Lựa chọn giải pháp hợp lý về chiều cao dầm thép trong hệ sàn nhà cao tầng

Với dầm thép tiết diện chữ I, chiều cao hmin quy định khi thiết kế tiết diện dầm thường là khá lớn do xuất phát từ điều kiện làm việc của dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều.. dầm ch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ THANH NAM

LỰA CHỌN GIẢI PHÁP HỢP LÝ

VỀ CHIỀU CAO DẦM THÉP TRONG HỆ SÀN NHÀ CAO TẦNG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD&CN

Mà số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2016

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Quang Viên

Phản biện 1: PGS.TS Trương Hoài Chính

Phản biện 2: TS Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng 01 năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ trên mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, các nhu cầu về nhà ở, văn phòng, nhà máy và các công trình công cộng khác cũng tăng lên; đòi hỏi ngành Xây dựng cũng phải phát triển toàn diện về mọi mặt Các công trình xây dựng không chỉ thỏa mãn các yêu cầu về kiến trúc, về kỹ thuật, công năng mà phải có thời gian thi công và giá thành đầu tư nhỏ nhất

Trong xây dựng nhà cao tầng thì khối lượng tiêu tốn vật liệu

và công việc của sàn chiếm tỷ trọng lớn trong tổng kinh phí xây dựng Tìm cách để giảm khối lượng sàn là tiêu chí mong đợi của các nhà đầu tư Trọng lượng và khối lượng XD của một tòa nhà tập trung chủ yếu là ở các sàn tầng Trong hệ kết cấu sàn thì giải pháp bố trí dầm và chiều cao của dầm là yếu tố quyết định chiều cao kiến trúc của sàn Việc chọn được hệ dầm hợp lý, có chiều cao dầm nhỏ, sẽ đem lại không gian sử dụng lớn hơn cho các tầng

Với dầm thép tiết diện chữ I, chiều cao hmin quy định khi thiết kế tiết diện dầm thường là khá lớn do xuất phát từ điều kiện làm việc của dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều Thực tế thì dầm thép trong khung thường liên kết cứng với nút khung hoặc có thể là dầm liên tục nhiều nhịp, hoặc cùng kết hợp cùng làm việc với bản sàn Với sơ đồ như vậy, chiều cao của dầm có thể bé hơn các giá trị quy định này

Đề tài này tìm hiểu sự làm việc thực tế của dầm trong khung

và xem xét các giải pháp có thể, nhằm giảm được chiều cao dầm mà vẫn thỏa các yêu cầu chịu lực và công năng của công trình

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ DẦM, HỆ DẦM 1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ DẦM, HỆ DẦM

1.1.1 Phân loại dầm

Dầm là cấu kiện chịu uốn, là cấu kiện cơ bản trong xây dựng Nhờ chế tạo và lắp dựng đơn giản (do có rất ít phân tố tạo thành), chi phí cho gia công chế tạo không lớn nên được sử dụng khá phổ biến trong các kết cấu công trình xây dựng: dầm dùng làm dầm

đỡ sàn nhà; sàn công tác, đỡ mái nhà (xà gồ, dầm cái nóc); cầu đường sắt, cầu đường bộ; nhà công nghiệp (cầu trục, sườn tường); cửa van, cửa cống các công trình thủy điện, thủy lợi

- Theo sơ đồ chịu lực có là dầm đơn giản, dầm công xôn hay dầm liên tục Trong những kết cấu thép, thì phổ biến nhất là dầm đơn giản đặt tự do (không bị ngàm) Những dầm liên tục và dầm ngàm một nhịp kinh tế về chi phí kim loại, nhưng khác phức tạp về chế tạo

và đặc biệt là trong lắp ráp

- Theo đặc điểm cấu tạo tiết diện, chia dầm thép làm hai loại: dầm hình và dầm tổ hợp Dầm hình rẻ và đơn giản cho thi công, chế tạo, lắp dựng Tuy nhiên, do hạn chế về kích cỡ của dầm hình, nên những dầm lớn thường dùng tổ hợp

