CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ KHUNG TRỤC
5.1. Mô hình công trình
Hình 5. 1 Mô hình không gian kết cấu công trình
Hình 5. 2 Mặt bằng sàn tầng điển hình
Giới thiệu, mô tả kết cấu
Phân tích các hệ kết cấu chịu lực nhà cao tầng:
Hệ chịu lực chính của công trình là hệ khung chịu lực, cột chịu tải trọng đứng là chủ yếu. Sàn đƣợc coi là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng ngang, đƣợc chia nhỏ thành nhiều ô bản bởi các dầm chính và dầm phụ.
Căn cứ vào sơ đồ làm việc thì kết cấu nhà cao tầng có thể phân loại nhƣ sau:
Các hệ kết cấu cơ bản: kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực, kết cấu lõi vách.
Các hệ kết cấu hỗn hợp: kết cấu khung-giằng, kết cấu khung-vách.
Các hệ kết cấu đặc biệt: hệ kết cấu có tần cứng, hệ kết cấu có dầm truyền, hệ kết cấu có hệ giằng liên tầng và hệ kết cấu có khung thép.
Hệ khung: đƣợc cấu thành bởi các cấu kiện dạng thanh (cột,dầm) liên kết cứng với nhau tại nút. Hệ khung có khả năng tạo ra không gian tương đối lớn và linh hoạt với những yêu cầu kiến trúc khác nhau. Sơ đồ làm việc rõ ràng, tuy nhiên khả năng chịu uốn ngang là một hệ thanh bất biến hình, là kết cấu rất quan trọng trong công trình vì nó tiếp nhận tải trọng sử dụng từ sàn rồi truyền xuống móng. Theo phương pháp thi công có các loại khung toàn khối, khung lắp ghép. Theo sơ đồ kết cấu gồm có khung hoàn toàn và khung không hoàn toàn.Trong thiết kế và xây dựng nhà cao tầng, việc lựa chọn hệ kết cấu chịu lực hợp lý phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ chiều cao, giải pháp kiến trúc,... Để đảm bảo độ cứng, hạn chế chuyển vị ngang, tránh mất ổn định tổng thể cần hạn chế chiều cao và độ mảnh. Căn cứ vào giải pháp thiết kế ở Chương 2, công trình sử dụng hệ kết cấu khung – lõi bê tông cốt thép chịu lực chính với sơ đồ làm việc dạng khung - giằng, lõi đƣợc đặt trong mặt bằng của công trình. Hệ dầm - sàn các tầng được gối trực tiếp vào tường lõi hoặc qua các cột trung gian. Phần trong lõi đƣợc dùng để bố trí thang máy. Đƣợc tạo thành từ các cấu kiện dạng thanh nhƣ cột, dầm, liên kết cứng tại các nút tạo thành hệ khung không gian dọc theo các trục lưới cột trên mặt bằng nhà. Nhiệm vụ chính của hệ khung là nhận tải trọng đứng từ các kết cấu ngang (dầm - sàn) sau đó truyền xuống móng. Ngoài ra hệ khung còn tham gia chịu tải trong ngang và tăng độ cứng tổng thể của công trình. Đây là công trình thuộc dạng khung chịu lực. Theo phương ngang: hệ cột và các dầm sàn ngang tạo thành khung ngang. Theo phương dọc hệ cột và các dầm dọc tạo thành các khung dọc. Các khung ngang và khung dọc tạo thành khung không gian.
Hệ lõi: hệ lõi gồm 2 lõi cứng bố trí trong mặt bằng nhà. Nhiệm vụ chính của hệ lõi là tiếp nhận và chịu phần lớn tải trọng ngang tác dụng vào công trình.Để phản ánh gần đúng sự
Phần ngầm: công trình có 1 tầng hầm với chiều sâu của tầng hầm là -3(m) nên bao quanh công trình ta sử dụng hệ thống tường chắn đất để chống lại áp lực ngang của đất và nước tác dụng lên công trình.
Nhận xét tổng quan về công trình: hệ chịu lực chính là khung không gian kết hợp với lõi, công trình có chiều cao trên 40 m nên có sự ảnh hưởng thành phần gió động của tải trọng gió.
Công trình khu chung cƣ gồm 1 tầng hầm, 13 tầng lầu và 1 tầng mái, có tổng diện tích mặt bằng S = ab = 21,629,1 = 628,56 (m2). Ở bài này kết cấu khung em chọn giải pháp tính khung không gian.
Bố trí hệ chịu lực công trình:
Dựa vào các phân tích nhƣ ở trên và đặc tính cụ thể của công trình em chọn hệ khung - lõi thang làm hệ chịu lực chính của công trình. Phần lõi thang của kết cấu là bộ phận chịu tải trọng ngang chủ yếu. Hệ sàn đóng vai trò liên kết giữa lõi và hệ cột trung gian nhằm đảm bảo sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu. Bố trí mặt bằng kết cấu phù hợp với yêu cầu kiến trúc và yêu cầu kháng chấn cho công trình.
Lựa chọn phương pháp tính toán: trong các phương pháp kể trên, phương pháp phần tử hữu hạn hiện đƣợc sử dụng phổ biến hơn cả do những ƣu điểm của nó cũng nhƣ sự hỗ trợ đắc lực của một số phần mềm phân tích và tính toán kết cấu SAFE, ETABS, SAP, STAAD…dựa trên cơ sở phương pháp tính toán này.
Lƣa chọn công cụ tính toán:
Phần mềm ETABS v9.7.4: dùng để giải phân tích động cho hệ công trình bao gồm các dạng và giá trị dao động, kiểm tra các dạng ứng xử của công trình khi chịu tải trọng động đất.Do ETABS là phần mềm phân tích, thiết kế kết cấu chuyên cho nhà cao tầng nên việc nhập và xử lý số liệu đơn giản và nhanh hơn so với các phần mềm khác.
Phần mềm Microsoft Office 2010: dùng để xử lý số liệu nội lực từ các phần mềm SAP, ETABS xuất sang, tổ hợp nội lực và tính toán tải trọng, tính toán cốt thép và trình bày các thuyết minh tính toán.
Lựa chọn kết cấu
Tiết diện sơ bộ của kết cấu được chọn ở chương 2 và được tóm lại trình bày như sau:
Kích thước sơ bộ của kết cấu Kích thước (mm)
Biên Hầm – trệt – lửng - 2 500x500
Cột
3-6 450x450
7-10 400x400
11- ST 350x350
Giửa
Hầm – trệt – lửng - 2 550x550
3-6 500x500
7-10 450x450
11- ST 400x400
Dầm
Dầm chính 250x500
Dầm phụ 200x400
Vách 250
Sàn tầng điển hình 120
Bảng 5. 1 Tiết diện của kết cấu
Mô hình công trình
Từ trình đơn Start > Programs > ETABS 9.7.1> ETABS
Chú ý: Chọn đơn vị đo KNm
Khởi động mô hình:
Tạo file mới: NewNewModel Hộp thoại New Model Initialization xuất hiện: chọn Default.ebd
Hình 5. 3 Khởi động mô hình
Hình 5. 4 Chọn số đường lưới
Hình 5. 5 Đặt tên trục đường lưới Xác định kích thước, cấu tạo của nhịp, chiều cao tầng.
Hộp thoại Building Plan Grid System and Story Data Definition xuất hiện. Khai báo các giá trị nhƣ sau:
Number Line in X Direction: 10 (số đường lưới trên trục X)
Number Line in Y Direction: 4 (số đường lưới trên trục Y)
Spacing in X Direction: 7,1 (khoảng cách các đường lưới trên trục X)
Spacing in Y Direction: 6,4 (khoảng cách các đường lưới trên trục Y)
Number of Stories: 15 (số tầng)
Typical Story Height: 3,3 (chiều cao tầng điển hình)
Bottom Story Height: 3 (chiều cao tầng dưới cùng)
Click chọn Custom Gird SpacingEdit Gird… Hộp thoại Define Grid Data xuất hiện,
click chọn Spacing rồi nhập giá trị nhƣ hình trên,Click chọn Grid Labels…Hộp thoại Grid Labeling Options hiện ra, khai báo các giá trị nhƣ hình.
Hình 5. 6 Khoảng cách giữa các đường lưới Tiếp tục click Custom Story Data Edit Story Data.
Hôp thoại Story Data xuất hiện.
Tại cột Label khai báo lại tên các tầng theo đúng bản vẽ kiến trúc.
Tại cột Height khai báo lại chiều cao tầng theo đúng bản vẽ kiến trúc.
Tại cột Elevation khai báo lại cao độ tầng hầm (Base) theo đúng bản vẽ kiến trúc.
Lưu fileChọn FileSave hoặc nhấp vào biểu tượng hộp thoại Save Model File As cho phép chọn thư mục để lưu và đặt tên file.
Định nghĩa đặt trƣng vật liệu: chọn DefineMaterial Properties hoặc nhấp vào biểu tƣợng xuất hiện hộp thoại Define Materials.
Vật liệu đƣợc sử dụng cho công trình là Bê tông B25 có các đặc trƣng sau:
Trọng lƣợng riêng của dầm, sàn, cột, vách máy tự tính
Khối lƣợng riêng ( Mass per unit Volume ) 2,5
Trọng lƣợng riêng ( Weight per unit Volume) 25
Modul đàn hồi ( Modulus of Elasticity ) 3e7 (B25)
Hệ số poisson‟s ( Poisson‟s Ratio ) 0,2
Hệ số giãn nở nhiệt (Coeff of Thermal Expansion 0
Bảng 5. 2 Các thông số B25 Chọn Add New Material…
Hình 5. 7 Khai báo vật liệu Click Ok đóng hộp thoại Material property Data.
Click Ok đóng hộp thoại Define Material.
Định nghĩa tiết diện:
Định nghĩa thiết diện dầm,cột: DefineFrame Sections hoặc nhấp vào biểu tƣợng
trên thanh công cụ xuất hiện hộp thoại Define Frame Properties.
Hình 5. 8 Định nghĩa tiết diện Hộp thoại DefineFrame Properties xuất hiện. Tại dòng Add I/Wide Flange chọn Add
Định nghĩa tiết diện dầm: khai báo tiết diện dầm kích thước 250x500: nhập số liệu như
hình.
Section Name: D250x500 – Material: B25
Depth (t3): 0,5 – With (t2): 0,25
Hình 5. 9 Khai báo tiết diện dầm
Để khai báo tiết diện dầm thì chọn “beam” còn khai báo tiết diện cột thì chọn “column” để hiểu đúng sự làm việc. Ta sẽ khai báo những tiết diện dầm sau cho công trình DAM
250x500, D200x400, D200x300.
Định nghĩa tiết diện cột: khai báo tiết diện cột kích thước 550x550 nhập số liệu như hình Section Name: C55x55 – Material: B25
Depth (t3): 0,55 – With (t2): 0,55
Hình 5. 10 Khai báo tiết diện cột
Ta sẽ khai báo tất cả các tiết diện cột cho công trình: C550x550, C450x450…
Hình 5. 11 Toàn bộ tiết diện dầm, cột công trình.
Định nghĩa tiết diện sàn: DefineWall/Slab/Deck Sections hoặc nhấp chuột vào biểu
tƣợng xuất hiện hộp thoại Define Wall/Slab/Deck Sections.
Click chọn SLABModify/Show Section..., hộp thoại Wall/Sab Section xuất hiện, nhập
số liệu nhƣ hình:
Hình 5. 12 Khai báo tiết diện sàn Section Name: S12 (Sàn 120)
Material: B25
Membrane: 0,12
Bengding: 0,12
Tương tự ta khai báo cho sàn tầng hầm 200
Click OK để đóng hộp thoại, tiếp tục click vào Wall1 ⇒ Modify/Show Section... để khai báo tiết diện vách.
Định nghĩa tiết diện vách thang máy, vách tầng hầm, tường: Define > Wall/Slab/Deck
Sections hoặc nhấp chuột vào biểu tƣợng xuất hiện hộp thoại Define Wall/Slab/Deck Sections.
Hình 5. 13 Khai báo tiết diện vách
Hình 5. 14 Toàn bộ tiết diện sàn, vách thang máy, vách tầng hầm.
Xây dựng mô hình:
Đối với nhà cao tầng ta vẽ vách cột trước dầm sàn sau.
Chọn DrawDraw Point Objects Hoặc nhấp chuột vào biểu tƣợng , Sau đó vẽ các
điểm.
Hình 5. 15 Sử dụng Draw Point Object vẽ các điểm
Vẽ vách thang: Chọn DrawDraw Line ObjectsCreate Walls in Region or at Click
(Plan) Hoặc nhấp chuột vào biểu tƣợng , lần lƣợt vẽ vách
Hình 5. 16 Vẽ vách thang
Hình 5. 17 Vách lõi thang máy Gán tên cho vách:
Click vào menu Selectchọn by Area Object Type... Hộp thoại Select Area Object Type
xuất hiện, chọn Wall ⇒OK.
Click vào menu AssignShell/AreaPier Label... Hộp thoại Pier Names xuất hiện, gán
tên vách là P1, P2, P3, P4, P5...⇒OK.
Vẽ Lanh tô trước cửa thang máy: DrawDraw Line ObjectsCreate Walls in Region or
at Click (Plan). Hoặc nhấp chuột vào biểu tƣợng , sau đó chọn chức năng Spandrel rồi
tùy chỉnh chiều cao lanh tô ở mục Depth above (vẽ lên trên) hoặc Depth below (vẽ xuống
dưới).
Hình 5. 18 Lanh tô cửa thang máy
Vẽ cột: ta ẩn một số đường lưới phụ và phần tử vách vừa vẽ. Click vào menu View/Set
Building View Options... hộp thoại Set Building View Options xuất hiện, click bỏ Wall
(Area)
Chọn DrawDraw Line ObjectsCreate Columns in Region or at Clicks (Plan). Hoặc nhấp chuột vào biểu tƣợng , lần lƣợt vẽ cột.
