Đồ án BTCT 2: Tính toán và thiết kế kết cấu khung phẳng

Đồ án BTCT 2 đề tài Tính toán và thiết kế kết cấu khung phẳng được nghiên cứu với nội dung: Tính toán thiết kế khung ngang trục 9 sơ đồ nhà 1của một trường học 3 tầng với kích thước mặt bằng. Chiều cao mỗi tầng h=4000mm, thành sênô xây gạch dày 100mm cao 500m. Lan can được xây bằng gạch đặc, chiều cao 900mm, dày 100(mm). Để hiểu hơn về nội dung đồ án mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU    KHUNG PHẲNG          Nội dung: Tính tốn thiết kế khung ngang trục 9 s  đ  nhà 1 của một trường học  3 tầng với kích thước mặt bằng. Chiều cao mỗi tầng h=4000mm, thành sênơ  xây gạch dày 100mm cao 500m. Lan can được xây bằng gạch đặc, chiều cao  900mm, dày 100(mm). Địa điểm xây dựng:  Quảng Bình Cơ sở tính tốn: Quy chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 2737­1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574­2012: Kết cấu bêtơng và bêtơng cốt thép – Tiêu chuẩn  thiết kế. Các tiểu chuẩn quy phạm hiện hành có liên quan Quy trình tính tốn thiết kế được thực hiện như sau:           Mơ tả, giới thiệu kết cấu: Kết cấu chịu lực là hệ khung bê tơng cốt thép đổ tồn 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 cơng trình là một hệ khơng gian, có thể xem được tạo nên từ những  khung phẳng làm việc theo hai phương vng góc với nhau hoặc đan chéo nhau Tính tốn hệ khung được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương  cạnh ngắn của cơng trình + hệ dầm dọc (Khi tỷ số L/B =34.2/12.1 =2.8> 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) Cơng trình khung bêtơng cốt thép tồn khối 3 tầng, 3 nhịp. Để đơn giản tính  tốn, tách khung phẳng trục 9, 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 Hình1 SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 1 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 D1 D S2 S2 D2 C S1 S1 D3  K9   K8 K10 S1 S1 D4 B S3 S3 D5 A                               Sơ đồ kết cấu khung trục 9 tầng 2,3 Sơ đồ kết cấu khung trục 9 tầng  mái 10   Mặt bằng bố trí kết cấu dầm sàn khung trục 9( K9) Chọn vật liệu và sơ bộ chọn kích thước tiết diện các cấu kiện 1. Ch   ọn    vật    liệu    sử    dụng   a. Bêtơng Dùng bê tơng cấp độ bền B20 có ­Dùng bê tơng có cấp độ bền B20 ­Khối lượng riêng:  γbt= 2500(daN/m3) ­Cường độ chịu nén tính tốn của bê tơng:  Rb = 115(daN/cm2) ­Cường độ chịu kéo tính tốn của bê tơng: Rbt = 9 (daN/cm2) ­Mơ dun đàn hồi E= 2.7x105 (daN/cm2) b. Cốt thép ­Thép CI: Ø Thỏa         +Điều kiện thứ hai:(lấy c=3ho) 1.5Rbt bh02 1.5 0.9 250 250 = = 28125 N = 28.125(kN )        c 250       Q = 45.95(kN ) < 28.125(kN )  =>Khơng thỏa    =>Cần tính tốn cốt thép ngang chịu cắt ­Kiểm tra khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm Qmax = 45.95(kN ) 0.3Rbbho = 0.3 11.5 250 250 = 215625 N = 215.625kN ­Chọn cốt đai   đ sw +Chọn đường kính cốt đai   =8; a =50.3mm   +Chọn số nhánh đai n=2 sw tt ­Tính q  và s 45.95 103 ) ( Q2 qsw = = = 33.37 ( N / mm ) 4.5 Rbt bho2 4.5 0.9 250 250 2 qsw = 0.25Rbt b = 0.25 0.9 250 = 56, 25 ( N / mm ) Vậy lấy  qsw = 56.25(kN / mm)  để tính 1.5 Rbt bh02 Tính:  c0 =   0.75qsw 1.5 0.9 250 250 = = 707 mm > 2h0 = 250 = 500mm   0.75 56.25 Lấy  c0 = 2h0 = 500mm  tính  qsw  theo công thức sau: qsw = Q − 0.75Rbt bh0 56.25 103 − 0.75 0.9 250 250 N = = 37.5 < qsw min   1.5h0 1.5 250 mm � stt = nasw Rsw 50.3 175 = = 313mm   qsw 56.25 SVTH : Ngô Quang Lập Trang 44 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 Tính  smax : smax = Rbt bh02 0.9 250 250 = = 250mm   Q 56.25 103 Tính: Đoạn dầm gần gối tựa (1/4 nhịp dầm) Vì h=300  Thỏa         +Điều kiện thứ hai:(lấy c=3ho) 1.5Rbt bh02 1.5 0.9 250 5902 = = 66375 N = 66.375( kN )        c 590       Q = 104.06(kN ) < 66.375(kN )  =>Khơng thỏa    =>Cần tính tốn cốt thép ngang chịu cắt ­Kiểm tra khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm Qmax = 104.06(kN ) 0.3Rbbho = 0.3 11.5 250 590 = 508875 N = 508.875kN ­Chọn cốt đai   đ sw +Chọn đường kính cốt đai   =8; a =50.3mm   +Chọn số nhánh đai n=2 sw tt ­Tính q  và s 104.06 103 ) ( Q2 qsw = = = 30.72 ( N / mm ) 4.5 Rbt bho2 4.5 0.9 250 590 2 qsw = 0.25Rbt b = 0.25 0.9 250 = 56.25 ( N / mm ) Vậy lấy  qsw = 56.25(kN / mm)  để tính SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 45 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 Tính:  c0 = 1.5 Rbt bh02   0.75qsw = 1.5 0.9 250 590 = 1668.77mm > 2h0 = 590 = 1180mm   0.75 56.25 Lấy  c0 = 2h0 = 1180mm  tính  qsw  theo cơng thức sau: qsw = Q − 0, 75 Rbt bh0 104.06 103 − 0.75 0.9 250 590 N = = 55.08 < qsw min   1,5h0 1.5 590 mm � stt = nasw Rsw 50.3 175 = = 313mm   qsw 56.25 Tính  smax : smax = Rbt bh02 0.9 250 590 = = 753mm   Q 104.06 103 Tính: Đoạn dầm gần gối tựa (1/4 nhịp dầm) Vì h=650>450mm nên  sct (650 / 3;300mm) = 200mm   Tính  stk = min( stt ; smax ; sct ) = min(313;753;200)mm Đoạn còn lại ở giữa dầm: sct (3 650 / 4;500mm) = 450mm a150 a250 a150 a150 D4 2400 A  chọn  stk = 250mm   a150 D1  chọn  stk = 150mm   D7 7600 B 2100 C D SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 46 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 b. Tính tốn cốt đai cho dầm khung tầng 3: 27.94 20.03 93.68 92.91 29.96 17.19 34.73 D2 D5 2400 A D8 7600 2100 B      Tính tốn tương  tự như trên dầm tầng 2 ta được: ­Nhịp AB, CD: Φ8 ,    stk = 150mm   ­Nhịp BC:  +Đoạn gần gối tựa : Φ8 ,  stk = 150mm   D C +Đoạn giữa nhịp: Φ8 ,  stk = 250mm a150 a150 D2 A a150 a150 D5 2400       a250 D8 7600 B 2100 C D SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 47 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 c. Tính tốn cốt đai cho dầm khung tầng mái: 4.19 18.59 111.01 110.74 6.46 17.70 34.75 D3 D6 2400 A D9 7600 2100 B        Tính tốn tương  tự như trên dầm tầng 2 ta được: ­Nhịp AB, CD: Φ8 ,    stk = 150mm   ­Nhịp BC:  +Đoạn gần gối tựa : Φ8 ,  stk = 150mm   D C +Đoạn giữa nhịp: Φ8 ,  stk = 250mm a150 a150 D3 A a150 a150 D6 2400       a250 D9 7600 B 2100 C D  3. Tính tốn c   ốt thép  c   ột  ­Vật liệu sử dụng: +Bê tơng cấp độ bền B, đổ theo phương thẳng đứng 1.5m và bê tơng 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 