1.1.2 Hệ dầm thép

Việc bố trí, sắp đặt các dầm theo một trật tự, quy luật nào đó, tạo thành hệ dầm để chịu và truyền tải trọng Tuỳ theo mặt bằng sàn

và cách sắp xếp, tổ hợp các dầm trong hệ, người ta chia hệ dầm làm

ba loại: hệ dầm đơn giản, hệ dầm phổ thông, hệ dầm phức tạp

1.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DẦM THÉP THEO MỘT

SỐ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

1.2.1 Tính toán dầm thép theo TCVN

a Thiết kế dầm thép hình

Dầm hình thường được sử dụng khi vượt nhịp nhỏ hoặc chịu tải trọng bé Thiết kế dầm hình bao gồm các công việc: chọn tiết diện

dầm (chọn loại thép hình làm dầm), kiểm tra tiết diện đã chọn về độ bền, kiểm tra ổn định tổng thể, cấu tạo và tính toán các chi tiết của dầm

b Thiết kế dầm tổ hợp

Dầm tổ hợp được sử dụng khi yêu cầu chịu lực vượt quá khả năng của dầm thép cán lớn nhất Những công trình chịu tải trọng lớn (q > 20kN/m) hoặc vượt nhịp lớn (l >12m) như sàn nhà luyện tập thể thao, giảng đường, cầu… thì giải pháp thường lựa chọn là dầm tổ hợp Việc lựa chọn hình dạng tiết diện, kích thước các bản thép, cấu tạo chi tiết… cần lưu ý đến tính khả thi và hiệu quả kinh tế ngay từ đầu giai đoạn thiết kế

Thiết kế dầm tổ hợp bao gồm các công việc: chọn tiết diện dầm; thay đổi tiết diện theo chiều dài dầm; kiểm tra các tiết diện và kiểm tra dầm theo các điều kiện về bền, biến dạng, ổn định; cấu tạo

và tính toán các chi tiết của dầm

1.2.2 Tính toán dầm thép tổ hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AISC

a Dầm và cấu kiện chịu uốn

- Sự làm việc của dầm khi chịu tải

- Ứng suất cho thép của dầm được tựa đỡ theo phương ngang

- Sự oằn bên kèm xoắn

- Dầm chịu cắt

b Dầm bản tổ hợp

Dầm bản là dầm có chiều cao lớn, bản bụng là mảnh; mảnh hơn so với dầm thường Quy phạm AISC cho phép xét khả năng chịu lực sau tới hạn đối với uốn và cắt

1.2.3 Tính toán cấu kiện chịu uốn (dầm thường), theo tiêu chuẩn Anh và Châu Âu

Một cấu kiện chịu uốn phải thỏa mãn các điều kiện chịu lực sau:

- Tại các tiết diện nguy hiểm, cần kiểm tra sự chịu lực kết hợp chịu mô men uốn max và lực cắt tương ứng hoặc lực cắt max và

mô men uốn tương ứng ;

- Bản bụng dầm phải thỏa điều kiện ổn định cục bộ và chịu lực tập trung;

- Phải kiểm tra điều kiện của sự oằn bên của dầm, trừ khi cánh nén được kiềm chế ngang hoàn toàn;

- Phải kiểm tra độ võng lớn nhất của dầm, không được vượt quả độ võng cho phép

1.2.4 Tính toán dầm liên hợp thép - bê tông theo Tiêu chuẩn châu Âu EC4

Dầm liên hợp thép bêtông được tạo một dầm thép cán nóng hoặc dầm thép thép tổ hợp hàn và tấm sàn bê tông cốt thép (bình thường hay ứng suất trước) Tấm sàn được liên kết với dầm thép bảng các liên kết để đảm bảo sự làm việc đồng thời của chúng