Hình 5. 20 Vẽ cột trên mặt bằng
Hình 5. 21 Cột khung trục C
Vẽ dầm: Chọn DrawDraw Line ObjectsCreate lines in Region or at Clicks
(Plan,elev,3D). Hoặc nhấp chuột vào biểu tƣợng , lần lƣợt vẽ dầm.
Hình 5. 22 Dầm khung trục C
Vẽ sàn: Click chọn 1 điểm từ góc bên trái đến góc bên phải để tạo thành khung cửa sổ chữ nhật bao trùm các vị trí sàn. Chọn DrawDraw Area ObjectsCreate Areas at Click
(Plan, Elev). Hoặc nhấp chuột vào biểu tƣợng , lần lƣợt vẽ sàn.
Chia phần tử sàn (Chia ảo sàn):
Click vào menu Selectchọn by wall/slab... Hộp thoại Select Sections xuất hiện, chọn
chọn SAN 120OK.
Click vào menu AssignShell/AreaArea Object Mesh Options... Hộp thoại Area
Object Auto Mesh Options xuất hiện.
Chọn chế độ Auto Mesh Object into Structural ElementsChọn Futher Subdivide
AutoMesh with Maximum Elemen Size of nhập giá trị là 1.
Hình 5. 23 Chia ảo sàn Click vào menu Selectchọn by wall/slab... Hộp thoại Select Sections xuất hiện, chọn
chọn SAN 120OK
Hình 5. 24 Mặt bằng sàn sau khi chia ảo Tạo liên kết giữa sàn và vách cứng
Hình 5. 25 Tạo liên kết giữa sàn và vách cứng Khai báo sàn tuyệt đối cứng
Rê chuột qua góc dưới bên phải chọn chế độ One Story
Click vào lần lƣợt duy chuyển xuống tầng trệt
Click vào menu Selectchọn by wall/slab... Hộp thoại Select Sections xuất hiện, chọn
chọn SAN 120OK
Click vào menu AssignShell/AreaDiaphragms... Hộp thoại Assign Diaphragms xuất hiện.
Hình 5. 26 Gán tâm cứng sàn Chọn D1OK để đóng hộp thoại.
Sau khi khai báo sàn tuyệt đối cứng. Kiểm tra lại vào menu View/Set Building View
Options chọn Diaphragm Extent
Hình 5. 27 Tâm cứng sàn sau khi khai báo Chia ảo dầm cột tại vi trí giao nhau
Nhấp vào biểu tƣợng để chọn tất cả đối tƣợng vùng.chọn AssignFrame/Line
Automatic frame subdivide
Hình 5. 28 Chia ảo dầm, cột tại vị trí giao nhau Auto Mesh at Intermediate Points: chia nhỏ phần tử chọn tại những điểm nằm dọc phần tử. Auto Mesh at Intermediate Points and Intermediat Lines/Edges: chia nhỏ phần tử chọn tại những điểmnằm trên phần tử tại những điểm của các phần tử giao nhau,mặc định etabs
chia nhỏ phần tử trong quá trình phân tích tính toán nội lực.
No Auto Meshing: etabs không chia nhỏ phần tử đã đƣợc chọn trong quá trình phân tích tính toán nội lực.
Tự động đáng lại nhãn tất cả các đối tƣợng
Chọn EditAuto Relabel All hộp thoại Etabs
Hình 5. 29 Tạo lại nhãn cho đối tƣợng Khai báo số mặt cắt đƣa ra kết quả nội lực
Chọn Select by Frame Sections… sau đó chọn AssignFrame/LineFrame Output
Station hộp thoại Assign Output Station Spacing
Hình 5. 30 Chọn tiết diện dầm
Hình 5. 31 Xuất dầm 3 mặt cắt
Hình 5. 32 Chọn tiết diện cột
Hình 5. 33 Xuất cột hai mặt cắt Khai báo bậc tự do cho phép
Click vào menu Analyze Set Analysis Option…
Hộp thoại Analysis Options xuất hiện
Hình 5. 34 Chọn bậc tự do cho hệ Click chọn Full 3D.
Click Ok để đóng hộp thoại Analysis Options.
Gán điều kiện biên cho kết cấu
Trên cửa sổ Plan View, di chuyển đến tầng hầm Base rồi chọn tất cả các chân cột.
Click vào menu AssignJoint/PointRestraints (Supports)…Hộp thoại Assign
Restraints xuất hiện.
Hình 5. 35 Gán điều kiện