Bài giảng kết cấu khung bê tông cốt thép

Kết cấu khung bê tông cốt thép được sử dụng rất rộng rãi trong nhà dân dụng và công nghiệp vì có thể đáp ứng dễ dàng các yêu cầu về kiến trúc, đặc biệt về không gian lớn, nhịp lớn. Kết cấu khung cho phép biến đổi linh hoạt không gian sử dụng vì tường ngăn các phòng chỉ là tường tự mang có thể phá đi để mở rộng không gian hoặc xây thêm để tạo một phòng mới mà không ảnh hưởng đến độ bền vững của ngôi nhà. Kết cấu khung có giá thành hợp lý, tiến độ thi công nhanh.

KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Khái niệm chung Trong xây dựng nhà cửa, kết cấu khung tạo nên cột dầm, liên kết với nút cứng khớp, chúng với sàn mái tạo nên kết cấu khơng gian có độ cứng lớn (hình 2.1) Kết cấu khung bê tơng cốt thép sử dụng rộng rãi nhà dân dụng cơng nghiệp đáp ứng dễ dàng yêu cầu kiến trúc, đặc biệt không gian lớn, nhịp lớn Kết cấu khung cho phép biến đổi linh hoạt khơng gian sử dụng tường ngăn phịng tường tự mang phá để mở rộng không gian xây thêm để tạo phịng mà khơng ảnh hưởng đến độ bền vững ngơi nhà Kết cấu khung có giá thành hợp lý, tiến độ thi cơng nhanh Hình 2.1 Hệ khung, sàn, mái tồn khối Khung bê tơng cốt thép dùng cho nhà tầng, nhiều tầng, nhịp, nhiều nhịp, dùng để làm móng tuabin, làm kết cấu đỡ đường ống, tháp nước Khung bê tơng cốt thép thi cơng tồn khối, lắp ghép nửa lắp ghép Khi thi công toàn khối, liên kết dầm cột (nút khung) nên chọn nút cứng Để tạo nút cứng thi công lắp ghép phức tạp chi phí lớn thi cơng tồn khối Với dầm khung nhịp lớn, nên sử dụng khung bê tông ứng lực trước Trong nhà nhiều tầng, cột nên dùng bê tơng có cấp độ bền nén lớn đặt thêm cốt thép cứng để giảm bớt tiết diện, tăng thêm diện tích sử dụng Hệ lưới cột phải bố trí phù hợp với khơng gian kiến trúc, đồng thời phải xét đến yêu cầu giảm chi phí vật liệu chung cho khung sàn Hệ khung dùng cho nhà hệ không gian xem tạo nên từ khung phẳng, nối với đan chéo Tùy trường hợp cụ thể mà đơn giản hóa việc tính tốn khung phẳng bắt buộc phải tính hệ khung khơng gian Phải xét đến làm việc không gian hệ khung dầm xuất mômen xoắn đáng kể cột chịu nén lệch tâm xiên Với cơng trình có độ cứng nhà theo phương dọc lớn so với phương ngang, tải trọng thường xuyên phần lớn tải trọng tạm thời tác dụng đồng thời lên tất khung ngang, hệ khung không gian xem tạo thành từ khung phẳng đặt theo phương ngang nhà nối lại với hệ dầm (giằng) dọc quy tụ vào nút khung Hệ giằng dọc dùng để giữ ổn định cho khung ngang chịu lực, để chịu lực ngang phần tải trọng thẳng đứng Hệ giằng dọc phát huy tác dụng tích cực có lún khơng theo phương dọc nhà Khung bê tông cốt thép toàn khối 2.1 Những sơ đồ khung Khung bê tơng cốt thép tồn khối sử dụng rộng rãi cho nhà tầng nhiều tầng; nhịp nhiều nhịp Ưu điểm khung toàn khối dễ tạo nút cứng so với khung lắp ghép Trên hình 2.2 sơ đồ khung hay dùng thực tế cho nhà tầng Hình 2.2 Một số dạng sơ đồ khung tầng a) Dầm ngang thẳng ; b) Dầm ngang gẫy khúc; c) Dầm vòm ; d) Nối khớp với móng Ở sơ đồ (a), dầm ngang chủ yếu xuất mômen uốn lực cắt, lực nén dọc trục không đáng kể Ở sơ đồ (b) đặc biệt sơ đồ (c), dầm ngang làm việc cấu kiện chịu nén lệch tâm xuất lực nén dọc đáng kể Lực nén làm giảm ứng suất kéo thớ dầm Vì có điều kiện tải trọng sơ đồ (b) (c) sử dụng cho nhịp lớn Đối với bê tông cốt thép thường, sơ đồ (a) cho nhịp 15m, sơ đồ (b) cho nhịp 15 đến 18m sơ đồ (c) cho nhịp 18m Cịn bê tơng ứng lực trước dùng sơ đồ (a) sơ đồ (b) đạt tới nhịp 30 đến 50m lớn Ở sơ đồ (d), cột khung liên kết khớp với móng, mơmen uốn đầu cột nhịp dầm ngang tăng lên giảm kích thước đế móng Đối với nhà nhiều tầng dùng khung bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang tải trọng đứng, để tăng độ cứng khung nút khung thường nút cứng, cột liên kết ngàm với móng (hình ) Khi khung nhà nhiều tầng chịu tải trọng đứng, tải trọng ngang kết cấu khác