tơng B20 cốt thép CII, hệ số điều kiện làm việc  =1, ta được  =0.623; R=0.429 ­Tính tốn cốt thép cho cột trục B tầng 1 có các cặp nội lực được chọn từ bảng  tổ hợp: R SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 48 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 Phầ n tử Tiết diện Chân cột Cặp nội lực Chiều dài M(kNm ) N(KN) Mdh 5.95 -117.58 -502.9 -8.39 5.95 103.91 5.95 -11.8 5.95 -62.91 5.95 98.91 5.95 23.55 C4 Đầu cột 513.89 633.09 497.53 486.53 616.73 -8.39 -8.39 16.7 16.7 16.7 Ndh l0(m) 508.51 508.51 508.51 492.15 492.15 492.15 4.16 4.16 4.16 4.16 4.16 4.16 b(cm) h(cm ) 25 40 25 40 25 40 25 40 25 40 25 40  Kết quả tổ hợp cột trục B tầng 1 (cột2) ­Tính cốt thép đối xứng cho cặp  1 +Độ lệch tâm tĩnh học  e = M 117.58 = = 0, 234m = 234mm N 502.9 +Độ lệch tâm ngẫu nhiên: 5950 �h H � �400 � ea = max � ; = 9.92 �= 13.3mm �= max � = 13.3; 600 �30 600 � �30 � +Kết cấu thuộc hệ siêu tĩnh:  eo = max(e1 ;ea ) = 234mm +Giả thiết  a=a’=40mm ho = h − a = 400 − 40 = 360mm Z o = ho − a ' = 360 − 40 = 320mm + Chiều dài tính tốn:  lo = 0.7 H = 0.7 5950 = 4165mm +Tính: λh = lo 4165 = = 10.4125 > => Cần xét ảnh hưởng uốn dọc h 400 +Tính:  I b = bh3 250 4003 = = 13 108 mm 12 12 +Giả thiết: µ t = 1.8% 2 �h � �400 � I s = µt bho � − a �= 1.8% 250 360 � − 40 �= 41.46 10 mm �2 � �2 � α= E s 21 104 = = 7.78 Eb 27 103 δmin = 0.5 − 0.01 l0 4165 − 0.01Rb = 0.5 − 0.01 − 0.01 11.5 = 0.282 h 400 SVTH : Ngô Quang Lập Trang 49 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 e0 234 �e � = = 0.585 δ e = max �0 , δ �= max ( 0.585;0.282 ) = 0.585 h 400 �h � 0.11 0.11 ϕ p = 1; S = + 0.1 = + 0.1 = 0.261 δe 0.585 0.1 + 0.1 + ϕp β = 1; y = h 400 = = 200mm 2 ϕl = + β M dh + N dh y 8.39 + 508.51 0, = 1+ = 1.504 < M + Ny 117.58 + 502.9 0, +Tính Ncr: N cr = 6.4 Eb l02 +Tính: η= �SI � 6.4 27 103 � � 0.261 13 108 + α I = + 7.78 41.46 106 � = 3438196( N ) � � s � ϕl 4165 � 1.504 � � � 1 = = 1.1 N 502.9 103    1− 1− N cr 3438196 +Tính e: e = η eo + 0.5h − a = 1.1 234 + 0.5 400 − 40 = 417mm +Xác định sơ bộ vùng nén x1: x1 = N 502.9 103 = = 175mm Rb b 11.5 250 +Ta có  2a ' = 40 = 80mm; ξ R ho = 0,623 360 = 224mm +Xảy ra trường hợp  2a ' < x1 < ξ R ho  nén lệch tâm lớn   =>Diện tích cốt thép: N (e − ho + 0.5 x1 ) 502.9 103 (417 − 360 + 0.5 175) As = A = = = 811mm Rsc ( ho − a ') 280(360 − 40) ' s +Kiểm tra hàm lượng cốt thép: µt = As + As' 811 100 = 100 = 1.8% bho 250 360 =>Ta có  µ gt = µ tt = 1.8% Vậy diện tích cốt thép là hợp lý Tính tốn 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: SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 50 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 C3 25X30 C6 25X40 C9 25X40 C12 25X30 Atts=130mm2 Atts=654mm2 Atts=650mm2 Atts=130mm2 Achs=763mm2 Achs=402mm2 Achs=402mm2 Achs=763mm2 C2 25X30 C5 25X40 C8 25X40 C11 25X30 Atts=160mm2 Atts=403mm2 Atts=471mm2 Atts=174mm2 Achs=763mm2 Achs=402mm2 Achs=763mm2 Achs=402mm2 C1 25X30 C4 25X40 C7 25X40 Atts=513mm2 Atts=812mm2 Atts=815mm2 Achs=603mm2 Achs=942mm2 Achs=942mm2 A B