Thiết kế kết cấu liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn eurocode 4

đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông – Hµ NéI Thiết kế kết cấu cơng trình liên hợp 4.1 Cơ sở thiết kế 4.1.1 Tài liệu thiết kế - Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép - Tiêu chuẩn Eurocode “Kết cấu liên hợp thép - bêtơng” - Tải trọng tác động, tính toán chương “ Tải trọng tác động” 4.1.2 Xác định sơ kích thước cấu kiện Kích thước cấu kiện chọn sơ chương 4.2 Thiết kế sàn liên hợp 4.2.1 Giới thiệu chung Sàn liên hợp (sàn composite) dạng kết cấu hỗn hợp bêtông sàn thép, sàn thép có cấu tạo dạng gấp nếp, nên giảm bớt chiều dày trọng lượng sàn đến mức tối đa Ưu điểm loại sàn không cần sử dụng ván khuôn Lớp bêtông đúc chỗ mặt sàn thép tương đối mỏng Kết cấu sàn tương đối nhẹ có ảnh hưởng tích cực đến làm việc khung sườn móng cơng trình Ngồi ra, cấu kiện sàn liên hợp dễ gia công, vận chuyển, lắp ráp đơn giản, tốc độ thi công nhanh; phòng hoả tốt, có khả chịu lửa đến không cần lớp bảo vệ đặc biệt có bọc thêm lớp phòng cháy Sau số hình ảnh sàn liên hợp: phÇn: kết cấu công trình 67 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI Cu tạo sàn liên hợp Thi công chốt hàn 4.2.2 Thiết kế sàn liên hợp cho tầng điển hình phÇn: kÕt cấu công trình 68 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI Mt bng kết cấu tầng điển hình 4.2.2.1 Số liệu tính tốn Chọn sơ chiều dày ht =10cm phÇn: kết cấu công trình 69 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI c trưng tôn 1m chiều rộng: Cấu tạo tơn sóng - Tấm tơn dùng loại Lysaght BONDESK hãng BlueScope Lysaght Việt Nam có fyp = 300 MPa; Ea = 2,1105 MPa + Chiều dày tôn: t = 0,7mm; + Diện tích hữu hiệu: Ap = 669 mm2/m; + Trọng lượng tôn: Gap = 0,09kN/m2; + Khoảng cách từ trọng tâm đến mặt dưới: e = 20,38 mm; + Mơmen qn tính đàn hồi: IP =41,5cm4 + + Mômen chống uốn dương tới hạn: Mpl.Rd =4,63kNm/m; - + Mômen chống uốn âm tới hạn: Mpl.Rd =-4,67kNm/m - Bêtông cấp độ bền B30: f ck =22MPa; fct = 1,8 MPa; Eb = 3,25.104 MPa;  =25 kN/m3 - Cốt thép tròn bố trí để chịu mơmen âm thép AII, có: fsk = 295MPa; Es = 2,1 105 MPa - Hệ số an toàn + Vật liệu: Bêtông c=1,5; tôn ap=1,1; cốt thép s=1,15; mối nối v=1,25 + Tác động: dài hạn G =1,35; ngắn hạn Q =1,5 4.2.2.2 Tính tốn tơn cốp pha giai đoạn thi công 4.2.2.2.1 Xác định tải trọng tác dụng lên tôn - Tải trọng dài hạn: Trọng lng va bờtụng: phần: kết cấu công trình 70 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông – Hµ NéI Gc = 0,07425+0,1310,045525 =2,08kN/m2  Tổng trọng lượng thân bản: G = Gc + Gap = 2,08+0,09 = 2,17kN/m2 - Hoạt tải: + Tải trọng q trình thi cơng phân bố đều: S = 0,75 (kN/m2) + Tải trọng trình thi cơng diện tích 33m: S2 = 1,5 (kN/m2) 4.2.2.2.2 Xác định nội lực Việc tính tốn thực chương trình SAP2000, V10.0.1.0 Các sàn làm việc theo phương có nhịp theo phương cạnh ngắn 3m Cắt dải theo phương cạnh ngắn có bề rộng 1m Tính nội lực theo trạng thái giới hạn cường độ: G=1,35; Q=1,5 Tải thân: G = 2,17  1,35 = 2,93 (kN/m2) Tải thi công thân phạm vi 3m3m: q1 = 2,171,35+1,501,5 = 5,17 (kN/m2) Tải thi cơng thân phần lại: q 2= 2,171,35+0,751,5 = 4,05 (kN/m2) - Sơ đồ 1: Mômen nhịp Bỏ qua trọng lượng tôn nhp