kết cấu cột dầm sàn liên hợp nhà cao tầng

CHƯƠNG 9:PHƯƠNG ÁN HỆ DẦM SÀN LIÊN HỢP15810.1.TỔNG QUAN15810.1.1 Giới thiệu15810.2.TÍNH TOÁN SÀN15910.2.1 Lý thuyết tính toán sàn liên hợp15910.2.2 Kiểm tra tấm sàn làm việc như coppha khi thi công.16310.2.3 Kiểm tra tấm sàn làm việc trong giai đoạn liên hợp16510.3.TÍNH TOÁN HỆ DẦM PHỤ TẦNG ĐIỂN HÌNH17110.3.1 Thông số vật liệu17110.3.2. Đặc trung tính toán17110.3.3. Kiểm tra khả năng chịu lực17310.4.THIẾT KẾ LIÊN KẾT DẦM PHỤ VÀO DẦM CHÍNH17710.4.1. Tính toán dầm phụ (IPE330) cài dầm chính17710.4.2.Kiểm tra đường hàn17810.5.HỆ KHUNG CHÍNH17810.5.1 Tải trọng17810.5.2 Tải gió tác động vào khung17910.5.3 Sơ bộ tiết diện khung18210.5.4 Xây dựng mô hình18310.5.5 Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm19210.5.6 Kiểm tra khả năng chịu lực của cột194

CHƯƠNG 9:PHƯƠNG ÁN HỆ DẦM SÀN LIÊN HỢP

Nội dung chương bao gồm:

- Lý thuyết tính toán; (phụ lục)

- Tải trọng tác dụng lên sàn, sơ đồ tính và nội lực của sàn;

- Tính toán và kiểm tra sàn trong 2 giai đoạn: thi công và làm việc liên hợp;

Với việc sử dụng ngày càng phổ biến của kết cấu liên hợp trên thế giới,việc phát triển kếtcấu các cấu kiện liên hợp như là những cấu kiện cơ bản ngày càng được quan tâm

Kết cấu liên hợp đã được nghiên cứu áp dụng cho nhiều công trình xây dựng tại

Mỹ,Canada,Nhật,các nước Tây Âu,Trung Quốc và cả ở Việt Nam

Tại Hoa kỳ,Các quy định tính toán cho loại cấu kiện kết cấu này được trình bày trong tiêuchuẩn :”Load and resistance factor design LRFD specification for structural steel

bulding” do viên công trình thép hoa kì ấn hành,ANSI/AISC 360-10,năm 2010

Tại Canada,các yêu cầu thiết kế loại cấu kiện này đề cập đến trong tiêu chuẩn thiết kế kếtcấu thép theo trạng thái tới hạn(limit state design of steel structural,CAN/CSAS16-1-M94)

Tại châu Âu,các tiêu chuẩn tính toán tương tự được đề cập trong EUROCODE 4 1994.-Ưu điểm của kết cấu này có nhiều tính năng hơn các loại kết cấu khác,cự thể:

+Bê tông và thép thì hoàn toàn tương thích và bổ sung cho nhau vì 2 loại vật liệu này có

hệ số giãn nở nhiệu gần giống nhau và chúng kết hợp bổ sung cho nhau một cách hiệu quả với việc bê tông chịu nén và thép chịu kéo

+Cho phép thi công nhanh hơn vì kết cấu thép có thể lắp đặt hoàn chỉnh trước rồi bơm bêtông sau

+Thép được định vị ở vị trí xa nhất của tiết diện nên tăng khả năng chịu lực của cấu kiện.+Hiệu ứng kiềm chế sự nở hông của bê tông làm ngăn cản sự vỡ nứt của bê tông,làm khả năng chịu nén của bê tông tăng tối đa

+Phù hợp cho cấu kiện công trình cao tầng do với khả năng chịu lực tăng làm giảm kích thước tiết diện,Kết cấu sẽ thanh mảnh và nhẹ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường,làm không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng,móng nhẹ hơn.