chịu vách cứng, lõi khung cấu tạo với nhiều nút khớp 2.2 Cấu tạo khung toàn khối Khung gồm nút Các cấu kiện chịu uốn (dầm) cấu kiện chịu nén lệch tâm (cột, dầm ngang gẫy khúc, dầm vòm), có cấu kiện chịu kéo lệch tâm (khi khung đóng vai trị vách cứng kết cấu vỏ mỏng không gian) Việc cấu tạo chịu uốn, kéo, nén lệch tâm dùng cốt thép mềm với hàm lượng cốt thép không vượt hàm lượng cốt thép lớn đề cập "Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện bản" [3] Hàm lượng cốt thép mềm lớn phụ thuộc vào cường độ bê tông cường độ cốt thép, biến dạng giới hạn bê tông mô đun đàn hồi cốt thép biện pháp cấu tạo nhằm tăng cường chịu lực đồng thời bê tông cốt thép Do nội lực cột nhà nhiều tầng lớn nhu cầu giảm nhỏ tiết diện người ta đặt cốt thép dọc với hàm lượng lớn 3%, đạt tới 6% đến 8%, cốt đai phải đặt dày theo phương trục cột (khoảng cách cốt đai khơng lớn 10 lần đường kính cốt dọc chịu lực nhỏ nhất), tiết diện cột cốt thép dọc phải giằng lại với cốt đai giằng để hạn chế nở ngang bê tông hình 2.3 Hình 2.3 Bố trí cốt đai cột có hàm lượng cốt dọc vượt 3% Đối với kết cấu khung, cấu tạo nút khung (liên kết cột với dầm, cột với móng ) quan trọng Nút khung phải có kích thước hình học bố trí cốt thép cho phù hợp với sơ đồ tính tốn Nút cứng phải bảo đảm bê tơng chịu nén không bị ép vỡ cốt thép neo vào nút không bị tuột Trạng thái ứng suất nút khung phức tạp Sự phân bố ứng suất phụ thuộc nhiều vào hình dáng kích thước nút khung Ở góc có tập trung ứng suất Có thể vào quỹ đạo ứng suất kéo để bố trí cốt thép nút khung Tuy khung bê tông cốt thép từ vật liệu phức hợp, không đồng chất đẳng hướng nên trạng thái ứng suất nút khung lại phụ thuộc vào bố trí cốt thép nút đó, người ta phải thí nghiệm nhiều mẫu nút khung vật liệu bê tơng cốt thép để rút cấu tạo hợp lý cho loại nút khác Các kết thí nghiệm nút khung góc cho thấy ứng suất theo đường chéo (hình 2.4a) thay đổi khơng tuyến tính Nếu thay góc gẫy thành đường cong đường chéo (tạo nách khung) tập trung ứng suất nén giảm đáng kể (hình 2.4b) Hình 2.4 Ứng suất nút khung góc Đặc điểm nút góc giá trị mơmen đầu dầm lớn, việc neo cốt chịu kéo dầm phải thận trọng cột khơng có lực nén truyền từ tầng xuống Cấu tạo nút góc thể hình 2.5 phụ thuộc vào eO tỷ số h ( eO độ lệch tâm lực nén N so với trục dọc qua trọng tâm tiết diện c đỉnh cột, eO = eO M , hc - chiều cao tiết diện đỉnh cột) Tỷ số h lớn, thể N c mơmen lớn, chiều dài neo cốt thép phải lớn Mômen lớn, cốt thép chịu kéo nhiều, neo cần lưu ý không cắt tất cốt thép tiết diện để tránh tập trung ứng suất eO Khi h ≤ 0,25, mô men nhỏ, cấu tạo nút khung thể hình 2.9a c eO Khi 0,25 < h ≤ 0,5, có khơng cốt thép chịu kéo dầm phải c kéo qua mép dầm đoạn 30d, số thép cịn lại neo phía khơng nhiều (hình 2.5b) eO Khi h > 0,5 tất cốt thép chịu kéo dầm phải kéo qua mép c dầm đoạn khơng nhỏ 30d (d - đường kính cốt thép), tiết diện cách 30d cắt khơng q hai (hình 2.5c) Để tránh kéo cốt thép xuống cột sâu, nên kết hợp việc kéo cốt thép chịu kéo từ dầm xuống cột từ cột lên dầm Cốt thép cột kéo lên dầm cắt theo biểu đồ bao mơmen ưu tiên cắt trước Ngồi việc neo cốt thép để chịu mômen uốn nút khung góc chúng phải uốn cong với bán kính r = (10÷15)d, cốt thép khác phải có chiều dài neo không nhỏ lneo (xác định theo điều 8.5.2 TCVN 5574:2012 [4]) eO Khi mômen lớn, đặc biệt trường hợp h > 0,5, góc khung cần cấu tạo c nách để giảm ứng suất nén tập trung Nách khung cịn có tác dụng tăng cường khả chịu mômen dầm Chiều dài nách thường không nhỏ 1/10 nhịp dầm chiều cao nách không nhỏ 0,4 chiều cao dầm ngang Độ dốc nách khung chọn từ 1:3 trở lên coi có hiệu Dọc theo mép nách khung cần phải đặt cốt thép cấu tạo Nếu lý kiến trúc mà khơng cấu tạo nách khung phải có giải pháp đặt cốt thép thích hợp để chịu ứng suất tập trung xung quanh góc vng phía Hình 2.5 Cấu tạo nút khung góc a) eo/hc ≤ 0,25; b) 0,25 < eo/hc≤0,5; c) eo/hc > 0,5 Cấu tạo nút nối cột biên với dầm ngang tầng thể hình 2.10 Cốt chịu kéo dầm ngang phải neo đoạn lneo (hình 2.6a) Nếu cốt thép đoạn neo phải uốn cong phải có cốt đai đặt với khoảng cách không lớn 100 mm để gia cường, đoạn thép kéo thẳng không nhỏ 0,5lneo (hình 2.6b) Khơng nên uốn cốt chịu kéo dầm vào sâu phần cột phía để người thi cơng dễ đặt cốt thép phải bố trí điểm dừng đổ bê tông gần đỉnh cột Khi cần thiết làm chi tiết neo (thép thép hình) vào đầu thép hình 2.6c phải tiến hành tính tốn ép mặt Khi tiết diện cột thay đổi, cho phép uốn xiên cốt dọc cột với độ dốc không 1:6 để chờ nối với cốt dọc cột Hình 2.6 Nút nối cột biên với dầm ngang Cấu tạo nút nối cột với dầm ngang thể hình 2.7 Trong trường hợp cốt thép dầm ngang không cần phải kéo dài vào cột, mà kéo, uốn, cắt bớt cho phù hợp với biểu đồ mômen chịu lực cắt giống dầm liên tục Cần lưu ý cột, nút nối, phạm vi chiều cao dầm cần phải có cốt đai để giữ ổn định cho cốt dọc, hạn chế biến dạng ngang bê tông Hình 2.7 Nút khung nối cột với dầm ngang Đối với khung phải chịu lực chấn động, độ dẻo nút khung phải lớn, người ta gia cố thêm nút khung cốt dọc đặt dày cốt đai ngang đầu quy tụ vào nút Chi tiết nút khung trình bày chương Ở chỗ dầm ngang bị gãy khúc (hình 2.8), tác dụng mơmen dương, lực cốt thép chịu kéo cốt thép chịu nén tạo thành hợp lực hướng Cần phải có cốt đai chịu lực đó, giữ cho cốt thép dọc khơng bị kéo bật phía ngồi Góc gãy α nhỏ hợp lực hướng phía ngồi lớn Hình 2.8 Bố trí cốt thép chỗ dầm ngang gãy khúc a) Sơ đồ chịu lực; b) Trường hợp α ≥ 160o c) Trường hợp α < 160o Khi góc α < 160O khơng cần cốt đai gia cố, cịn phải cắt cốt dọc chịu kéo (toàn phần) để neo vào vùng bêtơng chịu nén hình 2.8c Khi góc α ≥ 160O uốn cốt thép qua góc gãy bố trí đủ cốt đai gia cố hình 2.8b Diện tích cốt đai Asw để giằng cốt dọc phải tính tốn để đủ chịu hợp lực cốt dọc không neo đủ chịu không 35% hợp lực neo vùng nén Ta có biểu thức:  ∑ Rsw Asw cosβ ≥  A s1 α + 0,7 As ) Rs cos ÷ 2 (2.1) : As1 - diện tích cốt dọc không neo vùng nén; As - diện tích cốt dọc neo vùng nén; α - góc lõm dầm ngang; β - góc đường phân giác góc lõm phương cốt đai Cốt thép đai tính theo (2.1) phải bố trí chiều dài S: S = htg α (2.2) S - khoảng cách từ điểm B đến điểm C, góc BAC lấy α (hình 2.8) Chi tiết dầm ngang gãy không gặp khung mà thường gặp cốn thang gãy khúc hình 2.9 Hình 2.9 Cốn thang gãy khúc Ở điểm gãy A B xuất mômen dương tải trọng tác dụng theo chiều từ xuống Nhưng điểm gãy A, hợp lực cốt thép chịu kéo chịu nén hướng vào phía nên khơng cần phải có cốt đai giằng Ở điểm gãy B hợp lực cốt thép hướng phía ngồi nên phải tính tốn cấu tạo cốt đai giằng giống dầm ngang khung trình bày Mối nối cứng cột móng thể hình 2.10 Tất cốt thép dọc cột phải kéo thẳng xuống móng Để tiện thi cơng, đặt cốt chờ để nối cốt mặt móng cốt ±0,00 (cốt mặt nền) Phải bảo đảm yêu cầu nối Hình 2.10 Nối cứng cột với móng a) Sơ đồ ; b) Bố trí cốt thép khơng q 50% diện tích cốt chịu kéo có gờ khơng q 25% diện tích cốt chịu kéo cốt trơn tiết diện đoạn nhỏ chiều dài neo Như khơng cắt cốt thép có chiều dài tiết diện cột có nhiều bốn thép dọc (cho phép nối tiết diện cột có bốn thép dọc) Để tiện định vị tim cột, số cốt đai nằm phạm vi móng tăng so với hình 2.10b Cần lưu ý sơ đồ tính tốn khung, cao trình ngàm cột lấy cao trình mặt móng hình 2.10a Mỗi nối khớp cột móng thể hình 2.11 Khớp hình thành tiết diện bị giảm yếu (theo phương tác động mômen uốn), độ cứng bị giảm đột ngột, có xuất mơmen chân cột giá trị mơmen khơng lớn Chiều cao tiết diện khớp lại 1/3 đến 1/4 tiết diện nguyên Cột móng liên kết cốt thẳng hình 2.11a, cốt bắt chéo hình 2.11b Khi tải trọng lớn dùng cốt dọc với đai lị xo để hạn chế biến dạng ngang bê tông hình 2.11c Phần tiết diện cịn lại bê tông cốt thép nối chịu lực dọc truyền từ cột xuất móng tính theo cấu kiện