C10 25X30 Atts=566mm2 Achs=603mm2 C D    Hình 20.Bố trí cốt thép dọc một bên tiết diện cho khung trục 9 4.Tính tốn cốt thép đai cột    Đường kính cốt đai 20 � � = 5mm � � � Φ6 4 =� � � � 5mm 5mm � � max đ Khoảng cách của cốt đai s Trong đoạn nối chồng cốt thép dọc:  ⇒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 tốn từ biểu thức sau đây: lcr=max(hc;lcl/6;450) (mm) SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 51 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 Trong đó: hc: kích thước lớn nhất tiết diện ngang của cột       lcl:  chiều dài thơng thủy của cột và trong đoạn lcr cốt đai được bố trí dày hơn. Khoảng cách đai bố trí trong vùng  này là s=100mm Như vậy ta có: lcr= max(400;(4000­650)/6;450mm)=558mm⇒ chọn lcr=600mm Khoảng cách: s=100mm Trong đoạn còn lại khoảng cách cốt đai được xác định: s ( 15Φ ;500 ) ( mm ) = ( 15 16;500 ) ( mm ) = 240mm  chọn s=200mm SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 52 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 Trường hợp chiều cao tiết diện  hc 50cm  thì cần có cốt dọc phụ. Đường kính  cốt dọc phụ  Φ 12 lan hd' lcr=600 thep dai gia cuong a a hd hc B Hình 21. Bố trí cốt đai tại đầu cột SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 53 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 lan lan hd' a a lcr=600 thep dai gia cuong hc A 5.Tính tốn cốt thép treo(tính tốn giật đứt) Tại vị trí dầm dọc gối lên dầm khung (khơng gối lên cột) xuất hiện lực tập  trung dầm dọc tác dụng vào dầm khung gây phá hoại cục bộ cần bố trí cốt thép  để chống lại sự phá hoại này Nội lực tính tốn được lấy như sau: tại vị trí giao nhau của dầm dọc và dầm  khung của sơ đồ tĩnh tải và hoạt tải ta cộng các giá trị lực tập trung TẢI TẬP TRUNG TẦNG MÁI D-25X30 D-25X65 2400 A D-25X30 7600 B 2100 C D SVTH : Ngô Quang Lập Trang 54 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 TẢI TẬP TRUNG TẦNG 2,3 D-25X30 D-25X65 2400 D-25X30 7600 A 2100 B D C Chọn thép treo dạng đai Ф8, n=2 nhánh, diện tích một nhánh Asw=50,3mm2 Thép CI có Rsw = 175mm2 Dầm khơng bị giật đứt khi thỏa mãn điều kiện sau: � hs � F� �− � nxRsw Asw � ho � x � hs � F� 1− � � ho �  nRsw Asw Tính tốn cốt thép cho tầng 2,3: Lực giật đứt  F = 4788.27 ( daN )   a80 50 300 300 650 Số cốt treo dạng đai là:   � hs � 300 � F� − � 47883 � 1− � � � ho � = � 600 � 1.36; chọn  x =   x= nRsw Asw 175 50.3 300 200 300 Hình 22. Bố trí cốt đai treo dạng đai dầm tầng 2,3 Tính tốn cốt thép cho dầm tầng mái : lực giật đứt  F = 6416.39 ( daN ) Số cốt treo dạng đai là:   � hs � 300 � F� − � 64164 � 1− � � chọn  x =   600 � � ho � x= = � 1.82; nRsw Asw 175 50.3 SVTH : Ngô Quang Lập Trang 55 50 300 300 650 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 a80 300 200 300 Hình 23. Bố trí cốt đai treo dạng đai dầm tầng mái  6.    Tính tốn cấu tạo các nút khung.  