Dầm liên hợp được kiểm tra theo hai trạng thái giới: Trạng thái

phá hỏng và trạng thái sử dụng Khác với dầm bình thường, cách

tính toán dầm liên hợp phụ thuộc vào một số yếu tố: loại tiết diện (chia theo độ mảnh của bản cánh, bản bụng dầm thép), phương pháp thi công (có gối đỡ tạm hay không), hình thức liên kết giữa tấm đan với dầm thép (liên kết hoàn toàn hay không hoàn toàn),

vị trí trục trung hòa trên tiết diện ngang

a) Trường hợp tiết diện chịu mômen dương

- Trường hợp 1 — trục trung hòa nằm trong bản bêtông thì

Fa và F c là sức bền dẻo của thép hình khi chịu kéo và của bản bêtông khi chịu nén

- Trường hợp 2 — trục trung hòa đi qua cánh của dầm thép

khi Fc < F a rõ ràng khi đó khoảng cách của trục trung hòa dẻo z sẽ lớn hơn chiều dày toàn bộ của tấm đan (hc + hp)

- Trường hợp 3 — trục trung hòa đi qua bản bụng của dầm

thép khi : F c F a và F a F c 2b t f f f y/athì trục trung hòa dẻo

sẽ đi qua bản bụng dầm thép

b) Trường hợp tiết diện chịu mômen âm

- Trường hợp 1 — trục trung hòa nằm trong bản cánh của dầm thépn khi: Fa  Fs và F a F s 2b t f f f y/a

- Trường hợp 2 — trục trung hòa đi qua bản bụng khi:

CHƯƠNG 2

GIẢI PHÁP GIẢM CHIỀU CAO TIẾT DIỆN DẦM THÉP

2.1 THAY ĐỔI CHIỀU CAO BỤNG DẦM

2.1.1 Thiết kế chiều cao tiết diện dầm theo TCVN

Chiều cao tiết diện là thông số cơ bản khi thiết kế dầm Chiều cao tiết diện vừa phải đảm bảo yêu cầu sử dụng: dầm phải thỏa yêu cầu chịu lực, phải đủ cứng để không bị võng quá độ võng giới hạn; nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới sàn lại bị khống chế bởi yêu cầu công nghệ, đồng thời phải thoả mãn yêu cầu kinh tế

2.1.2 Chiều cao tiết diện dầm theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC

Các tiêu chí để chọn chiều cao dầm của các tiêu chuẩn nước ngoải cũng không khác với quy định của TCVN Trong đó điều kiện

sử dụng luôn luôn được quan tâm Chiều cao được chọn của dầm là

để đủ chịu lực, thỏa công năng và tiết kiệm nhất ; khi dầm có h= min, sẽ cho công năng tối ưu

2.2 THAY ĐỔI SƠ ĐỒ KẾT CẤU – CHIỀU CAO CỦA DẦM THÉP TRONG KHUNG

Nhận thấy rằng: với nhịp và tải trọng xác định thì muốn giảm độ võng , giảm chiều cao dầm h=min, cần tiến hành một trong hai cách:

- Cách thứ nhất: Tăng độ cứng EI của tiết diện, cụ thể là cần tăng mômen quán tính I, trong khi không tăng chiều cao tiết diện h Đối với dầm thép tiết diện chữ I, có thể làm được là tăng bản cánh dầm theo cách rộng hơn hoặc dày hơn hoặc tiến hành cả hai Cho dù hiệu quả về kinh tế có thể là thấp, nhưng hiệu quả về không gian sử dụng chắc chắn là sẽ lớn

- Cách thứ 2: Tìm cách giảm mômen tác dụng, trong khi nhịp dầm, giá trị và phân bố tải trọng không đổi Điều này có thể đạt được bằng giải pháp thay đổi liên kết của dầm sàn: nếu dầm một nhịp thì cần liên kết cứng dầm với cột; nếu dầm nhiều nhịp thì tiến

hành giải pháp cấu tạo tại gối, để nó như một dầm liên tục Với 2 giải pháp này, mô men nhịp sẽ bé hơn mô men nhịp của dầm đơn giản Hiệu quả của mỗi giải pháp sẽ khác nhau và phụ thuộc vào chiều dài

và số lượng nhịp liên tục

2.3 KẾT HỢP SỰ CÙNG LÀM VIỆC CỦA HỆ DẦM VÀ SÀN, HÌNH THÀNH KẾT CẤU DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG

Dầm liên hợp được kiểm tra theo hai trạng thái giới: Trạng

thái phá hỏng và trạng thái sử dụng

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ KHẢO SÁT BẰNG SỐ

Ví dụ: Khảo sát nhà cao tầng bằng khung thép, gồm 11

tầng: chiều cao tầng 1 = 4,5m, các tầng còn lại = 3,3m; nhịp, bước khung như hình vẽ Dầm phụ bằng thép định hình IPE100 đến IPE180, đặt trực tiếp lên dầm chính Bản sàn bằng Cemboard hoặc

bê tông cốt thép Sàn chịu hoạt tải tiêu chuẩn ps

c

= 440 daN/m2 Vật liệu thép CCT38, có cường độ tính toán chịu kéo f =2300 daN/cm2; cường độ chịu cắt fv =1325 daN/cm2, E=2,1x106 daN/cm2 Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu γc =1.0 Độ võng tương đối cho phép của dầm phụ / L=1/250, của dầm chính / L=1/400

F E D C

B A

Hình 3.1 Mặt bằng sàn công tác

Hình 3.2 Sơ đồ tính khung không gian

3.1 CHỌN KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC CỦA KHUNG NHÀ

Để xác định đước nội lực của dầm có moment và lực cắt lớn nhất, ta lập sơ đồ và chọn hình thức, kích thước của các tiết diện cột, dầm thép; sử dụng phần mềm SAP 2000 để tính trọng lượng bản thân của tòa nhà, xuất moment và lực cắt của dầm có giá trị lớn nhất để tính toán

B B

C C

D D

E E

D D

E E

F F

G G

SCALE 1:20 H

t=8 mm 2PL260*15

15 15

t=10 mm 2PL370*20

t=10 mm 2PL430*20

Hình 3.4 Tiết diện cột thép

F E D C

B A

F E D C

B A

F E D C

B A

F E D C

B A

PL 310*10

B4

SCALE 1:10

PL 260*10 t=8 mm

PL 150*20 150

PL 120*12

SCALE 1:10

B3 B2

B1

SCALE 1:10

PL 250*20

PL 310*10 t=8 mm

Theo TCVN 2737 : 1995 thành phần động của tải trọng gió

phải được kể đến khi tính toán công trìng tháp trụ, các nhà nhiều tầng

cao hơn 40m và tỉ số độ cao trên bề rộng H/B > 1,5

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp hành phần tĩnh của áp lực gió theo phương

3.3 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP HỢP LÝ VỀ CHIỀU CAO DẦM THÉP

- Do tải trọng dầm phụ của ô sàn 6m tác dụng và khung trục

D có thay đổi tiết diện lớn nhất, nên ta chọn khung trục D để tính toán

f f w

- Kiểm tra độ bền theo điều kiện chịu

So sánh, ta thấy Ix, Wx của tiết diện đều lớn hơn các giá trị

I ,Wyc x x yc tương ứng Do đó, dầm thoả mãn điều kiện võng

- Kiểm tra bản bụng dầm chịu ứng suất cục bộ

Mmax = 297284 daNcm; Nmax = 8,43 daN; Qmax = 2002,3 daN

* Bảng tổng hợp kiểm tra điều kiện theo các trạng thái giới hạn

1 Tiết diện (cm2

2 Kiểm tra bền theo điều kiện

chịu uốn (daN/cm2

3.3.2 Phương án sử dụng dầm thép sàn Cemboard (tăng

hình dạng tiết diện dầm bằng cách thay đổi bản cánh có chiều dày lớn hơn để tiết diện có Ix lớn hơn, các bước tính toán tương tự, ta được bảng tổng hợp sau:

TT Các điều kiện kiểm

tra

Giảm chiều cao dầm, tăng bề rộng bản cánh

I350x200x20x10 I320x230x20x8 I300x360x14x8

1 Diện tích A (cm 2

2

Kiểm tra bền theo

điều kiện chịu uốn

(daN/cm 2 )