chịu ép cục Cịn lực cắt cân lực ma sát đưa cốt thép vào tính tốn chịu cắt 10 Hình 2.17 Khung nửa lắp ghép - cột ; - dầm chế tạo chưa hoàn chỉnh ; - panen sàn ; - cốt thép phía dầm ; - cốt đai chờ ; - bêtông đổ chỗ Khung bê tơng cốt thép có cốt thép cứng Đối với nhà nhiều tầng, cốt thép cứng bố trí cột để giảm bớt tiết diện, tăng diện tích sử dụng Cấu kiện sử dụng cốt cứng phải có cấp độ bền nén bê tông không nhỏ B15.Cốt thép cứng đặt dầm cột khung nhà cao tầng tác dụng giảm kích thước tiết diện bê tơng cịn dùng làm kết cấu đỡ ván khn q trình thi cơng đổ chỗ Trong thi công, khung cốt cứng phải chịu trọng lượng ván khuôn, trọng lượng bê tông cốt thép, phải chịu tải trọng gió hoạt tải thi cơng khác, thiết kế kết cấu thép Trong q trình sử dụng, bê tơng thép cộng tác với chịu lực, tức chịu tải trọng đặt vào kết cấu sau tạo dựng khung Nếu xét điều kiện kinh tế việc sử dụng hết khả cốt cứng dùng cốt cứng hợp lý trọng lượng thân kết cấu không vượt 25% tổng tải trọng Thí dụ bố trí cốt cứng tiết diện dầm tiết diện cột thể hình 2.18 hình 2.19 16 Hình 2.18 Bố trí cốt cứng tiết diện dầm Trong dầm, cốt cứng có chiều cao lớn, cánh vùng nén, cánh vùng kéo hình 2.18a Cốt thép mềm phải đặt theo cấu tạo, cốt đai đặt theo tính tốn chịu lực cắt Cả dầm cột, cốt cứng khung làm từ thép góc cỡ nhỏ cốt trịn có đường kính lớn với đứng chéo tạo thành dàn thép mà thân có giá trị chịu tải trọng thi công Thông thường hàm lượng cốt cứng cột từ đến 8% Hàm lượng cốt cứng lớn khơng q 15% để tránh tượng tách bóc bê tơng khỏi thép Khi hàm lượng cốt cứng lớn 15% coi bê tơng lớp vỏ bọc khơng chịu lực Kích thước tiết diện cột phải đảm bảo độ mảnh không lớn 80 Đường kính cốt dọc nhỏ 12 mm Đường kính cốt đai cột khơng nhỏ 8mm với khoảng cách cốt đai không lớn 200 mm nửa kích thước tiết diện nhỏ Theo kết nghiên cứu thực nghiệm cấu kiện cốt cứng thiết kế đúng, cốt cứng làm việc với bê tông phá hoại, ứng suất cốt cứng đạt tới giới hạn chảy Ứng suất ban đầu cốt cứng xuất trình thi công không làm giảm cường độ cuối cấu kiện bê tông cốt thép Tuy lực dính cốt cứng bê tơng so với cốt mềm, đặc biệt cốt có gờ, nên để hạn chế khe nứt người ta thường giảm bớt ứng suất tính tốn cho phép cốt cứng tùy thuộc vào tỷ lệ cốt cứng 17 dùng tổng số cốt thép cấu kiện Dùng nhiều cốt cứng ứng suất tính tốn cho phép giảm nhiều Hình 2.19 Bố trí cốt cứng tiết diện cột Khung bê tông ứng lực trước Để làm kết cấu khung có nhịp lớn cần phải sử dụng cốt thép ứng lực trước Sơ đồ khung tầng nhịp có ứng lực trước giống sơ đồ khung bêtông cốt thép thường thể hình 2.3a, 2.3d 2.3b với độ dốc mái nhỏ Khi sử dụng sơ đồ khung khớp đầu cột (hình 2.12 a,b) có dầm ngang cấu kiện ứng lực trước dạng dầm dàn Sơ đồ nút cứng đầu cột làm cho dầm ngang nhẹ hay dùng Khung nhịp đổ bê tông căng cốt chỗ đạt tới độ 50 60m lớn Khi nhịp tăng lên, nội lực trọng lượng thân kết cấu tăng lên nhanh phải có biện pháp giảm trọng lượng Người ta phải chịu chấp nhận khó khăn thi cơng để có tiết diện nhẹ tiết diện chữ I, tiết diện hình cánh chim Khi đầu cột nút cứng, có ba phương án bố trí cốt thép ứng lực trước hình 2.20 Phương án (a) khó áp dụng khó căng cốt thép hao tổn ứng suất ma sát góc lớn Ở phương án (b), cốt thép ứng lực trước tách rời cột dầm quy tụ vào nút, cốt thép căng kéo Do ứng suất 18 tập trung nút lớn nên phải gia cố lưới thép theo hai phương cách thích đáng HÌnh 2.20 Bố trí cốt thép căng trước góc khung a ) Cốt thép liên tục ; b) cốt thép gián đoạn; c) Chỉ dầm ngang có ứng lực Ở phương án (c), dầm ngang có ứng lực trước cịn cột bê tơng cốt thép thường Điều thích hợp mơmen nút nhỏ, có nghĩa độ cứng cột phải nhỏ so với dầm, gần với sơ đồ liên kết khớp dầm cột Để thuận tiện cho việc bố trí cốt thép ứng lực trước cột, sơ đồ cột có chân khớp (hình 2.21a) hay dùng mơmen tải trọng thẳng đứng làm căng thớ cột Hình 2.21 Sơ đồ bố trí cốt thép ứng lực trước a) Khung có chân khớp ; b) Khung có chân ngàm Khi căng cốt thép ứng lực trước, bê tông bị nén co lại (ngay lúc đầu biến dạng đàn hồi) gây nội lực khung Ví dụ căng cốt thép dầm ngang, sơ đồ 2.21b đầu cột bị chuyển dịch nên cột xuất nội lực đáng kể Vì có người ta đưa thêm khớp tạm thời vào mặt cắt 1-1 (hình 2.21b) để căng cốt thép dầm ngang khơng gây nội lực phụ cột 19 Đối với khung nhà nhiều tầng có nhịp lớn, để giảm chiều cao kết cấu sử dụng phương án dầm bê tông ứng lực trước căng sau Điều thích hợp với nhà văn phịng cơng trình có chức hỗn hợp trung tâm thương mại văn phòng Thiết kế khung bê tông cốt thép Việc thiết kế bao gồm: quan niệm tính tốn khung, lập sơ đồ tính tốn cho loại khung hệ kết cấu (chọn kích thước tiết diện liên kết cấu kiện), xác định tải trọng tính tốn, tính tốn tổ hợp nội lực, tính tốn tiết diện bố trí cốt thép 6.1 Quan niệm tính tốn Trong phạm vi hai khe nhiệt độ khe lún, tùy theo cách bố trí kết cấu mà tải trọng thẳng đứng truyền theo phương phương truyền theo hai phương Nếu tải trọng thẳng đứng truyền chủ yếu theo phương tách khung để tính tốn khung phẳng Nếu tải trọng truyền theo hai phương phải tính tốn theo khung khơng gian đơn giản hóa cách tính riêng rẽ hai khung phẳng Đối với tải trọng ngang (gió, động đất, lực hãm ) phải xem xét cách bố trí kết cấu để định tính toán theo phương hay phải theo hai phương Thơng thường kết cấu nhà nhiều tầng cịn có kết cấu khác có khả chịu tải trọng ngang lớn vách cứng, lõi thang máy nên tính tốn phải phân phối tải trọng ngang cho khung kết cấu đó, phụ thuộc vào độ cứng vị trí chúng mặt (xem chương 5) 6.2 Sơ xác định kích thước tiết diện Khi chọn kích thước tiết diện cấu kiện khung cần lưu ý khung hệ siêu tĩnh, tỷ lệ độ cứng cấu kiện hợp lý dẫn đến phân phối hợp lý nội lực phận, đảm bảo bền vững, biến dạng dễ thi cơng 20 Hình 2.22 Sơ đồ khung a) Khung có nút cứng ; b) Khung có nút khớp Xét khung có sơ đồ hình 2.22 Ở sơ đồ (a), nút A, B nút cứng Nếu tăng tiết diện hai cột giá trị MA MB tăng lên MC giảm xuống theo điều kiện Mo không đổi Ngược lại giảm tiết diện cột làm giảm MA MB Nếu độ cứng đơn vị cột nhỏ so với dầm ngang MA, MB nhỏ so với MC, sơ đồ (a) tiến gần tới sơ đồ (b) Để đảm bảo độ võng dầm hai sơ đồ giống chiều cao dầm sơ đồ (b) phải lớn Muốn tính nội lực hệ siêu tĩnh phải có kích thước tiết diện ngang Do trước hết phải sơ xác định kích thước tiết diện Gọi sơ xác định sau cịn phải xem xét lại, cần thiết phải sửa đổi Tốt dựa vào kinh nghiệm người thiết kế sở so sánh kết cấu cần thiết kế với kết cấu tương tự xây dựng tỏ hợp lý kinh tế kỹ thuật để chọn kích thước tiết diện khung Nếu thiếu kinh nghiệm tiến hành tính tốn sơ để xác định kích thước tiết diện Đối với dầm ngang khung, vào nhịp l loại hình chúng để chọn kích thước sơ Trong bảng 2.1 cho số liệu hướng dẫn để xác định chiều cao h dầm ngang theo công thức: h= l m (2.5) Bảng 2.1 Chiều cao h dầm ngang khung Hình dáng dầm ngang 1.Thẳng Gãy khúc - khơng có căng Hệ số m dầm ngang nhịp nhiều nhịp 10 - 12 12 - 16 12 - 16 12 - 18 21 Cong - có căng 16 - 20 16 - 24 - khơng có căng 18 - 24 18 - 30 - có thăng căng 30 - 35 30 - 40 Chiều rộng b dầm ngang xác định theo yêu cầu thẩm mỹ cấu tạo kiến trúc, nên chọn khoảng h = (2 ÷ 4)b Kích thước tiết diện dầm ngang tính sơ theo cơng thức: M ho = bRb (2.6) đó: ho - chiều cao làm việc tiết diện dầm ngang b - bề rộng tiết diện (được giả thiết trước vào yêu cầu cấu tạo mỹ quan); Rb - cường độ chịu nén tính tốn bê tơng; M = (0,6 ÷ 0,7)Mo; Mo - mômen lớn xuất dầm ngang coi dầm đơn giản có nhịp nhịp dầm ngang (hình 2.24) Sau tính ho suy h điều chỉnh lại b cho hợp lý Diện tích tiết diện ngang cột Ac xác định sơ theo cơng thức: kN Ac = Rb (2.7) đó: N - lực nén lớn xuất tiết diện cột xét, k - hệ số, k = (1 ÷ 1,5) Lực nén N tính sơ coi dầm liên kết với cột (trên tất tầng) dầm đơn