khụng c cht ti phần: kết cấu công trình 71 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI s2 s1 g m1 v1 m12 m2 v2 Sơ đồ chất tải nhịp biểu đồ nội lực (mômen lực cắt) - Sơ đồ 2: Mômen gối s2 s1 g m1 v1 m12 phần: kết cấu công trình 72 m2 v2 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI S cht ti trờn gi biều đồ nội lực (Mômen lực cắt) 4.2.2.2.3 Kiểm tra tiết diện - Trạng thái giới hạn cường độ: Từ kết chạy nội lực, ta xác định Mômen lớn nhịp: M12=4,44kNm Mômen lớn gối: M2=- 5kNm + Kiểm tra: Mpl.Rd =4,63kNm>M12=4,44kNm M-pl.Rd =4,67kNmM12=1,09kNm M-pl.Rd =4,67kNm 2bftffy/a = 1400KN Vậy trục trung hòa qua bụng dm thộp phần: kết cấu công trình 162 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hµ NéI bef 0,85fck/ c Fc hc hp Fa1 fy/ a Zw Fa2 ha/2 fy/ a Biểu đồ ứng suất trục trung hòa qua bụng dầm thép Từ biểu đồ ứng suất ta dễ dàng tìm chiều cao chịu kéo bụng nằm trọng tâm thép hình Zw : Ta có: Zw = Fc/(2twfy/a) = 193/(2125/1) = 3,86cm Mômen bền được tính tốn so với trục trọng tâm thép hình: Mpl.Rd = Mapl.Rd + Fc(ha/2+hc/2+hp) – FcZw/2 Trong đó: Mapl.Rd: mơmen bền dẻo thép hình, có giá trị sau: Mapl.Rd = Wx �fy � c = 1257251 = 31448 (KNcm) = 314,48 (KNm)  Mpl.Rd = 314,48 + 193(0,4/2 + 0,074/2 + 0,046) – 1930,0386/2 = 365,3 (KNm) Mômen sử dụng Msd = 322,84 (KNm) < Mpl.Rd = 365,3 (KNm) Vậy điều kiện bền uốn đảm bảo b Sức bền tiết diện lực cắt tiết diện đầu dầm (Lực cắt 0) Tại tiết diện đầu dầm chịu cắt tuý Các thí nghiệm cho thấy phần lực cắt sàn chịu, nhiên lập mô hình tính đơn giản để thể phân phối lực cắt Sự phân phối phụ thuộc vào vị trí liên kết nối Vì thực tế giả thiết lực cắt tiếp nhận bụng dầm thép, giống tiết diện liên hợp Điều kiện bền tiết diện chịu lực cắt có dạng: VSd ≤ Vpl.Rd phần: kết cấu công trình 163 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NéI Trong sức bền dẻo Vpl.Rd tính theo công thức: Vpl.Rd = Av(fy/ )a Với: Av diện tích thép hình chịu cắt Đối với tiết diện chữ I chữ H tổ hợp hàn, Av diện tích bụng: Av = 137,2 = 37,2cm2  Vpl.Rd = Av(fy/ )a = 37,2(25/ )1 = 536,9 (KN) Ta có : VSd =153,86 (KN) < Vpl.Rd = 536,9 (KN) Vậy điều kiện bền cắt đảm bảo 4.3.5.4 Kiểm tra điều kiện ổn định dầm phụ a Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể Do dầm phụ tính tốn dầm đơn giản nên cánh dầm thép luôn chịu kéo Mặt khác, cánh dầm thép chịu nén lại giữ khỏi oằn liên kết với sàn bê tông Do dầm đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể b ổn định cục cánh nén Cánh nén dầm xem chữ nhật dài tựa cạnh dài bụng dầm, chịu ứng suất nén tiết diện vng góc với cạnh dài Liên kết cánh bụng dầm xem khớp bụng mỏng nên khả chống lại quay cánh biên tự ổn định cục khơng lớn Mất ổn định xảy dạng biên tự vênh mặt phẳng thành sóng Điều kiện kiểm tra ổn định cục cánh nén: bo E �0,5 tf f b0 bf -tw 20-1   =6,78< 0,5 � 2,1�10 = 14,6 tf 2�t 2�1,4 245 Vậy cánh dầm thoả mãn điều kiện ổn định cục phÇn: kÕt cấu công trình 164 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI c n định cục bụng - ổn định cục tác dụng ứng suất tiếp vùng dầm chủ yếu chịu tác dụng lực cắt, bụng dầm bị méo tác dụng ứng suất tiếp phồng mặt phẳng bụng dầm thành sóng nghiêng 45 O (sự phồng ứng suất pháp nén theo hai phương nghiêng với trục dầm góc 45 O sinh từ ứng suất tiếp) Hiện tượng gọi ổn định cục bụng dầm tác dụng ứng suất tiếp Nếu dầm thiết kế có λ w �� λw � � � Thì bụng dầm ổn định tác dụng ứng suất tiếp trước bụng dầm khả chịu lực bền � λw � � � - Độ mảnh quy ước bụng dầm w� Với dầm chịu tác dụng tải trọng tĩnh � � � 3,2 w  hw f 37,2 245  �  1,27 �  � 3,2 �w � tw E 2,1�105  bụng dầm không bị ổn định cục tác dụng ứng suất tiếp - ổn định cục tác dụng ứng suất pháp Những vùng dầm chủ yếu chịu tác dụng mơmen uốn, ví dụ vùng nhịp dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều, tác dụng ứng suất pháp vùng chịu nén bụng dầm bị phồng mặt phẳng bụng dầm thành sóng vng góc với mặt phẳng chịu uốn dầm Đó tuợng ổn định cục bụng dầm tác dụng ứng suất pháp Chỉ hw E �5,5 bụng dầm bị ổn định tác tw f dng ca riờng ng sut phỏp phần: kết cấu công trình 165 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI hw 37,2 E 2,1105   37,2 10); μ - hệ số ma sát, μ = 0,58 (dùng phương pháp phun bột kim loại); γ b2 - hệ số tin cậy liên kết, γ b2 = 1,02; nf - số lượng mặt phẳng ma sát tính tốn, nf = Từ thơng số ta xác định khả chịu lực bulông: �μ � �0,58� N b  fhbAbnγb1� � nf  77�5,6�� � � �1 245(kN) �� �� γ ,02 � � � b2 � - Tính lực phõn phi vo bulụng: phần: kết cấu công trình 168 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI Tõm quay ca liờn kt trựng với trục hàng bulơng biên phía nén, lực kéo bulơng tỷ lệ với khoảng cách từ đến tâm quay Mối nối dầm dầm bo vào cột Lực phân phối lên hàng bulơng thứ tính là: Mh1 704�80�100   271,46kN 2 2 2 2 h + 28 + 36 + 44 + 52 + 71+ �i N= 271,46  135KN V 393  23,23KN Lực cắt bulông: NV   16 16 Lực kéo bulông: N1  Khi bulông chịu tác dụng đồng thời M V: 2 Nbl  NblM +NblV  1352+232 =136,98(kN) 10); μ - hệ số ma sát, μ = 0,58 (dùng phương pháp phun bột kim loại); γ b2 - hệ số tin cậy liên kết, γ b2 = 1,02; nf - số lượng mặt phẳng ma sát tính tốn, nf = Từ thông số ta xác định khả chịu lực bulông: �μ � �0,58� N b  fhbAbnγb1� � nf  77�5,6�� � � �2 490 (kN) �� �� γ ,02 � � � b2 � 4.4.2.2 Tính tốn liên kết vị trí tiết diện nối cột Tính tốn mối nối cột tầng 16 Lấy cặp nội lực nguy hiểm từ tổ hợp nội lực vị trí nối cột tầng 16 Vy(kN Mx(kN My(kN ) m) m) C3 5803 104 234 396 178 - Chọn ghép: chiều dày tbg = 18mm + Diện tích tiết diện ghép: 4Abg = �1,8 �40 = 288cm2 + Diện tích tiết diện thép bản: 2A = 22 �60 = 240cm2 < Abg - Tính tốn bulơng liên kết Sơ đồ bố trí bulơng: cột N(kN) Vx(kN) phÇn: kÕt cấu công trình 171 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI D=30 1 Mc Nc Vc Vc 2 Theo sơ đồ tính tốn + Lực dọc cột Nc - tương ứng lực cắt V - liên kết + Lực cắt cột Vc - tương ứng lực dọc N - liên kết Khi chế tạo cột vị trí mối nối cột tiết diện ngang cột bào nhẵn, 75% lực dọc N truyền thơng qua tiết diện cột 25% truyền qua liên kết Như lực cắt tác dụng vào liên kết: V = 0,25 �5803 = 1450 (kN) Lực cắt tác dụng lên bulông: V 1450 NblV= = = 120(kN) 12 12 Lực kéo lớn Nmax: Ml Nmax= max2 = 396�100�41=655(kN) 262+412 �li 11+ Lực kéo lớn mà bulơng dãy ngồi chịu: N 655 NblM  max  = 327(kN) 2 Kiểm tra khả chịu lực bulơng dãy ngồi tác dụng đồng thời M V: 2 Nbl = NblM +NblV = 1202+3272 =348(kN) 0,85A = 0,85 �240 = 