1630,90 2185,00 Thỏa 1631,27 2185,00 Thỏa 1544,60 2185,00 Thỏa

3

Kiểm tra bền theo

điều kiện chịu cắt

3.3.3 Phương án sử dụng dầm liên hợp thép - bê tông

Bản sàn bằng bê tông cốt thép, cấp độ bền B15, dày 10cm liên kết với dầm phụ và truyền tải vào dầm chính theo tải tập trung

a Tính toán dầm phụ dài 6m

* Nội lực tính toán

Mmax = 297284 daNcm ; Nmax = 8,43 daN ; Qmax = 2002,3 daN

- Tính toán mômen bền (uốn dương)

a y lf

lf f Rd

- Tiết diện dầm B2: I350x200x20x10

Các bước kiểm tra thực hiện tương tư như mục 3.3.1.1, ta

được bảng tổng hợp năm trong 3.3.4

3.3.4 Phương án sử dụng dầm liên hợp thép - bê tông

đổi hình dạng tiết diện dầm bằng cách thay đổi bản cánh có chiều

dày lớn hơn để tiết diện có Ix lớn hơn, các bước tính toán tương tự, ta

được bảng tổng hợp sau:

TT Các điều kiện kiểm tra Giảm chiều cao dầm, tăng bề rộng bản cánh

2

Kiểm tra bền theo điều

kiện chịu uốn

Kiểm tra điều kiện bền

chịu đổng thời mômen

Trọng lƣợng (Kg)

I35x20x2

Thời gian thi công nhanh, tải trọng bản thân của sàn nhẹ

I30x36x1 ,4x0,8 962,1

Thời gian thi công nhanh, tải trọng bản thân của sàn nhẹ, giảm được chiều cao của dầm

I35x20x2 x1 871,35

Thời gian thi công lâu, tải trọng bản thân của sàn nặng

I30x40,5 x1,3x0,6 955,66

Thời gian thi công lâu, tải trọng bản thân của sàn nặng, giảm được chiều cao của dầm

Dựa vào bảng so sánh cho thấy rằng:

- Phương án tăng chiều dày của bản cánh cho chiều cao dầm

bé hơn so với phương án truyền thống;

- Phương án thay đổi kết cấu dầm sàn bằng Cemboard là thoả mãn nhất về yêu cầu hạn chế chiều cao tiết diện dầm, lại cho trọng lượng dầm là bé nhất: hd = 30 ÷ 35cm

- Phương án sử dụng dầm thép sàn Cemboard có trọng lượng khá nhẹ, chi phí nguyên vật liệu, thời gian thi công và chi phí nhân công thấp hơn so với dầm liên hợp thép - bê tông Trong các trường hợp cần giảm chiều cao cho dầm liên tục nhà cao tầng thì giải pháp đơn giản hơn cả là tăng bề rộng cánh hoặc tăng bề dày cánh, hoặc tiến hành đồng thời cả hai

2 Những vấn đề luận văn chƣa giải quyết đƣợc

Do thời gian, quy cách và nhiều hạn chế khác, luận văn này chưa thể giải quyết được các vấn đề sau:

- Luận văn chỉ mới giải quyết bài toán dầm chịu tải trọng tĩnh; chưa thể quan tâm đến bài toán với dầm tải trọng động;

- Vì mong muốn tính đến khả năng áp dụng ở VN và muốn tính toán theo TCVN nên luận văn này chỉ mới giải quyết bài toán có với dầm thép tổ hợp hàn, tiết diện đặc; Với dầm có tiết diện mảnh, các đại lượng trên có thể sẽ khác đi

- Luận văn đã giả thiết các điều kiện tựa tại gối của dầm là ngàm tuyệt đối Thực tế cấu tạo và sự chịu lực của dầm trong khung không ―lý tưởng‖ được như vậy, mà nút khung sẽ làm việc theo ―nửa cứng‖

- Kết quả của luận văn được tính theo sơ đồ ban đầu, thực tế thì khi chịu lực, trục dầm có bị võng, các nút khung đã có chuyển vị ngang … , sơ đồ thực có sai khác so với sơ đồ ban đầu Tuy nhiên, kết quả này được coi là đúng khi biến dạng của hệ còn bé