giản, truyền phản lực đầu dầm vào cột Nói cách khác tính tổng tải trọng đứng tác dụng lên phạm vi truyền tải vào cột Từ Ac phải xác định kích thước tiết diện chữ nhật (b x h) đường kính D cột tiết diện trịn Đối với cột chịu nén lệch tâm, chiều rộng b chọn theo yêu cầu cấu tạo độ mảnh, chiều cao h lấy theo cấu kiện chịu nén lệch tâm, nghĩa h = (1,5 ÷ 3)b 22 Đối với cột chịu nén lệch tâm xiên, tiết diện cột nên chọn tiết diện vng, trịn hình chữ nhật 6.3 Lập sơ đồ tính khung Căn vào tình hình địa chất cơng trình, giải pháp móng, kích thước hình học khung, người thiết kế phải định sơ đồ tính tốn cấu tạo khung, điều quan trọng phải rõ vị trí liên kết cứng (nút cứng) liên kết khớp Trong sơ đồ tính khung, cao trình ngàm cột lấy cao trình mặt móng (hình 2.10a) 6.4 Xác định tải trọng: 6.4.1 Các tải trọng: Theo tiêu chuẩn thiết kế “Tải trọng tác động” TCVN 2737:1995, tải trọng tác động lên cơng trình bao gồm tải trọng thường xun tải trọng tạm thời Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) tải trọng có tác dụng khơng thay đổi suốt trình sử dụng kết cấu trọng lượng thân kết cấu chịu lực, vách ngăn cố định , lực căng trước kết cấu ứng lực trước Để xác định tải trọng thường xuyên cần dựa vào cấu tạo cụ thể phận Tải trọng tạm thời tải trọng khơng xuất giai đoạn q trình xây dựng sử dụng cơng trình Trong nhà dân dụng, tải trọng tạm thời bao gồm hoạt tải sử dụng tác dụng sàn, tải trọng sửa chữa mái tải trọng gió Để xác định tải trọng tạm thời cần dựa vào tiêu chuẩn tải trọng Tải trọng động đất tải trọng đặc biệt đề cập chương Việc xác định tĩnh tải hoạt tải từ sàn truyền lên dầm phụ thuộc vào làm việc sàn theo phương hay hai phương theo liên kết độ cứng chống uốn tương đối dầm sàn Với sàn toàn khối bỏ qua ảnh hưởng độ cứng chống uốn sàn, gần tải trọng từ sàn truyền lên dầm xác định theo nguyên tắc phân tải “đường phân giác” trình bày nội dung sàn sườn tồn khối có kê bốn cạnh [3] Khi xác định tải trọng thẳng đứng từ dầm dọc lên khung ngang cho phép bỏ qua tính liên tục dầm dọc đó, nghĩa tải trọng truyền lên khung (nút dầm khung) tính phản lực dầm đơn giản 6.4.2 Tải trọng gió: 23 Vận tốc gió yếu tố định đến giá trị áp lực gió tác dụng lên cơng trình Vùng gần mặt đất có ảnh hưởng ma sát làm ảnh hưởng đến vận tốc di chuyển gió Càng lên cao ảnh hưởng ma sát giảm, vận tốc gió lớn Trong hầu hết tiêu chuẩn thiết kế nước quy ước vận tốc gió đo độ cao 10m mặt đất tự nhiên vùng không bị che chắn Do vận tốc gió biến đổi liên tục theo thời gian nên thời gian lấy trung bình vận tốc gió thời gian tính chu kì lặp ảnh hưởng đến giá trị vận tốc gió trung bình Giá trị xác định phụ thuộc vào quy định tiêu chuẩn thiết kế gọi vận tốc gió sở Theo TCVN 2737:1995 [5], vận tốc gió sở V0 vận tốc gió trung bình khoảng thời gian giây, bị vượt lần vòng 20 năm, độ cao 10 m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng B Địa hình dạng B địa hình tương đối trống trải, có số vật cản thưa thớt cao khơng q 10 m (vùng ngoại nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa rừng non ) Phân loại dạng địa hình xem thích bảng 2.3 Phụ lục Số liệu đo vận tốc gió độ cao đặc trưng cho tượng: vận tốc trung bình khơng thay đổi gió vận tốc thay đổi gió giật Do tác dụng gió lên cơng trình gồm hai thành phần: tĩnh động Thành phần gió tĩnh phải kể đến cơng trình Trong chương đề cập đến thành phần gió tĩnh Thành phần gió động nhà nhiều tầng kể đến chiều cao cơng trình lớn 40m trình bày cụ thể chương (mục 4.2) Giá trị tính tốn áp lực gió tĩnh W có phương vng góc với bề mặt cơng trình độ cao z so với mốc chuẩn (xem cửa đóng kín) xác định theo: W = γ Wo kc (2.8) đó: Wo - giá trị tiêu chuẩn áp lực gió, tương ứng với vận tốc gió V (m/s) Giá trị Wo lấy từ đồ phân vùng áp lực gió, tương ứng với địa điểm xây dựng cơng trình (bảng 2.1 Phụ lục 2) Theo phân vùng lãnh thổ Việt nam chia thành năm vùng áp lực gió: I, II, III, IV V 24 γ - hệ số độ tin cậy tải trọng gió, thường lấy γ =1,2 tương ứng với nhà cơng trình có thời gian sử dụng giả định 50 năm Ứng với thời gian sử dụng khác, hệ số lấy theo bảng 2.9 Phụ lục k - hệ số tính đến thay đổi áp lực gió theo độ cao ảnh hưởng địa hình, vật cản xung quanh làm thay đổi vận tốc gió, xác định theo bảng 2.3 Phụ lục c - hệ số số khí động học, lấy theo bảng 2.4 Phụ lục Hệ số có giá trị dương ứng với chiều áp lực gió hướng vào bề mặt cơng trình, có giá trị âm ứng với chiều gió hướng ngồi cơng trình Để xác định tải trọng gió tác dụng lên khung ngang cơng trình thấp tầng quan niệm áp lực gió tác dụng lên tường dọc bao che bên truyền lên đoạn cột xét theo diện chịu tải gió từ hai phía lân cận cột 6.4.3 Các trường hợp tải trọng: Cần xác lập trường hợp tải trọng tham gia vào trình tổ hợp tải trọng Trên sơ đồ tính tốn khung phải có đủ trường hợp tải trọng Ví dụ khung phẳng nhà nhiều tầng nhiều nhịp khơng có cầu chạy khơng xét đến tải trọng động đất xét trường hợp tải trọng sau: • Tĩnh tải: trọng lượng thân kết cấu (bao che chịu lực) • Hoạt tải đứng: gồm hai trường hợp hoạt tải, xếp theo kiểu cách tầng, cách nhịp (hình 2.31) • Hoạt tải gió: hai trường hợp tải trọng gió (gió thổi từ trái sang phải gió thổi từ phải qua trái) Trên hình 2.23 ví dụ sơ đồ tính tốn khung nhà bốn tầng ba nhịp chịu tác dụng hai trường hợp hoạt tải sử dụng (xếp cách tầng, cách nhịp) Khi lập sơ đồ tính tốn khung, để đơn giản tính tốn, dễ dàng vào số liệu cho máy tính tạo sơ đồ đối xứng mà khơng mắc phải sai số đáng kể, làm phép đơn giản hóa sau đây: 25 Hình 2.23 Thí dụ hai trường hợp hoạt tải sơ đồ tính tốn khung phẳng • Nếu chiều dài nhịp khác 10% đổi thành sơ đồ nhịp để tính nội lực với chiều dài nhịp tính tốn giá trị trung bình chiều dài nhịp • Nếu độ dốc dầm ngang nhỏ 1/8 sơ đồ tính xem dầm ngằm ngang, chiều cao cột lấy theo giá trị trung bình • Cho phép chuyển tải trọng sang phải sang trái đoạn không 1/20 nhịp để làm cho sơ đồ tính tốn trở thành đối xứng phản đối xứng • Nếu dầm có từ năm tải trọng tập trung trở lên đổi thành tải trọng phân bố • Khi khung có nhiều nhịp tải trọng giống nhịp đổi thành khung ba nhịp để tính, nội lực nhịp lấy • Nếu hoạt tải sử dụng bé không vượt 10% trọng lượng thân cơng trình khơng cần tính riêng mà cộng với trọng lượng thân kết cấu 6.5 Tính tốn tổ hợp nội lực Nội lực khung xác định theo sơ đồ đàn hồi Khi tính theo sơ đồ này, độ cứng EJ, với E mô đun đàn hồi bê tông J mơ men qn tính tiết diện bê tơng khơng kể đến có mặt cốt thép Dùng phương pháp học kết cấu phần mềm chuyên dụng theo phương pháp phần tử hữu hạn SAP 2000, ETABS để tính nội lực (mômen uốn M, lực 26 cắt Q, lực dọc N ) cho trường hợp tải trọng kể trên, sau tổ hợp nội lực để tìm nội lực bất lợi tiết diện quan trọng Các tiết diện là: • Đối với cột: tiết diện chân đỉnh cột Có thể thêm tiết diện khác có nội lực lớn • Đối với dầm ngang thẳng: tiết diện nhịp tiết diện hai đầu tiếp giáp với cột Có thể thêm tiết diện khác có nội lực lớn tiết diện vị trí có tải trọng tập trung Đối với kết cấu dầm quan trọng, có nhịp tải trọng lớn, thiết phải vẽ biểu đồ bao mơmen để có sở chắn cho việc bố trí (cắt, uốn) cốt thép theo biểu đồ vật liệu Mục đích tổ hợp nội lực tìm nội lực nguy hiểm tiết diện tác dụng nhiều loại tải trọng Theo TCVN 2737:1995, có hai loại tổ hợp tổ hợp tổ hợp đặc biệt Tổ hợp đặc biệt áp dụng xét đến tải trọng đặc biệt (động đất, cháy nổ ) Có hai tổ hợp tổ hợp tổ hợp Tổ hợp bao gồm nội lực tĩnh tải cộng với nội lực hoạt tải gây Tổ hợp bao gồm nội lực tĩnh tải cộng với nội lực hoạt tải gây ra, nội lực hoạt tải nhân với hệ số tổ hợp, lấy 0,9 Ở tiết diện, phải xét hai tổ hợp cho cặp nội lực nguy hiểm sau: • + − Đối với dầm: có nội lực M max , M max , Qmax Đối với dầm ngang gãy khúc cong, lực dọc kéo dầm lớn N max > R bt bh , cần xét cặp nội lực cấu kiện chịu kéo lệch tâm Khi lực dọc nén N max > 0,1R b bh phải xét cột chịu nén lệch tâm • Đối với cột chịu nén lệch tâm (tính theo sơ đồ khung phẳng), có cặp nội lực: + Cặp 1: M max , Ntư − Cặp 2: M max , Ntư Cặp 3: N max , Mtư Khi cột bố trí cốt thép đối xứng chọn cặp nội lực sau : Cặp 1: M max , Ntư 27 Cặp 2: N max , Mtư M Cặp 3: e = N • max Đối với cột chịu nén lệch tâm xiên có tổ hợp sau: + Cặp 1: M x ,max , My,tư , Ntư − Cặp 2: M x ,max , My,tư , Ntư + Cặp 3: M y , max , Mx,tư , Ntư − Cặp 4: M y , max , Mx,tư , Ntư Cặp 5: Nmax ,Mx,tư, My,tư Tại tiết diện cột liên kết với móng cịn phải tính thêm Qtư để phục vụ cho việc tính móng Ký hiệu ‘tư’ nội lực tương ứng tổ hợp, (+) (-) tương ứng với nội lực có giá trị mang dấu dương âm Khi tính theo sơ đồ khớp dẻo, trường hợp tải trọng phải vẽ biểu đồ mômen theo sơ đồ đàn hồi (hình 2.24a), sau điều chỉnh biểu đồ mômen cách cho khớp dẻo xuất tiết diện (thường tiết diện gối tựa dầm) ví dụ tiết diện A (hình 2.24b) mà mômen khớp dẻo không nhỏ MAO, mômen khớp dẻo A MA (với MA ≥ 0,7MAO) phải đưa mơmen điều chỉnh M = MAO - MA có dấu ngược với dấu MAO vào sơ đồ thêm khớp (hình 2.26b) để giải nội lực hệ (đã có thêm khớp) Sau cộng biểu đồ mơmen hình 2.24a hình 2.24b ta biểu đồ mơmen điều chỉnh hình 2.24c Nếu muốn tiếp tục điều chỉnh biểu đồ mômen cách cho khớp dẻo xuất tiết diện khác trình tự tính tốn lập lại Cần lưu ý giá trị mômen sau điều chỉnh tiết diện cột phải bảo đảm điều kiện mơmen lực dọc trọng tâm vùng chịu nén không nhỏ giá trị mômen tương ứng theo sơ đồ đàn hồi 28 Hình 2.24 Sơ đồ tính tốn 6.6 Tính tốn tiết diện Việc tính tốn tiết diện bao gồm: • Căn vào nội lực lớn tổ hợp được, đánh giá lại tiết diện chọn có hợp lý hay khơng Đối với cột vào hàm lượng cốt thép để xét Nếu cốt thép tính nhỏ hàm lượng tối thiểu, có nghĩa tiết diện cột lớn, giảm tiết diện khơng có u cầu khác hạn chế chuyển vị ngang kiến trúc Nếu hàm lượng cốt thép tính vượt 3%, có nghĩa tiết diện cột nhỏ, tăng tiết diện, khơng thể tăng tiết diện phải áp dụng biện pháp cấu tạo thích hợp trình bày Kích thước tiết diện dầm phải đảm bảo điều kiện: M ≤ 0,5Rbbh02 Q ≤ 0,3Rbbh0 (2.9) M, Q - nội lực tính tốn (mơ men uốn lực cắt) tiết diện xét Nếu điều kiện (2.9) không thỏa mãn phải tăng kích thước tiết diện tăng cấp độ bền nén bê tơng Nếu mơmen tính tốn theo sơ đồ khớp dẻo cịn phải thỏa mãn điều kiện ζ = x / h0 ≤ 0,3 với x chiều cao vùng bê tông chịu nén Cốt đai khung tính tốn cấu tạo trình bày [3] Cốt đai dầm tính tốn gần theo phương pháp sau [11] 29 Lực cắt Q1 tiết diện thẳng góc có khoảng cách từ gối tựa a (hình 2.25) phải thỏa mãn: Q1 ≤ Qb1 + Qsw,1 (2.10) : Qb1 = 0,5Rbt bh0 (2.11) Qsw,1 = qsw h0 (2.12) Rsw Asw s (2.13) q sw = Asw - diện tích tiết diện ngang nhánh cốt đai đặt mặt phẳng vng góc với trục cấu kiện: Asw = nf s n- số nhánh cốt đai f s - diện tích tiết diện ngang nhánh cốt đai Rsw -cường độ tính tốn cốt thép đai ; s - khoảng cách cốt đai Nếu tiết diện thẳng góc a < ho, giá trị Qsw,1 (công thức 2.12) nhân thêm với hệ số a/h0 Nếu a < 2,5ho, giá trị Qb1 (công thức 2.11) nhân thêm với hệ số 2,5h0/a Qb1 lấy khơng lớn 2,5Rbtbho Giá trị qsw tính tốn lấy khơng nhỏ 0,25Rbtbho Hình 2.25 Tính tốn cường độ tiết diện nghiêng 30 ... cốt thép lớn đề cập "Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện bản" [3] Hàm lượng cốt thép mềm lớn phụ thuộc vào cường độ bê tông cường độ cốt thép, biến dạng giới hạn bê tông mô đun đàn hồi cốt. .. - cốt thép phía dầm ; - cốt đai chờ ; - b? ?tông đổ chỗ Khung bê tơng cốt thép có cốt thép cứng Đối với nhà nhiều tầng, cốt thép cứng bố trí cột để giảm bớt tiết diện, tăng diện tích sử dụng Cấu. .. chế nở ngang bê tông hình 2.3 Hình 2.3 Bố trí cốt đai cột có hàm lượng cốt dọc vượt 3% Đối với kết cấu khung, cấu tạo nút khung (liên kết cột với dầm, cột với móng ) quan trọng Nút khung phải có