+Độ tin cậy khi sử dụng kết cấu liên hợp cho công trình chịu động đất cũng được tăng lên

so với các kết cấu bê tông cốt théo.Kết cấu có khả năng biến dạng lớn hơn bê tông cốt thép từ đó tăng độ dai,đó là ưu điểm lớn khi chịu tải trọng động đất.Nhận định này đã được khảo sát kỹ ở nhật bản

+Có thể tạo kết cấu ứng lực trước khi thi công,tăng hiệu quả sử dụng vật liệu,nhất là vật liệu cường độ cao

10.2.TÍNH TOÁN SÀN

10.2.1 Lý thuyết tính toán sàn liên hợp

Yêu cầu thiết kế

Sàn liên hợp: xem xét tấm sàn làm việc trên 4 nhịp liên tục có mỗi nhịp dài: l = 2.0 m.Thời gian chống cháy: 1 giờ(60 phút)

Phương án thi công: không sử dụng chống tạm

Chọn tấm sàn, vật liệu

Chọn tấm sàn ComFlor46 thương hiệu của Corus ComFlor46 là sản phẩm điển hình cho nhịp 2.6÷3.3m(trường hợp không sử dụng cây chống tạm) Sản phẩm có bề rộng phủ mỗitấm lên đến 900mm, bề rộng lớn có lợi cho thi công và lắp đặt nhanh chóng

Vật liệu: Mạ bằng phương pháp nhúng kẽm nóng Ứng suất tại giới hạn chảy nhỏ nhất là280N/mm Khối lượng lớp mạ kẽm nhỏ nhất 275g/m2 trên cả 2 mặt

Hình 1.1:Tiết diện tấm sàn ComFlor46

Thông số tấm sàn ComFlor46 loại sàn dày 130mm

Chiều

dày Chiềudày

thực

Trọnglượng Diệntích trungTrục

hòa

Mômenquántính

Khả năng chịu uốn

được giảm một nửa(đến 0.1% cho thi công không chống tạm)

Tỉ lệ nhịp/chiều cao sàn nhỏ hơn 35 đối với bê tông thường:

l/h = 2000/130 = 15.3 < 35 :Thỏa(với bê tông thông thường)

Độ võng giới hạn: thường được thỏa thuận với chủ đầu tư, hoặc các giới hạn sau:

Giai đoạn thi công: Le/130 và ≤ 30mm; độ võng do hoạt tải thi công không nên vượt quá

nhịp/180 hoặc 20mm, nếu độ trũng của sàn được xét đến thì không vượt quá nhịp/130 hoặc

xét chỉ trên 1 nhịp Trên các nhịp khác, hoạt tải thi công có giả trị 0.75 kN/m2

Lỗ mở: thiết kế dựa theo kích thước của nó:

Nhỏ: diện tích 300mm2, không cần bổ xung thêm cốt thép;

Vừa: diện tích 300÷700mm2, thường yêu cầu gia cường cốt thép;

Lớn: diện tích hơn 700 mm2

Hình 1.2: Loại tôn và các kích thước

Kh/cách mặt dưới tới trục trung hòa tấm

Thể tích bê tông trên một đơn vị diện tích Vc m3/m2 0.111

Chiều dày lớp bê tông trên sườn

Nội dung, công thức hiệuKý Đơn vị Giá trị

i.Giai đoạn thi công

Trọng lượng của bê tông ướt (gồm bê tông

và 1/10 nước)

Hoạt tải thi công trong phạm vi thi công nhịp kN/m2 1.5Hoạt tải thi công phân bố trong phần còn lại kN/m2 0.75ii.Giai đoạn làm việc liên hợp

Trọng lượng của sàn (chỉ có bê tông)

Cắt dải sàn có bề rộng b=1m Chọn sơ đồ tính dạng dầm liên tục 4 nhịp qua gối tựa là dầm

sàn (L=2.0m)

TẢI TRỌNG THI CÔNG Hs vượt tải chuẩnTiêu Tính toán

b Kết quả kiểm tra khả năng chịu lực

1.KIỂM TRA Ở TRẠNG THÁI GIỚI HẠN (ULS)

Giá trị nội lực lấy từ chương trình SAP2000

2.KIỂM TRA TRẠNG THÁI SỬ DỤNG (SLS)

Dùng công thức tính toán sau:

Tĩnh tải tiêu chuẩn (tole + BT khô) p kN 2.65

Hệ số phụ thuộc nhịp trong sơ đồ

10.2.3 Kiểm tra tấm sàn làm việc trong giai đoạn liên hợp

-Tải tường: Để thuận tiện cho quá trình tính toán quan niệm

tải tường được chia đều trên diện tích ô sàn

tải

Giá trịTiêu chuẩn Tính toán

Giá trị tĩnh tải tính toán: 4.18 (kN/m2)

Giá trị hoạt tải tính toán : 1.95 (kN/m2)

KIỂM TRA Ở TRẠNG THÁI TỚI HẠN

(ULS)

-KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU MOMENT DƯƠNG

Kết luận : trục trung hòa nằm trong

Chiều rộng trung bình của bê tông

KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU CẮT NGANG THEO EN

KIỂM TRA Ở TRẠNG THÁI SỬ DỤNG

(SLS)

EN 1994-1-1 giới hạn các điều kiện để không cần kiểm tra độ võng.Không cần kiểm tra độ

võng của sàn liên hợp khi thỏa mãn 2 điều kiện sau:

Tỷ số L/dp < [L/dp],cụ thể là [l/dp]=26 cho nhịp sàn liên tục,[L/dp]=30 cho nhịp giữa và

[L/dp]=20 cho sàn có nhịp đơn giản

Thỏa mãn điều kiện về trượt đầu nhịp đối với nhịp biên theo EN 1,9.8.2(6).Giới

1994-1-hạn về trượt đầu nhịp được lấy từ thí nghiệm trên mô hình thực tế và chủ yếudành cho

các nhà sản xuất tấm tôn.Vì th,người thiết kế sẽ không có

thống kỹ thuật và tải do vách ngăn

DĐộ võng giới hạn của sàn lấy băng L/250 khi tính với tất cả loại tải;bằng L/300 khi tính

với hoạt tải sử dụng.Trong trường hợp trên sàn có các cấu kiện dễ gãy hoặt nứt như gạch

lát,vách ngăn, thì lấy L/350

Hệ số tỷ lệ mô đun dài hạn và ngắn

hạn

Khoảng cách trục trung hòa tiết diện

nứt

Khoảng cách trục trung hòa tiết diện

không

Moment quán tính tiết diện không

Độ võng sàn liên hợp dưới tải hoàn

thiện

Cường độ chịu kéo mẫu

Cường độ tính toán chịu

Chiều dày bê tông trên

10.3.3 Kiểm tra khả năng chịu lực

a.Tải trọng

Tải trọng phân bố đều trên

sàn

Giai đoạn thi công Tiêu chuẩn tính toán

Tĩnh tải tiêu chuẩn Tấm tôn gkp kN/m 0.09*1.9 0.2

TLBT

Bê tôngsàn gk1 kN/m 2.775*1.9 6.32

b.Sơ đồ tính và nội lực

Sơ đồ tính:dầm đơn giản 2 đầu khớp,tải trọng phân

Nội lực giai đoạn thi công

Lực cắt lớn nhất PcL/2 Vc,Ed kN 39.69Nội lực giai đoạn làm việc liên hợp

c.Khả năng chịu uốn tiết diện dầm

-Khả năng chịu kéo của dầm:

-Khả năng chịu nén của sàn bê tông:

-Khả năng chịu của bản cánh và bản bụng:

Vì Nên PNA đi qua bản cánh:

d.Khả năng chịu cắt của tiết diện dầm

e.Liên kết chống cắt dọc cho dầm

Bu lông có kích thước d19mm và chiều cao 100mm có:

Qk = 100kN tra từ bảng đặc tính cường độ bu lông

Qp 0.8Qk = 0.8x100 = 80kN

Do đó số bu lông yêu cầu cho mỗi nửa nhịp là:

Ta đặt 24 bu long,số lượng 1 bu lông ở mỗi vị trí dọc chiều dài dầm

f.kiểm tra độ võng

-tỉ lệ diện tích:

h.Kiểm tra trạng thái đàn hồi

-Độ sâu trục trung hòa đàn hồi:

-Mô đun đàn hồi:

Ứng suất thỏa mãn điều kiện:

10.4.THIẾT KẾ LIÊN KẾT DẦM PHỤ VÀO DẦM CHÍNH

Sử dụng bulong cường độ cao mác 40Cr có fhb = 770000 kN/m2

Hệ số điều kiện làm việc của bulong γb1 =0.8(số bulong <5)

Làm sạch mặt phẳng cacs cấu kiện bằng bàn chải sắt,không có lớp sơn bảo vệ nên ta lấy:

Hệ số tin cậy của liên kết :γb2 =1.17

Hệ số ma sát µ =0.35

Các liên kết đều là liên kết khớp,tính toán kiểm tra theo điều kiện chịu cắt:

10.4.1 Tính toán dầm phụ (IPE330) cài dầm chính

a.Nội lực tính toán

Lực cắt lớn nhất tác dụng vào liên kết : Vmax = 68.25 kN

b.Cấu tạo liên kết

Chọn bulong M16 có:

A=2.01cm2 ;Abn = 1.57 cm2

Kiểm tra bulong và bố trí theo cấu tạo:

Lực cắt lớn nhất mỗi buloong phải chịu:

Kết luận: 3-(M16) thỏa liên kết

c.kiểm tra ghép

Chiều dài bản ghép l=270 theo điều kiện bố trí bu lông.Chọn t=10mm

Tiết diện thực giảm yếu của bản ghép:

Abn = 30x1-3x(1.6+0.2)x1 = 24.6 cm2

Kiểm tra khả năng chịu lực của bản ghép:

10.4.2.Kiểm tra đường hàn

Chiều dài đường hàn: Lw=2x(468+100x2) = 1336 mm, Kiểm tra đường hàn hf=6mm(βfw)min=min(βffwf ; βsfws) = min(0.7x18 ; 1x22.05) = 12.6 kN/cm2

Chiều cao đường hàn yêu cầu:

Chiều cao đường hàn (6mm) thỏa

-Tải trọng bản thân dầm chính lấy sơ bộ:

-Tải trọng dầm phụ tác dụng lên dầm chính: (khoảng cách các dầm phụ là 2m)

-Sơ bộ lực dọc lớn nhất tại chân cột (trục A;D) là 5591 kN

Cột 500x400 bao phủ tiết diện

thép I400x300x12x18

A;D) là 8571 kN

Cột 600x600 bao phủ tiết

diện thép I500x500x12x18

10.5.4 Xây dựng mô hình

Từ các giá trị tải trọng tác dụng và tổ hợp đã được xác định, xây dựng mô hình công trìnhbằng phần mềm ETABS 2017 để tính toán và kiểm tra các cấu kiện của công trình như cột, dầm, sàn

Mô hình công trình 3D bằng phần mềm ETABS 2017

Mặt bằng dầm sàn tầng điển hình

Tĩnh tải hoàn thiện trên sàn điển hình

Tĩnh tải tường trên sàn điển hình

Hoạt tải chất đầy sàn điển hình

Gán diagrhrams cho toàn bộ tấm sàn

Sơ đồ tên cấu kiện cột dầm theo khung trục 2

Biểu đồ momen M33 tổ hợp tải trọng BAO

Biểu đồ lực dọc N tổ hợp tải trọng BAO

Biểu đồ lực cắt Q22 tổ hợp tải trọng BAO

10.5.5 Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm

Chọn dầm B25 tầng 5 để kiểm tra điển hình:

Có: M = 395 kNm ; M+=258.6 kNm ; Vmax=266.26 kN

a)Kiểm tra điều kiện bền:

Các đặc trưng hình học của tiết diện:

+Diện tích mặt cắt ngang:

+Mô men quán tính của tiết diện:

+Mô men kháng uốn của tiết diện dầm :

+Mô men tĩnh của 1 cánh dầm theo trục x-x:

Kiểm tra:

Tại tiết diện dầm có mô men uốn và lực cắt tác dụng đồng thời nên phai kiểm tra ứng suất tương đương tại ví trí tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng theo công thức:

Vậy tiết diện dầm thỏa mãn điều kiện bền.

b) Kiểm tra điều kiện ổn định

•Trong điều kiện dầm đều có cánh chịu nén của dầm liên kết chặt với tấm sàn cứng nên không cần kiểm tra ổn định tổng thể cho dầm

•Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bán cánh dầm khi chịu nén:

•Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ bản bụng

Độ mảnh quy ước của bản bụng:

Theo điều 7.6.1.3 trang 49 TCVN 5575-2012,Nếu trên cánh dầm có ứng xuất cục bộ và

độ mảnh quy ước của bản bụng < 2.5 thì không cần kiểm tra độ ổn định cục bộ cho bụng dầm.Ta chỉ đặt sườn cứng theo điều 7.6.1.1 trang 48 TCVN 5575-2012

c)tính toán đường hàn liên kết bản cánh và bản bụng

Khi dầm bị uốn,cánh và bụng dầm có xu hướng trượt lên nhau.Liên kết hàn giữa cánh và bụng dầm nhằm chống lại sự trượt đó

Độ lớn của lực trượt tính trên 1cm chiều dài đường hàn là:T=τ.tw =7.44x1=7.44(kN)Trong đó τ được lấy từ τ1 là giá trị ứng suất tiếp tại vị trí tiết diện bụng và cánh dầm.Khả năng chống trượt của 1cm chiều dài đường hàn liên kết cánh và bụng(tính cho 2 bên) phải lớn hơn lực trượt:

Trong đó, =min[βf.fwf ;βs.fws]