204cm2 Như việc tính tốn tiến hành với A n = 244cm2 Với thép XCT42 ta có f = 250MPa, liên kết bulơng cường độ cao γ bl = Thay vào công thức ta được: N 5803  �10 237MPa fγbl  250�1,1 275MPa An 244 Các tầng khác bố trí tương tự, cho ta kết sau: + Từ T.hầm –T15 chọn ghép 500 �400 �22mm; + Từ T16-T22 chọn ghép 500 �400 �18mm; + Từ T23-Tmái chọn ghép 500 �400 �16mm 4.4.3 Thiết kế liên kết chân cột 4.4.3.1 Xác định kích thước đế Ta dùng cặp nội lực sau để tính liên kết chân cột: P V2 V3 M2 M3 1871 -89 -14 -35 -152 Diện tích cần thiết đế xác định từ điều kiện chịu ép cục bêtông móng: N yc Abd � mcbRb Trong đó: N- lực nén tính tốn chân cột, N=18716 (kN); Rb - cường độ tính tốn bêtơng móng, Rb =13MPa=13000kPa; mcb - hệ số tăng cường độ nén bêtông chịu ép cục bộ, chọn mcb =1,2 Suy diện tích yêu cầu đế là: 18716 yc yc Abd �  1,199(m) � L  B  Abd  1,199  1,1(m) 1,2�13000 Để có chỗ bố trí bulơng neo ta chọn L = 1,5m; B = 1,4m phần: kết cấu công trình 173 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NéI Bêtơng móng cấp B25, Rb = 14500 (kN/m2) � Rb.mcb  14500�1,2 17400(kN/m) Tính ứng suất mép đế theo phương pháp mặt phẳng uốn: N 6M  mminax  � �mcbRb BL BL 18716 6�152 2  max  +  9201(kN/m) �mcbRb=17400(kN/m) 1,5�1,4 1,4�1,5  mn i  18716 6�152 2  8622(kN/m) �mcbRb=17400(kN/m) 1,5�1,4 1,4�1,5 Vậy diện tích đế chọn thoả mãn điều kiện chịu lực cục 4.4.3.2 Chọn chiều dày đế Ta cấu tạo cho trục đế trùng với trục cột dưới, thân cột dầm đế chia đế thành nhiều cạnh Ta bố trí ô sau: S ên ®Õ Mơ men uốn lớn tính cho dải rộng đơn vị theo công thức sau: Mi  αb. i.di2 Trong đó:  bt - ứng suất nén bê tơng móng bản,  bt  9201(kN/m) ; d - nhịp tính tốn bản, d=40cm=0,4m; αb - hệ số tra bảng, với tỉ số (b2/a2)=(40/30)=1,33; ô thuộc loại kê cạnh Tra bảng, suy b =0,112 phần: kết cấu công trình 174 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI Suy ra: Mi 0,112(0,4)2 9201 164(kNm) � t 6.M 6�164   0,063(m) =6,3cm  chọn t=6,5cm γ c.f 1�250000 4.4.3.3 Tính bulơng neo chân cột Bản đế không chịu nhổ nên ta bố trí bulơng theo khả chịu cắt Sử dụng bulơng thường chế tạo từ thép CCT42, cấp bền 4.6, d = 16 mm Khả chịu cắt bulông xác định công thức: N vb  fvb.γ b.A.nv �� �� Trong đó: fvb - cường độ chịu cắt tính tốn vật liệu làm bulơng Tra bảng xác định fvb = 15 (kN/cm2); γ b - hệ số điều kiện làm việc liên kết bulông, lấy γ b = 0,9; A - diện tích tiết diện ngang thân bulông, A = 2,01cm 2; nv - số lượng mặt cắt tính tốn, nv = Từ thông số ta xác định khả chịu lực bulông: N vb  15�0,9�2,01�1 27,14(kN) �� �� V 89 � n �   3,27 - Điều kiện kiểm tra: N 27 ,14 �� �� vb Ta bố trí bulơng đế sau: phần: kết cấu công trình 175 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông Hà NộI S ờn đế phần: kết cấu công trình 176 Trang ... cao tầng hỗn hợp hà đông – Hµ NéI Cấu tạo sàn liên hợp Thi cơng chốt hàn 4. 2.2 Thiết kế sàn liên hợp cho tầng in hỡnh phần: kết cấu công trình 68 Trang đề tài: tòa nhà cao tầng hỗn hợp hà đông... Điều kiện độ võng thoả 250 250 mãn 4. 3 Thiết kế khung liên hợp 4. 3.1 Xác định nội lực thiết kế cấu kiện Ta tiến hành gán tồn thơng số tiết diện cấu kiện, liên kết tải trọng lên mơ hình khơng gian... xMpl.x.Rd μ yMpl.y.Rd � 7 94 127 + =0,6