Nghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụng

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụngNghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụngNghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụngNghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụngNghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụngNghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụngNghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụngNghiên cứu sự ảnh hưởng của lỗ thủng trong sàn nhà dân dụng

PHẦN MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài Hiện đô thị lớn có nhu cầu cấp thiết nhà ở, khách sạn, văn phòng làm việc, trung tâm thương mại…nên năm gần hàng loạt nhà nhiều tầng (đã xây dựng Hà nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải phòng, Đà Nẵng số thành phố khác Trong hầu hết công trình xây dựng nước ta thiết kế thi công theo tiêu chuẩn chưa hoàn chỉnh ngoại trừ số công trình đặc biệt nước thiết kế Hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt nam bổ sung hoàn chỉnh, số vấn đề quan tâm động đất, ảnh hưởng bão lốc, gió đến hệ kết cấu nhà nhiều tầng… Theo số tài liệu nước ngoài, công trình nhà cao tầng thể quan điểm người thiết kế việc vận dụng dạng kết cấu thiết kế tính toán Đặc biệt, việc ứng dụng loại kết cấu, vật liệu gắn liền với phát triển hình thành tòa nhà cao tầng Trong đó, số công trình Việt nam ứng dụng dạng kết cấu sàn nấm, sàn ứng suất trước, sàn liên hợp việc nghiên cứu làm việc cấu kiện ảnh hưởng chúng đến cấu kiện khác tổng thể công trình Việc phân tích, đánh giá khả chịu lực, biến dạng kết cấu sàn theo phương ngang phương đứng ô sàn có lỗ thủng lĩnh vực cần thiết, vừa tiết kiệm chi phí vừa tiết kiệm thời gian công sức nhà khoa học Các công trình xây dựng nhà nhiều tầng có xu hướng phát triển mạnh mẽ thời gian đòi hỏi cần thiết kế chi tiết đầy đủ phương diện vấn đề quan tâm từ nhà chuyên môn, kỹ sư, người làm xây dựng…Bên cạnh đó, nghiên cứu khả quan, xác lập sở khoa học đắn nên đưa vào tiêu chuẩn thiết kế thi công sau nhằm bổ sung hoàn chỉnh cho tiêu chuẩn xây dựng Việt nam Từ khía cạnh trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng lỗ thủng sàn nhà dân dụng” mong muốn đóng góp phần nghiên cứu làm việc sàn có lỗ thủng công trình xây dựng Mục đích đề tài Nghiên cứu làm việc sàn có lỗ thủng, ảnh hưởng đến phân bố lại nội lực kết cấu Đồng thời hiểu rõ biến dạng, chế làm việc sàn hay tác động gây kết cấu khác, từ đưa giải pháp phù hợp thiết kế công trình xây dựng dân dụng Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng Nhà nhiều tầng 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nhà nhiều tầng có dạng mặt đối xứng mặt hình vuông hình chữ nhật Việt nam Cơ sở khoa học phương pháp nghiên cứu 4.1 Cơ sở