Với dầm được hàn tự động tại nhà máy,ta có:

fwf =18 (kN/cm2) là cường độ tính toán chịu cắt của đường hàn góc theo kim loại mối hàn

fws =17.1 (kN/cm2) là cường độ tính toán chịu cắt của đường hàn góc theo kim loại ở biênnóng chảy

Ta chọn chiều cao đường hàn liên kết bản cánh và bụng dầm I tổ hợp theo yêu cầu cấu tạo là hweld = 6 (mm)

10.5.6 Kiểm tra khả năng chịu lực của cột

Nội lực cột (tầng 1)

Story1 C5 Comb1 0 -5036.81 -80.66 14.28 14.91 -81.16

Story1 C5 Comb1 2.7 -5019.52 -80.66 14.28 -23.66 136.62 Story1 C6 Comb1 0 -8469.93 16.79 -2.76 -3 17.22 Story1 C6 Comb2 Min 0 -6679.62 18.03 -7.15 -18.31 18.29 Story1 C6 Comb3 Max 0 -6652.2 32.64 -2.21 -2.45 74.25 Story1 C7 Comb1 0 -8571.33 -14.09 -1.28 -1.57 -13.11 Story1 C7 Comb2 Min 0 -6759.23 -14.13 -5.71 -17.02 -13.3 Story1 C7 Comb5 Min 0 -6753.97 -28.71 -1.09 -1.44 -69.28 Story1 C8 Comb1 0 -5590.99 72.04 -0.51 -0.62 73.02 Story1 C8 Comb1 2.7 -5573.7 72.04 -0.51 0.76 -121.48 Story1 C8 Comb2 Min 0 -4636.54 49.12 -2.37 -5.23 49.83Tính toán cột liên hợp dựa trên phương pháp đơn giản theo tiêu chuẩn EN 1994-1-1.Áp dụng tính toán dựa trên sử dụng đương cong uốn dọc,kể đến sự chế tạo không chính xác

và dùng cho những tiết diện không đổi có 2 trục đối xứng, tiết diện thép kết cấu định hìnhhoặc tổ hợp hàn, cột có độ mảnh không quá lớn (độ mảnh tương đương λ ) và không có yêu cầu gì đặc biệt trong thiết kế

10.5.6.1 Kiểm tra cột C5

Tiết diện 500x400(H400x300x18x12)(4φ18)

a)Ổn định cục bộ của thép

-Lớp bảo vệ được gia cường bằng cốt đai,để bảo vệ bê tông khỏi hư hỏng do va đập và đủkhả năng chống mất ổn định của cánh.

-Đối với tiết diện kín đổ đầy bê tông,độ mảnh cấu kiện của tiết diện phải thỏa mãn:

b)khả năng chịu nén của tiết diện

-Khả năng chịu nén Npl,Rd của tiết diện liên hợp được tính bằng khả năng của từng thành phần:

-Sự phân bố tương đối của tiết diện thép đối với khả năng chịu lực của tiết diện

composite là:

c)Kiểm tra tiết diện nén uốn 2 phương theo EUROCODE 4

-Phần chịu lực của bê tông

-Vị trí trục trung hòa cho lực nén dọc trục Nu = 0

Hình : Phân bố ứng xuất tiết diện tương ứng Nu = 0

Từ đó ta tìm ra hn = 85.76 mm

Sử dụng kết quả ở trên

-Khả năng chịu moment cực đại Mmax,Rd

-Khả năng chịu momen cực đại được xác định khi trục trung hòa đi qua trọng tâm tiết diện

Hình : Phân bố ứng xuất tiết diện tương ứng Mu = Mpl,max

 Mmax,Rd = 991.6 kNm

-4 Điểm dùng để vẽ đường cong tương tác:

Dựa vào biểu đồ tương tác đã thiết lập cho tiết diện cột chịu nén theo 2 phương,ứng với giá trị lực nén thiết kế Nsd = 5036 kN,ta có:

MRd = 545 kNm

 Thỏa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Võ Bá Tầm Kết cấu bê tông cốt thép (tập 1-2-3) Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí

[6] Phan Quang Minh (chủ biên), Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2006) Kết cấu bê tông

cốt thép – Phần cấu kiện cơ bản Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

[7] Châu Ngọc Ẩn Cơ học đất Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh.

[8] Châu Ngọc Ẩn Nền móng Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh.

[9] Trần Quang Hộ Giải pháp nền móng cho nhà cao tầng Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp

Hồ Chí Minh

[10] Võ Phán ( chủ biên ) Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong

phòng Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

[11] Bài giảng môn phần tữ hữu hạn trong địa kỹ thuật PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

[12] Plaxis Manual của phần mền

Và các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam