GT GP Mmax Mmin Mmax Mmin

Phần tử Tiết diện TT HT1 HT2 GT GP Qmax Qmin Qmax Qmin ABS(QMAX)

PHAN

MAT

CAT NOI LUC

II/II

M(kN-m) 0.98 -0.10 0.53 -17.92 17.92 18.90 -16.94 1.41 17.59 -15.24 17.50N(kN) -87.36 -11.23 -12.46 16.86 -16.92 -104.28 -70.50 -111.05 -113.80 -82.29 -123.91

C2

I/I

M(kN-m) -16.64 -2.90 0.47 30.14 -29.43 13.50 -46.07 -19.08 10.91 -45.74 8.29N(kN) -491.08 -41.61 -34.45 -0.08 0.16 -491.16 -490.92 -567.14 -522.16 -528.38 -559.60

II/II

M(kN-m) -37.44 -6.26 0.48 -44.86 43.97 6.54 -82.30 -43.21 2.58 -83.45 -83.01N(kN) -452.60 -29.97 -24.00 -16.78 16.76 -435.84 -469.37 -506.57 -459.12 -494.67 -516.27

M(kN-m) -57.10 -5.29 -1.10 -7.12 6.76 - -64.22 -63.49 - -69.26 -69.26

200 260

s o

A bh

f c

M = kNm < M = kNm →trục trung hòa qua cánh.

Ta tiến hành tính toán theo tiết diện chữ nhật có tiết diện b'f × = h 1000 300 × mm2.

200 260

s o

+Tính toán cốt thép cho gối B,C

Đoạn dầm có mômen âm tại gối B, gối C gần bằng nhau nên ta lấy giá trị momen âm lớn hơn để tính cốt thép.

A bh

M = kNm < M = kNm →trục trung hòa qua cánh.

Ta tiến hành tính toán theo tiết diện chữ nhật có tiết diện b'f × = h 1300 600 × mm2.

A

bh

×+Tính toán cốt thép cho gối c

A

bh

×

Tính toán tương tự cho các dầm còn lại , kết quả được tổng hợp theo bảng:

Dưới 0.00 30 4 26 0.000 1.000 0.52 0.10% 2Ø16 4.02 0.77%

Tính toán cốt đai cho dầm khung tầng 2

Từ bảng tổ hợp nội lực dầm ta suy ra giá trị lực cắt lớn nhất cho dầm như sau:

Với dầm tiết diện D20 × 30 chọn Q=26,5 (kN)

Số liệu đầu vào Rb = 11.5 MPa ; Rbt = 0.9 MPa; Rsw = 175 MPa h ; o = 260 mm

-Kiểm tra điều kiện tính toán

=>Cần tính toán cốt thép ngang chịu cắt.

-Kiểm tra khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm

1.5 0.75

bt s

R bh c

0

0.75 34.54 10 0.75 0.9 250 260

23.94 1.5 1.5 260

2 50.3 175

313 56.25

-Tính stk = min( ; s stt max; ) min(313; 440;150) sct = mm ⇒ chọn stk = 150 mm

-Đoạn còn lại ở giữa dầm:

+Bê tông cấp độ bền B, đổ theo phương thẳng đứng 1.5m và bê tông đóng rắn tự nhiên có:

Rb=11.5MPa; Rbt=0.9MPa; Eb=27000MPa.

+Cốt thép nhóm CII có Rs=Rsc=280MPa; Es=21 × 104MPa.

+Tra bảng với bê tông B20 cốt thép CII, hệ số điều kiện làm việc γ =1, ta được

Chiều dài (kNm) M (kN) N (kNm) Mdh (kN) Ndh (m) lo (m) b (m) h C2 Chân

+Kết cấu thuộc hệ siêu tĩnh: eo = max(e ;e ) 511 a = mm

+Giả thiết a=a’=40mm.

l h

0.1

1

p

e p

1 1

cr

N N

488.28 10

170 11.5 250

=>Ta có µgt = µtt = 0.4% Vậy diện tích cốt thép là hợp lý.

Tính toán tương tự cho các cặp nội lực còn lại và các cặp nội lực còn lại ta có bảng tính thép của cột như sau:

GVHD: ThS Huỳnh Quốc Hùng

SVTH: Nguyễn Văn Anh - D12X1 Trang 56

_ Trong đoạn nối chồng cốt thép dọc: s ≤ 10 φmin = 160 mm => chọn s=100mm

_ Trong đoạn đầu cột cần cấu tạo kháng chấn để đảm bảo độ dẻo kết cấu cục

bộ, chiều dài của vùng cấu tạo kháng chấn lcr (chiều dài tới hạn) có thể được tính toán từ biểu thức sau đây: lcr=max(hc,lcl/6,450)=max(350;(3900-600)/6;450)

(mm)=550mm=>chọn lcr=600mm; khoảng cách s=100mm

_ Trong đoạn còn lại khoảng cách cốt đai được xác định :

( 15 min;500 ) 240

e.Tính toán cốt thép treo (tính toán giật đứt)

Tại vị trí dầm dọc gối lên các dầm khung (không gối lên cột) xuất hiện lực tập trung từ dầm dọc tác dụng vào dầm khung gây phá hoại cục bộ cần tính toán bố trí cốt thép để chống lại sự phá hoại này.

Nội lực tính toán được lấy như sau:

s s

h F h h

s s

h F h x

s s

h F h x

260 200