khoa học Đề tài dựa hệ thống lý thuyết tính toán nội lực biến dạng sàn có lỗ thủng nhà cao tầng chịu tác dụng tải trọng 4.2 Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với việc phân tích máy tính Chương TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Các loại kết cấu sàn bê tông cốt thép 1.1.1 Sàn BTCT sàn sườn toàn khối: Là loại kết cấu sàn có hệ dầm sàn đỡ bên dưới, loại sàn truyền thống phổ biến công trình xây dựng Hình 1-1 Sơ đồ sàn có kê cạnh Tùy theo kích thước mặt mà làm đơn liên tục đơn gồm ô Bản liên tục gồm nhiều ô đổ bê tông liền Gối tựa kê tự liên kết cứng với dầm Nhịp tính toán ô xác định theo phương, kí hiệu lt1, lt2 Ở gối tựa kê tự do, nhịp tính toán lấy đến mép gối cộng thêm nửa chiều dày Ở gối tựa liên kết cứng với dầm, nhịp tính toán lấy đến mép dầm Như gọi l oi khoảng cách nội hai mép gối tựa - Khi hai gối tựa liên kết cứng: lti = loi - Khi bên liên kết cứng, bên tự do: lti = loi + 0,5hb - Khi hai gối tựa kê tự do: lti = loi + hb Nội lực tính theo sơ đồ đàn hồi sơ đồ khớp dẻo Theo sơ đồ đàn hồi, chủ yếu dựa vào bảng tính toán lập sẵn dùng cho đơn lợi dụng để tính toán liên tục Tính toán theo sơ đồ khớp dẻo dựa vào phương trình tổng quát rút từ điều kiện cân công ngoại lực nội lực 1.1.2 Sàn ô cờ Sàn ô cờ dạng đặc biệt sàn có hệ dầm trực giao Nó cấu tạo hệ dầm trực giao theo hai phương, chia mặt sàn thành nhiều bốn cạnh, cạnh ô thường nhỏ mét Phương hệ dầm trực giao thường bố trí song song với cạnh sàn, nhiên bố trí phương hệ dầm trực giao hợp với cạnh sàn góc 450 Trong sàn ô cờ kích thước tiết dện ngang hệ dầm trực giao giống nhau, dầm bao quanh dầm cứng, gối tựa hệ dầm trực giao Khi bố trí hệ dầm xiên dầm ngắn đặt sát góc gối tựa đàn hồi cho dầm dài giao với Bản sàn ô cờ có chiều dày khoảng 6-7cm Tính sàn ô cờ có kích thước (a, b) thuộc loại kê bốn cạnh Có thể tính độc lập liên tục Thực tế, kich thước ô nhỏ, cốt thép không cần tính toán đặt theo cấu tạo Kết cầu dầm sàn ô cờ: Xem hệ dầm trực giao tựa lên dầm bao quanh, có liên kết tựa đơn Xét ô có kích thước (L1, L2) Tải trọng tính toán tác dụng lên sàn q(KG/m2), tải trọng phân bố theo phương L1 q1 theo phương L2 q2 q1  L42 q L14  L42 L14 q1  q L1  L42 (1.1) Hình 1-2 Sơ đồ dầm sàn ô cờ 1.1.3 Sàn gạch bọng: Hiện gạch bọng có nhiều loại, nhiều hình dáng khác nhau, vật liệu viên gạch đất sét nung, vữa xi măng hay bêtông đá mi… Lỗ rỗng viên gạch giữ vai trò cách âm, cách nhiệt tốt, khả chống thấm kém, thích hợp cho công trình cách âm cao: bệnh viên, trường học … Chiều dày sàn gạch bọng từ 40-60mm, cốt thép sàn đặt theo cấu tạo  6a  200  250 lớp đặt hb Hình 1-3 Cấu tạo sàn gạch bọng Các sườn (dầm gân) thường bố trí theo phương dọc nhà tăng độ ổn định mặt phẳng uốn dầm ngang Sườn làm việc dầm đơn liên tục, bề rộng sườn nhỏ hs=70-80mm (tuỳ thuộc vào loại gạch) nên cốt théo dọc thường bố trí thanh cốt đai hai nhánh Sườn (dầm gân) dầm đơn liên tục nhiều nhịp, gối tựa dầm khung chịu tải từ sàn truyền vào Sườn (dầm gân) thường tính theo sơ đồ dẻo nhịp Tải trọng tác dụng lên dầm gồm: tĩnh tải hoạt tải Qd  ( g s  ps ) Bg ( KG / m) (1.2) Với Bg bề rộng viên gạch bọng Nội lực tính theo sơ đồ dẻo tương tự tính sàn sàn sườn toàn khối có dầm Tiết diện dầm gân tiết diện chữ T (bc’=B, bs, h=hg+hb) Ở gối: tiết diện tính toán tiết diện chữ nhật (bs, h) Ở nhịp: Tiết diện tính toán tiết diện chữ T Tính toán bố trí cốt thép tương tự dầm bình thường 1.1.4 Sàn nấm Sàn nấm gồm kê trực tiếp lên cột Đầu cột dược làm loe thành mũ liên kết với cột, để đảm bảo cường độ chống lại tượng đâm thủng theo chu vi cột, làm giảm nhịp tính toán làm cho mômen phân bố theo bề rộng Tuỳ theo tải trọng sàn mà mũ cột cấu tạo có hình dáng khác Cốt thép mũ cột đặt theo cấu tạo Thường sàn nấm kích thước lưới cột thường chọn lưới ô vuông tiết diện ngang cột thường chọn hình vuông hình tròn Có nhiều phương pháp tính sàn nấm - Phương pháp tính đàn hồi: xem sàn liên tục theo hai phương kê lên cột, tính toán dựa vào giả thiết không phù hợp với thực tế nên kết không thật xác - Phương pháp khung thay thế: Nội dung phương pháp thay kết cấu sàn cột hai hệ khung thẳng góc với (một phần sàn xem dầm ngang khung thay thế) Trong phương khung tính với toàn tải trọng theo phương pháp học kết cấu Sau phân phối nội lực cho dải Hình 1-4 Cấu tạo mũ cột - Phương pháp gần dùng công thức bảng tra lập sẵn, nhà khoa học Liên xô A.A.Gvôzđiep,V.I.Murasep đề ra, kiểm chứng thực tế Hiện nay, với phát triển công nghệ thông tin việc sử dụng phần mềm dể tính toán kết cấu sàn phức tạp thuận lợi phần mềm SAFE, SAP2000 hay ETABS 1.1.5 Sàn panen lắp ghép Sàn panen lắp ghép cấu tạo panen (tấm sàn) gác lên dầm tường Panen đúc sẵn nhà máy hay trường, lắp ghép lại thành mặt sàn Theo hình dáng chia làm ba loại: -Tấm đặc: cách âm kém, tốn vật liệu -Tấm có lỗ: cách âm tốt, tiết kiệm vật liệu, lỗ rỗng hình tròn, hình bầu dục, hình thang… Panen có nhiều lỗ, panen có lỗ bề dày tối thiểu cánh 20-30mm, sườn: 25-35mm -Tấm có sườn: gồm có nằm ngang sườn dọc, sườn ngang Kích thước panen -Kích thước thật (Lth): dùng cho nhà sản xuất chế tạo -Kích thước danh nghĩa: dùng để gọi, giao dịch -Kích thước tính toán (Lo): dùng để tính toán a Tấm đặc Tấm đặc thường có kích thước nhỏ,thường dùng chủ yếu cho công trình có nhịp nhỏ hành lang, nhà dân dụng Nhược điểm tốn nhiều bê tông, khả cách âm Tuy nhiên khâu chế tạo dễ, nhanh, liên kết đơn giản b Panen Panen cần tính toán tổng thể chịu lực cục phận (thân, sườn) - Về tổng thể: xem panen dầm đơn giản kê lên hai gối tự Để tính cốt thép phải qui đổi tiết diện thật panen thành tiết diện tính toán tương đương (chữ T với panen sườn, chữ I đối vớipanen có lỗ (hộp) Bề rộng cánh chịu nén lấy chiều rộng panen Nếu chiều dày cánh bé h’c≤0,1.h bề rộng cánh đưa vào tính toán lấy theo qui định sau: b’c≤12.(n-1)h’c+b (1.3) n- số sườn tiết diện ngang panen Khi cánh nằm miền kéo không xét tính toán Bề rộng sườn tiết diện chữ T (I) b=∑bs.i -Về cục bộ: Xem liên kết ngàm đàn hồi với sườn Sườn ngang xem kê tự lên sườn dọc Sườn dọc kê tự lên dầm (khung) * Panen có lỗ Về tổng thể Xem panen dầm đơn giản tựa lên hai dầm khung Chiều dài tính toán L0, xác định theo hình 4.20 Tiết diện tính toán: Chuyển từ tiết diện ngang thật sang tiết diện tính toán tương đương tiết diện chữ I, bề rộng sườn: b=∑bs.i, cánh phía chịu kéo không đưa vào tính toán nên tiết diện chữ I trở thành tiết diện chữ T, với b’c=B Về cục Tính bản: Cắt theo phương ngang dải có bề rộng b = 1m Bản làm việc dầm liên tực nhiều nhịp, tựa cacs gối sườn Tải trọng tác dụng q Thường tính theo sơ đồ dẻo (tương tự cách tính sườn toàn khối có dầm) Thường nộ lực tính toán be, cố thép đặt theo cấu tạo Φ = 36, a≤200 cốt thép thường bố trí lớp vừa chịu M+, M- Vì tính cốt thép chọn h0 = hb/2 Tính sườn: Sườn panen xem dầm đơn giản kê lên dầm khung, tiết diện tính toán tiết diện chữ T, có b = bs, bc’ khoảng hai sườn Tải trọng tác dụng q = (p+g)bc’ Tìm nội lực tính cốt thép (tương tự tính dầm sàn sườn toàn khối có dầm) Hình 1-5 Một số dạng panen 1.1.6 Sàn liên hợp Là loại sàn kết hợp kết cấu bê tông thép hình, thép thép ống Việc hình thành dạng kết cấu liên hợp bắt nguồn từ hai nguyên nhân Nguyên nhân thứ ý định thay cốt thép tròn dạng cốt thép khác gọi cốt cứng, hàm lượng lớn hình thành nên kết cấu liên hợp Nguyên nhân thứ hai ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bê tông để chống xâm thực, chống cháy chịu lực, từ hình thành nên kết cấu liên hợp thép, kết cấu bêtông dạng kết cấu loài người dùng tới kỷ, ngày thấy có nhiều ưu việt cần phải khai thác Việc nghiên cứu ứng dụng phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông dùng lĩnh vực cầu đường, nhà cửa dạng công trình kỹ thuật khác nhiều quốc gia quan tâm Nhiều hội nghị khoa học kết cấu liên hợp thép bê tông tầm cỡ quốc tế tổ chức: hội nghị lần thứ Seatle Washington, Mỹ năm 1984 Hội nghị lần thứ ba tổ chức New England College Henniker, New Hamshire năm 1987 1.1.7 Sàn BubbleDeck (sàn bóng) Sàn bóng loại sàn rỗng, có hệ thống bóng nhựa tái chế nằm kết cấu sàn nhằm làm giảm trọng lượng kết cấu sàn đảm bảo khả chịu lực biến dạng chịu tải trọng tác dụng Một kết cấu sàn đặc gặp nhiều trở ngại phải vượt nhịp lớn ảnh hưởng trọng lượng thân Sàn bóng giải vấn đề cách giảm 1/3 lượng bê tông đảm bảo khả chịu lực tương ứng Do khoảng cách lưới cột, sàn bóng cần sử dụng khoảng 1/2 lượng bê tông so với sàn đặc không dầm Ngoài ra, sàn phẳng chịu lực theo hai phương, với ưu điểm giảm nhẹ trọng lượng thân, kết hợp với hệ cột vách chịu lực giải pháp hiệu chống động đất cho công trình cao tầng Ngoài ra, vùng chịu lực phức tạp bỏ bớt bóng để tăng khả chịu lực cắt cho sàn (những khu vực tiết diện quanh cột, vách, lõi) Hình 1-6 So sánh đặc điểm sàn đặc sàn bóng Tỷ số nhịp/chiều cao tính toán sàn L/d ≤ 30 sàn đơn, L/d ≤ 39 cho sàn liên tục L/d ≤ 10.5 cho sàn ngàm phương Những thông số tính toán thử nghiệm thông qua tiêu chuẩn BS 8110 Eurocode Hình 1-7 Quan hệ khả vượt nhịp - chiều dày sàn 1.2 Sàn có lỗ thủng Trong công trình xây dựng dân dụng nay, hầu hết sàn nhà có lỗ thủng ô cầu thang, lỗ kỹ thuật, ô thoáng hay giếng trời nên vị trí này, nội lực biến dạng có thay đổi từ nhỏ đến lớn tùy theo kích thước lỗ thủng Để tạo khe hở tầng có công tác xây dựng nâng cấp thay đổi việc thông thường Một cửa mở sử dụng cho cầu thang, trục thang máy, thâm nhập ống, giếng trời, vv Để thực thay đổi có tính khả thi trì ổn định cấu trúc tòa nhà cần có tính toán phân tích kỹ sư kết cấu giai đoạn lập kế hoạch ban đầu.Với kiến thức đa dạng loại sàn xây dựng kinh nghiệm việc đánh giá cấu trúc cường độ, kỹ sư kết cấu trình bày ý kiến đóng góp liên quan đến việc lựa chọn địa điểm mở cửa, tính khả thi xây dựng lựa chọn tăng cường cần thiết cho vị trí Hình 1-8 Lỗ thủng thông thường sàn 10 thiết kế Đồng thời, thép chịu mô men dương cạnh gối đơn giản bao gồm lưới thép vuông góc thép chéo hình 2.4 Hình 2-4 Cốt thép bố trí cho sàn phương theo tiêu chuẩn Ba Lan Thanh số thép thiết kế cho vùng chịu M dương Thanh số thép thiết kế cho vùng chịu M âm 2.2 Phương pháp thiết kế dầm ẩn Xét sàn loại dầm có lỗ thủng hình chữ nhật hình 2.5, chịu tải trọng phấn bố q Sàn gia cường thêm cốt thép chịu lực phạm vi b m, ra, cốt thép tăng cường theo phương lại (tham khảo mặt cắt A-A BB) Hình 2-5 Bản sàn loại dầm có lỗ thủng hình chữ nhật Chiều rộng tăng cường cốt thép bm tính sau: 𝑏 𝑏𝑚 ≈ (0,8 − ) 𝐿 𝐿 (2.1) 16 Mô men mym tính: 2 𝑚𝑦𝑚 = [0,125 + 0,19𝑎𝐿(2𝑏 ) ]𝑞𝐿 𝐿 (2.2) Mô men mxr tính: mxr= 0,125qa (a + 2bm) (2.3) Phương trình (2.3) áp dụng trường hợp b/a>0,5 Cốt thép gia cường tính theo công thức (2.2) (2.3) cần bố trí tập trung xung quanh cạnh lỗ thủng Hai tác giả Stiglat & Wippel (1973) đưa công thức tính cho trường hợp sàn loại dầm ngàm đầu sau: Hình 2-6 Bản sàn loại dầm liên kết ngàm đầu 𝑏 𝑏𝑚 ≈ 0,6 (0,8 − ) 𝐿 (2.4) bme = 0,18L (2.5) 𝐿 Mô men nhịp mxm tính sau: 𝑚𝑥𝑚 = [0,042 + 0,19𝑎𝐿]𝑞𝐿2 (2.6) b/L>0,4 𝑚𝑦𝑚 = [0,042 + 0,33𝑏 𝑏 𝐿3] 𝑞𝐿2 (2.7) 𝑚 b/L0,5, mô men gối myer tính sau: 𝑚𝑦𝑒𝑟 = − (0,042 + 0,33𝑏 𝑏 2 𝑚𝑒𝐿 𝑏 ) (1,5 − ) 𝑞𝐿2 𝐿 (2.8) Đối với giá trị b/a lớn hơn, mô men gối myem lấy trường hợp đầu ngàm, đầu liên kết gối tựa phạm vi x = ±a/2 (hình 2.6) Nếu b/a