Tính tốn cấu tạo nút góc trên cùng. Nút góc là nút giao giữa: +Phần tử dầm D3 và phần tử cột C3 +Phần tử dầm D9 và phần tử cột C12 Chiều dài neo thép ở góc phụ thuộc vào tỉ số eo/hc Bảng tổ hợp nội lực cột của phần tử cột C3,C12 Tổ hợp cơ bản tính tốn Phần  tử Tiết  diện Mmax C3 Đầu cột 8.79 C12 Đầu cột 0.86 Phần  tử C3 C12 Tiết  diện Đầu  cột Đầu  cột Ntư Mmin 25.52 12.71 -1.53 -9.08 Ntư 15.55 22.46 Mtư Nmin 8.36 -26.63 -8.62 -23.3 M N hc eo eo/hc 8.79 ­25.52 30 34.42 1.15 ­1.53   ­15.55 30 9.85 0.33 8.36 0.86 ­26.63 ­12.71 30 30 31.87 6.73 1.06 0.22 ­9.08 ­22.46 30 40.41 1.35 ­8.62 ­23.3 30 36.94 1.23 Từ bảng tổ hợp chọn cặp nội lực M,N của phần tử cột C3 có độ lệch tâm eo  lớn nhất là eo/hc=1.15 > 0.5 nên ta cấu tạo cốt thép nút góc trên cùng theo trường  hợp eo/hc> 0.5  SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 56 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 Từ bảng tổ hợp chọn cặp nội lực M,N của phần tử cột C12 có độ lệch tâm eo  lớn nhất là eo/hc=1.35 > 0.5 nên ta cấu tạo cốt thép nút góc trên cùng theo trường  hợp eo/hc> 0.5  Vì tỉ số eo/hc lớn nên u cầu neo cốt thép chịu kéo trên dầm vào cột càng sâu.  Tùy thuộc vào số lượng thanh thép chịu kéo mà cắt cốt thép chịu kéo ở một hoặc  hai tiết diện. Ở đây cốt thép chịu kéo trên dầm chỉ có 2Ф18 nên chỉ cần cắt tại  một tiết diện, chiều dài đoạn cắt cách mép dưới của dầm một đoạn lan được  xác định theo cơng thức: � Rs � lan = � ωan + ∆λan � φ  � Rb � Trong đó các hệ số  ω an , ∆ λ an  và các giá trị tối thiểu của  lan  được cho trong Bảng Như vậy với bê tơng B20, cốt thép nhóm CII và cốt thép chịu kéo nằm trong  vùng bê tơng chịu kéo ta tính được chiều dài đoạn neo là: � Rs � � 2800 � lan = � ωan + ∆λan � φ =� 0.7 + 11� 18 = 448mm > 250mm � lan = 600mm � � Rb � � 115 Cốt thép dưới phía dưới của dầm được neo quá mép cột một đoạn  ls 15φ   Với thép  φ14  thì tính được  ls �15φ = 15 �14 = 210mm � ls = 250mm   Trường hợp tại tiết diện mép cột xuất hiện mơmen dương thì cốt thép phía  dưới của dầm phải được neo vào với đoạn  ls = lan   Để tránh tập trung ứng suất cốt thép dầm neo xuống cột phải được uốn cong  với bán kính  r 5φ = 16 = 80mm  cho trường hợp không cấu tạo nách SVTH : Ngô Quang Lập Trang 57 GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 2Ø18 2Ø18 22 22 25 300 2Ø14 19 Ø6 a100 18 21 2Ø14 25 Ø6 a100 4* 4Ø16 4Ø16 Ø6 4* 600 Ø6a100 600 300 19 Ø6 a200 a200 A D Cấu tạo nút góc khung biên trên cùng SVTH : Ngơ Quang Lập Trang 58 ... GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 b. Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung trục 9 A B C D   Sơ đồ phân bố tĩnh tải sàn tầng 2,3 ­Tải trọng bản thân của kết cấu dầm khung,  cột khung để chương trình tính kết cấu tính. .. GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 +12.00  +8.00  +4.00  +0.00 ­1.95 A B C D Sơ đồ tiết diện khung trục 9 (K9) Lập sơ đồ tính khung ngang Tính tốn khung ngang được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương ...GVHD: Huỳnh Quốc Hùng                                                            ĐỒ ÁN BTCT 2 D1 D S2 S2 D2 C S1 S1 D3  K9   K8 K10 S1 S1 D4 B S3 S3 D5 A                               Sơ đồ kết cấu khung trục 9 tầng 2,3 Sơ đồ kết cấu khung trục 9 tầng