Đồ án Bê tông cốt thép 2: Tính toán thiết kế khung phẳng bê tông cốt thép toàn khối trục công trình là nhà ở tập thể 5 tầng

Đồ án trình bày và lựa chọn giải pháp kết cấu, tính toán tải trọng, xác định nội lực và tổ hợp nội lực, tính toán và bố trí thép khung trục 3; cấu tạo nút khung dành cho nhà ở tập thể 5 tầng. Mời các bạn cùng tham khảo!

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

A-NỘI DUNG: 2

B-SỐ LIỆU THIẾT KẾ: 2

I-LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU: 2

I-1.HỆ CHỊU LỰC KHUNG TOÀN KHỐI 2

I-2.CHỌN VẬT LIỆU SỬ DỤNG: 4

I-3.SƠ BỘ TIẾT DIỆN: 4

I-4 LẬP SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG NGANG: 9

II TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG 10

II.1.CƠ SỞ XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG: 10

II.2.TĨNH TẢI VÀ HOẠT TẢI PHÂN BỐ TRÊN 1m SÀN 11 2 II.3 TẢI TRỌNG TRUYỀN VÀO KHUNG: 16

II.4.TẢI TRỌNG GIÓ: 24

III XÁC ĐỊNH NỘI LỰC VÀ TỔ HỢP NỘI LỰC 28

III-1.TỔ HỢP TẢI TRỌNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM 28

III-2.XÁC ĐỊNH NỘI LỰC 28

III-3 KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG 33

III-4 TỔ HỢP NỘI LỰC KHUNG PHẲNG THEO TCVN 35

IV TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THÉP KHUNG TRỤC 3 41

IV-1.TÍNH TOÁN THÉP DẦM 41

IV-2.TÍNH TOÁN THÉP CỘT 55

V CẤU TẠO NÚT KHUNG: thể hiện trong bảng vẽ 65

- Quy chuẩn xây dựng Việt Nam.

- TCVN 2737 - 1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế

- TCVN 5574 - 2012: Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế

- Các tiểu chuẩn quy phạm hiện hành có liên quan

I-LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU:

I-1.HỆ CHỊU LỰC KHUNG TOÀN KHỐI

1/Khái niệm chung

 Kết cấu khung là hệ thanh bất biến hình nối với nhau bằng các nút cứng hoặc khớp.Khung bê tông cốt thép được dùng rộng rãi và là kết cấu chịu lực chủ yếu của nhiều loạicông trình

 Có nhiều cách phân loại khung, theo phương pháp thi công người ta chia ra thành 2loại:

+ Khung Toàn khối:

 Ưu điểm : Độ cứng ngang lớn, chịu tải trọng động tốt

Việc chế tạo các nút cứng tương đối đơn giản

 Nhược điểm : Thi công phức tạp, khó cơ giới hóa

Chịu ảnh hưởng thời tiết, thi công chậm

+ Khung lắp ghép:

 Ưu điểm : Các cấu kiện được chế tạo tại phân xưởng nên dễ kiểm tra chất lượng.

Thi công nhanh, dễ cơ giới hóa

 Nhược điểm : Độ cứng của kết cấu không lớn

Thực hiện các mối nối phức tạp, nhất là các nút cứng

 Hệ khung trong nhà là một hệ không gian Tuỳ trường hợp cụ thể mà có thể tínhkhung phẳng hoặc khung không gian

+ Với nhà khá dài, khung đặt theo phương ngang nhà sẽ được xem như các khungphẳng.Các khung phẳng được giằng với nhau bởi các dầm dọc

+ Khi mặt bằng của nhà vuông hoặc gần vuông, gió và các tải trọng ngang khác tácdụng theo phương bất kỳ , khi đó khung được tính như một hệ không gian

Phương án lựa chọn: KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP TOÀN KHỐI (tính theo khung

phẳng)

2/Phương pháp thiết kế kết cấu sàn và mái

Sàn được đổ toàn khối với hệ khung, nhằm tạo độ cứng lớn cho công trình Có bố trídầm phụ cho ô sàn có diện tích lớn Mái được lợp tôn, kết cấu chịu lực của mái là xà gồ

và dầm xiên với độ dốc 270, mái consol vươn ra trên mặt bằng một đoạn 1.0m

3/Bố trí hệ chịu lực của nhà khung

I-2.CHỌN VẬT LIỆU SỬ DỤNG:

Sử dụng bêtông cấp độ bền B20 (tương đương M250)

- Cường độ chịu nén tính toán: Rb=11,5MPa

- Cường độ chịu kéo tính toán: Rbt=0.9MPa

- Khối lượng riêng:  bt 2500daN m/ 3

- Môđun đàn hồi: E b 2.7 10 5daN cm/ 2

Sử dụng thép:

- Thép nhóm AI cho loại đường kính Ø ≤ 10(mm)

Cường độ chịu nén, kéo tính toán: RS=225MPa; RSC=225MPa

Cường độ chịu cắt khi tính toán cốt ngang: RSW=175MPa

Môđun đàn hồi: E2.1 10 6daN cm/ 2

- Thép nhóm AII cho loại đường kính Ø ≥ 12(mm)

Cường độ chịu nén, kéo tính toán: RS=280MPa; RSC=280MPa;

Cường độ chịu cắt khi tính toán cốt ngang: RSW=225MPa

- Thép nhóm AIII cho loại đường kính 10 ≤ Ø ≥ 40(mm)

Cường độ chịu nén, kéo tính toán: RS=365MPa; RSC=365MPa

I-3.SƠ BỘ TIẾT DIỆN:

+ Phạm vi truyền tải của cột để tính kích thước tiết diện:

Để xác định tiết diện cột ta chọn cột có phạm vi truyền tải lớn nhất ( tức là cột mà ở vị trí

đó có những ô sàn bao quanh có diện tích sàn lớn nhất )được thể hiện trong mặt bằng

HÌNH: DIỆN TÍCH CHỊU TẢI CỦA CỘT

BẢNG SƠ BỘ TIẾT DIỆN CỘT KHUNG TRỤC 2

Ta có: Rb 11.5MPa 1150 T / m  

Cột

n=5 S(m 2 ) (kN/m q=g+p 2 )

N=qSn (kN)

+ Kiểm tra về độ ổn định, đó là việc hạn chế độ mãnh 

0

0 31

l b

(với l0 H, b: bề rộng tiết diện, H: chiều cao tầng)

• Đối với khung nhà nhiều tầng liên kết cứng giữa dầm và cột có từ 2 nhịp trở lên, đổ

bêtông cốt thép toàn khối hệ số  0.7

- Kiểm tra độ ổn định của cột biên (250x400) tầng 1:

 Thõa mãn điều kiện về ổn định

• Với các cột còn lại việc kiểm tra ổn định được thực thiện tương tự và thể hiện ở bảng

 Như vậy ta chọn kích thước cột:

- Cột góc ở 5 tầng có tiết diện 250×250 mm

- Cột biên ở 5 tầng có tiết diện 250×300 mm

- Cột giữa ở 5 tầng có tiết diện 250×500 mm

HÌNH: MẶT BẰNG SƠ BỘ TIẾT DIỆN DẦM, CỘT

HÌNH: SƠ ĐỒ CHỌN TIẾT DIỆN KHUNG TRỤC 3

I-4 LẬP SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG NGANG:

Tính khung ngang được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương cạnh ngắn của công trình ( phương có độ cứng và độ ổn định kém hơn )

Mô hình hóa kết cấu khung thành các thanh đứng (cột) và các thanh ngang (dầm), liên kết cứng với nhau tại các nút và liên kết giữa cột với móng là ngàm tại mặt móng

Khung được tính theo sơ đồ đàn hồi, để đơn giản lấy nhịp tính toán bằng nhịp kiến trúc, ta có sơ đồ tính:

- Hệ số tin cậy lấy theo bảng 1, trang 10 TCVN 2737 – 1995.

- Trọng lượng riêng của các thành phần cấu tạo sàn theo “ Sổ tay thực hành kết cấu

công trình ” – PGS.PTS.Vũ Mạnh Hùng

II.2.TĨNH TẢI VÀ HOẠT TẢI PHÂN BỐ TRÊN 1 m SÀN 2

HÌNH: MINH HỌA CÁC LỚP CẤU TẠO SÀN

+ Đối với sàn thường xuyên tiếp xúc với nước ( sàn vệ sinh,…) thì cấu tạo sàn còn có thêm lớp chống thấm

: tải trọng tính toándaN m/ 2

Lớp vữalót

5

Đườngống, thiếtbị

Tổng tĩnh tải

Tổng

TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN BAN CÔNG, LÔGIA

Tổng tĩnh tải

TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN SÀN VỆ SINH Loại tải

TẢI TRỌNG MÁI Loại tải

daN / m2

T ttg

daN / m2

ttp

☼ Nhịp AB ở các tầng là hành lang nên không có tường xây bên trên.

HÌNH: SƠ ĐỒ TRUYỀN TẢI CỦA SÀN LÊN DẦM

☼ Lực tập trung tại nút khung đà kiềng:

1 t

G g  L 10.224 4 40.896 kN 

5Lực tập trung tại nút A:

 

1 1.3 0.7 24.846 1.3 0.7 2 1.1 25 0.2 0.3 0.1 4

☼Tải trọng truyền vào dầm mái:

Tĩnh tải trên mái đưa về phân bố đều:

Lực tập trung tác dụng lên nút khung

Lực phân bố trên dầm tầng:

Nhịp A-B: do sàn S1 truyền vào dạng tam giác: P AB P tt2.6 2.4 2.6 6.24(   kN m/ )

Nhịp B-C: do sàn S2 truyền vào dạng hình thang: P BC P tt 4 2.4 4 9.6(  kN m/ )

Nhịp C-D: do sàn S2 truyền vào dạng tam giác: P CD P tt3.2 2.4 3.2 7.68(   kN m/ )

Hoạt tải trên mái đưa về phân bố đều:

HÌNH: SƠ ĐỒ HOẠT TẢI 2kN;kN / m

HÌNH: SƠ ĐỒ HOẠT TẢI 3kN;kN / m

- W : giá trị áp lực gió tiêu chuẩn theo phân vùng áp lực gió theo TCVN 2737-19950Công trình xây dựng thuộc vùng II; Theo TCVN 2737-1995( bảng 5, trang 20 ) có

: hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao so với mốc chuẩn;

Mốc chuẩn để xác định hệ số k được lấy ở cao trình mặt đất tự nhiên cách mặt nền ở cốt 0.00 là 0.9(m);( tra bảng trong TCVN 2737-1995)

Hoặc: tính theo công thức A.23 TCXD 229-1999 :

g t

z = 250 (m) và mt 0.07

- C: hệ số khí động (bảng 6 TCVN 2737-1995)

•Cd 0.8( phía đón gió )

•Ch 0.6( phái khuất gió )

Tải trọng tính toán của gió truyền lên khung được tính theo công thức:

h

12

i 

,  27o

• Ce10.596(phía đón gió)

• Ce2 0.659(phía khuất gió)

Hệ số tin cậy n 1.2

B: phạm vi truyền tải

● Chọn độ sân chôn móng cách mặt đất tự nhiên( cốt -0.9) là 1m

► Kết quả tính toán áp lực gió truyền vào cột biên qi W z B

BẢNG TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG GIÓ

Chiều

cao

H t (m)

Cao trình

Z (m)

C đón C hút W đón

(kN/m 2 )

► Tải gió tác dụng lên mái:

Để an toàn hệ số k lấy ở cao trình đỉnh mái tức là Z 21.4 m  

 

t

g t

HÌNH: SƠ ĐỒ GIÓ TÁC DỤNG VÀO KHUNG – GIÓ TRÁI (kN/m)

HÌNH: SƠ ĐỒ GIÓ TÁC DỤNG VÀO KHUNG – GIÓ PHẢI (kN/m)

11III XÁC ĐỊNH NỘI LỰC VÀ TỔ HỢP NỘI LỰC

III-1.TỔ HỢP TẢI TRỌNG THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

Sử dụng chương trình tính toán kết cấu SAP2000 để tính toán nội lực cho khung với

sơ đồ phần tử dầm, cột như hình sau:

► Vì trọng lược bản thân dầm và cột khung chưa tính đến nên khi khai báo tải trọng trong chương trình tính toán kết cấu, với trường hợp tĩnh tải phải kể đến trọng lượng bản

thân của kết cấu (dầm, cột khung) với hệ số vượt tải n=1.1

KẾT QUẢ NỘI LỰC KHUNG TRỤC 3:

HÌNH: BIỀU ĐỒ BAO MÔMEN(kN.m)

HÌNH: BIỀU ĐỒ BAO LỰC DỌC(kN)

HÌNH: BIỂU ĐỒ BAO LỰC CẮT (kN)

III-3 KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG

XEM KẾT QUẢ CHUYỂN VỊ (BIẾN DẠNG) XUẤT RA TỪ SAP2000:

- khung phẳng ta chỉ xét U1(chuyển vị theo phương trục X)

- Ta xét các COMBOgây ra chuyển vị lớn

KẾT QUẢ CHUYỂN VỊ COMB5KẾT QUẢ CHUYỂN VỊ COMB4

KẾT QUẢ CHUYỂN VỊ COMB6

► Kiểm tra độ cứng:

Theo điều 2.6.3 TCVN 198-1997: Thiết kế nhà cao tầng.

Chuyển vị trí theo phương ngang tại đỉnh kết cấu của nhà cao tầng tính theo phương pháp đàn hồi phải thõa mãn điều kiện:

• f: chuyển vị ngang tại đỉnh của công trình

• H: chiều cao của công trình

Ta có COMB4 gây ra chuyển vị theo phương trục X lớn nhất

COMB4 = 1.0TT + 1.0GT

 U1 0.02660 m 

 1

U 0.02660

1.15 1.15

III-4 TỔ HỢP NỘI LỰC KHUNG PHẲNG THEO TCVN

Xác định tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất để tính toán thép cho hệ dầm-cột

: tính thép dọc cho miền trên

• | Q |max: tính thép đai cho dầm.

 Từ kết quả tính nội lực từ phần mềm SAP2000 ta xuất nội lực tại 3 mặt cắt của phần tử dầm (2 tiết diện đaầu dầm và 1 thiết diện giữa dầm)

• Mặt cắt giữa dầm: tính thép nhịp của dầm.

• Hai mặt cắt ở 2 đầu dầm: tính thép gối của dầm.

☼ Đối với cột: ta tiến hành tổ hợp nội lực cho 2 tiết diện (một tiết diện chân cột và

một tiết diện đỉnh cột) Ta xuất nội lực của các COMBO trong phần mềm SAP

max

M

và Ntư min

Tiết diện

IV TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THÉP KHUNG TRỤC 3

• Sử dụng bê tông cấp độ bền B20 (tương đương M250)

- Cường độ chịu nén tính toán: Rb=11,5MPa

- Cường độ chịu kéo tính toán: Rbt=0.9MPa

- Khối lượng riêng:  bt 2500daN m/ 3

- Môđun đàn hồi: E b 2.7 10 5daN cm/ 2

- Hệ số làm việc của Bêtông  b 1

• Sử dụng thép:

- Thép nhóm AI cho loại đường kính Ø ≤ 10(mm)

Cường độ chịu nén, kéo tính toán: RS=225MPa; RSC=225MPa

Cường độ chịu cắt khi tính toán cốt ngang: RSW=175MPa

Môđun đàn hồi: E S 2.1 10 6daN cm/ 2

- Thép nhóm AII cho loại đường kính Ø ≥ 12(mm)

Cường độ chịu nén, kéo tính toán: RS=280MPa; RSC=280MPa;

Cường độ chịu cắt khi tính toán cốt ngang: RSW=225MPa

- Thép nhóm AIII cho loại đường kính 10 ≤ Ø ≥ 40(mm)

Cường độ chịu nén, kéo tính toán: RS=365MPa; RSC=365MPa

IV-1.TÍNH TOÁN THÉP DẦM

Đối với dầm tính toán tại 3 tiết diện (hai gối và giữa nhịp), chọn mômen lớn nhất ở nhịp Mmaxvà ở gối M , min | Q |maxđể tính toán cốt thép.

Đối với dầm, sàn đổ toàn khối, khi tác dụng của mômen gây nén cho bản cánh thì ta

kể đến ảnh hưởng của bản cánh trong tính toán và khi bản cánh chịu kéo thì bỏ qua ảnh hưởng của bản cánh

+ Tính  : m m b 02

M

R b.h

 Nếu   m R  Tăng kích thước tiết diện (tăng chiều cao h)

Nếu  m R Tra bảng hoặc tính  0.5 1  1 2. m

+ Tính A : S S

S 0

MA

A100%

b.h

  

phải đảm bảo  min với min 0.1%

- Với tiết diện có cánh nằm trong vùng nén tính toán theo tiết diện chữ T:

+ Xác định vị trí trục trung hòa: Mf R b' h ' hb f f  0  0.5h 'f

Trường hợp M M f : Trục trung hòa qua cánhTrường hợp M M f : Trục trung hòa qua sườn

Trường hợp trục trung hòa đi qua cánh

 Tính theo tiết diện chữ nhật b ' hf

Bề rộng vùng cánh b'f 2SCb

Với S là độ vươn của cánh lấy giá trị nhỏ nhất trong các giá trị sau:C

+

1L

6 (L: nhịp dầm)+ 6h 'f

+ 1/2 khoảng cách thông thủy giữa các dầm dọc

Trường hợp trục trung hịa đi qua sườn

 Tính theo tiết diện chữ T

Nếu   m R  Tăng kích thước tiết diện (tăng chiều cao h)

Nếu    Tra bảng hoặc tính m R   1 1 2. m

A100%

b.h

  

phải đảm bảo  min với min 0.1%

- Khi chiều cao của dầm h d 600mm thì ta đặt thêm cốt thép phụ vào mặt bên của tiết

diện dầm Các cốt thép này chịu các ứng suất do co ngĩt, nhiệt độ và giữ cho khung cốt thépkhơng bị lệch khi thi cơng

Cốt thép dọc trong dầm được tính tốn dựa trên cơ sở lý thuyết trên và được lập thành bảng tính sau:

BẢNG TÍNH CỐT THÉP DỌC DẦM KHUNG

Ký Mặt cắt M h b a α m A s Thép A ch (%)(%) hiệu

(Tr Ph) (KNm) (mm)

-(mm )

(mm ) (mm 2 ) chọn (mm 2 )

Ký Mặt cắt M h b a α m A s Thép A ch (%) hiệu (Tr - Ph) (kNm) (mm) (mm ) (mm ) (mm 2 ) chọn (mm 2 )

Goái 0.000 300 250 40 0 0 2Ø12 226 0.348

IV-1.2 TÍNH TOÁN CỐT THÉP ĐAI

Kiểm tra điều kiện khả năng chịu cắt của bêtông:

min  3 1  0

+ Nếu Q bmin Q không cần tính toán cốt thép đai, chỉ đặt cốt ngang theo cấu tạo.

+ Nếu Q bmin Q cần tính toán cốt thép đai.

Đối với bêtông nặng lấy b3 0.6, tính toán với tiết diện chữ nhật bỏ qua ảnh hưởng của cánh lấy f 0, bỏ qua ảnh hưởng lực dọc lấy n  0

TÍNH TOÁN CỐT ĐAI KHI KHÔNG ĐẶT CỐT XIÊN

Đối với bêtông nặng lấy b2  2

- Khoảng cách lớn nhất giữa 2 cốt đai là:

Đối với bêtông nặng lấy b4  1.5

- Khoảng cách cốt đai lấy theo yêu cầu cấu tạo như sau:

Đoạn dầm gần gối lấy bằng

1

4 nhịp khi dầm chịu tải trọng phân bố đều, lấy bằng

khoảng cách từ gối đến lực tập trung dầm đầu tiên (nhưng không bé hơn

ct

h

- Khoảng cách đai thiết kế: s tk mins s s tt; ;ct max

- Kiếm tra khả năng chịu ứng suất nén chính trên bụng dầm:

(m m)

(m m)

560 300(1 ) 55.508 10 (1 )

IV-1.3 KIỄM TRA ĐỘ VÕNG DẦM KHUNG

® Kiểm tra độ võng và khe nứt theoTCVN 5574 - 2012

Chọn cấu kiện tính toán là cấu kiện dầm số 8, với các số liệu như sau:

Tính  '

A  bh   A  A

4 s

3 b

xh 0.481 560 269.36 mm 

8 4 bo

☼ Độ võng ở giữa nhịp do toàn bộ tải trọng tác dụng ngắn hạn 1

6 1

0 b.ser

4 s

3 b

3 s

0 ' f

f 7.78; 8.97 10  0.152

r h z E A E A

560 527.04 21 10 1256 27 10 499801.222 10 (1/ mm)

  đối với bê tông nặng; M2 90.35kNm

Tính s với  ls 0.8 do tải dài hạn:

6 bt.ser pl

Cột tính theo cấu kiện chịu nén lệch tâm đặt cốt thép đối xứng

Từ bảng tổ hợp nội lực chon các cặp nội lực sau để tính toán:

Riêng tại chân cột tổ hợp thêm Qtư là để tính móng

IV-2.1 CHUẨN BỊ SỐ LIỆU TÍNH TOÁN

- Tra các số liệu R , b R , bt R , S R , SC  , R E , S E , tính b

S b

EE

 

- Tính độ lệch tâm tĩnh học 1

MeN



- Tính độ lệch tâm ngẫu nhiên

a

L600e

h30

+ Với kết cấu siêu tĩnh e0 max e ,e 1 a

+ Với kết cấu tĩnh định e0  e1 ea

- Xác định chiều dài tính toán l0 0.7H

- Giả thiết các giá trị a a '  h0  h a, Za h0 a '

- Tính hệ số uốn dọc th

1N1N

0.2 1.051.5

l : chiều dài tính toán của cấu kiện

ES, Eb: môđun đàn hồi của cốt thép, bêtông

I : mômen quán tính của tiết diện bêtông

0 2 0

+ Diện tích cốt thép được tính theo công thức:

0.5'

b

00.1% khi l 10

b

00.2%khi l 24

b

00.25%khi l 31

+ Khoảng cách của cốt đai s

• Trong đoạn nối chồng cốt thép dọc: s10min 10 16 160  mm chọn100

s 

• 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

toán từ biểu thức sau đây: max ; ;450  

Và trong đoạn l cốt đai được bố trí dày hơn Khoảng cách đai bố trí trong vùng cr

bố trí mỗi bên

-8.7 -34 81.162

CẮT CỐT THÉP CHO DẦM:

VỊ TRÍ CẮT CỐT THÉP CHỊU M VÀ- M + CHO DẦMTrong đó:

V CẤU TẠO NÚT KHUNG: thể hiện trong bảng vẽ

Tại mép dầm cốt thép phía dưới được kéo và neo vào một đoạn lS được lấy như sau:

- Nếu trong bảng tổ hợp nội lực dầm hoặc trong biểu đồ bao momen không xuất hiện

momen dương tại mép cột thì l S 15maxvà 200mm

- Trường hợp trong bảng tổ hợp nội lực dầm hoặc trong biểu đồ bao momen có momen

dương thì chiều dài đoạn lS thay bằng lan Giá trị lan được tính bằng công thức sau:

S

b

R l