CHƯƠNG 1. KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Trong quá trình viết quyển sách này , chúng tôi có tham khảo các tài liệu về kết cấu bê tông cốt thép của các tác giả trước nhằm kế thừa kiến thức đã có và bổ sung, cập nhật các nguyên l

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình “Kết cấu bêtông cốt thép – phần kết cấu nhà cửa” đượcviết ra trên cơ

sởđề cương hệ tín chỉ của môn học “ Bê tông cốt thép – phần II “ của trường Đại học Kiến trúc – Thành phố Hồ Chí Minh Trong sách này trình bày những vấn đề về tính toán và cấu tạo các kết cấu của nhà dân dụng và công nghiệp

Sách được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành xây dựng cơ bản của các trường đại học, hoặc có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế kết cấu

bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn hiện hành

Trong quá trình viết quyển sách này , chúng tôi có tham khảo các tài liệu về kết cấu

bê tông cốt thép của các tác giả trước nhằm kế thừa kiến thức đã có và bổ sung, cập nhật các nguyên lý tính toán mới để phục vụ bạn đọc

Sách gồm sáu chương

Trần Thị Nguyên Hảo viết chương 1,2,4,6 và là chủ biên

Đỗ Huy Thạc viết chương 3

Lê Tuấn Em viết chương 5

Với kiến thức và thời gian có hạn, tuy đã cố gắng rất nhiều trong biên soạn , song khó tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi rất mong các bạn sinh viên và bạn đọc

cảm thông và góp ý chân tình để quyển sách này ngày càng được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn Khoa Xây dựng trường Đại học Kiến Trúc đã hỗ trợ và giúp

đỡ chúng tôi hoàn thành giáo trình này

NHÓM TÁC GIẢ

CHƯƠNG 1 KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Ngày nay, kết cấu khung bê tông cốt thép sử dụng rộng rãi trong xây dựng dân công

nghiệp Đối với các công trình nhà ở và nhà làm việc, kết cấu khung cho ta mặt

bằng khá linh hoạt các không gian sử dụng vì tường ngăn các phòng không chịu lực

có thể phá bỏ chúng để mở rộng không gian hoặc xây thêm vách ngăn

Khung bê tông cốt thép có thể dùng cho nhà một tầng, nhiều tầng, một nhịp, nhiều

nhịp Khung bê tông cốt thép có thể đổ toàn khối hoặc lắp ghép từ các cấu kiện dầm

và cột Hệ lưới cột phải phù hợp với không gian kiến trúc mặt ngoài của công trình

1.1.1 KHE BIẾN DẠNG

Khe biến dạng là các khe được thiết kế đặc biệt nhằm cho phép xảy ra sự dịch

chuyển tương tối của hai phần cấu kiện kế cận nhau mà không phá hỏng tính

nguyên vẹn của kết cấu Chức năng chung của các khe biến dạng là cho phép xảy ra

khả năng dịch chuyển có thể kiểm soát được, tránh được các ứng suất có hại

– Khe nhiệt độ

Khe giữa hai cột riêng trên một bản móng chung, biến dạng chênh lệch giữa các

móng được giải quyết một phần, nếu hai khối bị biến dạng lớn thì móng này trở

thành khớp

Khoảng cách giữa hai khe phụ thuộc vào loại kết cấu chịu lực và kết cấu tường

ngoài của nhà Với hệ kết cấu khung vách BTCT:

+ Khoảng cách giữa 2 khe co giãn là 45m nếu tường ngoài là liền khối

+ Khoảng cách giữa 2 khe co giãn là 65m nếu tường ngoài là lắp ghép

Đối với kết cấu bê tông cốt thép thường và kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước có

yêu cầu chống nứt cấp 3, cho phép không cần tính toán khoảng cách nói trên nếu

chúng không vượt quá trị số trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Khoảng cách lớn nhất giữa các khe co giãn nhiệt cho phép không cần tính toán, m

Trong đất Trong nhà Ngoài trời

Bê tông

Toàn khối

có bố trí thép cấu tạo 30 25 20 không bố trí thép cấu

Bê tông

cốt thép

Khung lắp ghép nhà một tầng 72 60 48

Khung bán lắp ghép hoặc toàn khối 50 40 30 Kết cấu bản đặc toàn khối hoặc bán lắp

Chú thích:

Trị số trong bảng này không áp dụng cho các kết cấu chịu nhiệt độ dưới 40oC

Đối với kết cấu nhà một tầng , được phép tăng trị số cho trong bảng lên 20%

Trị số cho trong bảng này đối với nhà khung là ứng với trường hợp khung không có

hệ giằng cột hoặc khi hệ giằng đặt ở giữa khối nhiệt độ

– Khe lún

Khe lún tách rời hai cột trên hai móng riêng rẻ, giải pháp này giải quyết được triệt

để cho hai khối lún biệt lập Tuy nhiên trở nên phức tạp khi tính toán , móng tại vị

trí này bị lệch tâm rất lớn Được phép không bố trí khe lún khi công trình tựa trên

nền cọc, nền đá hoặc nền được gia cố có độ lún rất nhỏ

Móng giữa các phần nhà cao thấp khác nhau có phải tách ra hay không phải căn cứ

vào tính chất đất nền, kiểu loại móng, hình dáng của mặt bằng công trình để xử lý

cụ thể Khi đất nền rất kém, khó hạn chế được độ lún thì đành phải dùng khe lún để

tách rời móng của hai phần nhà có tầng cao thấp khác nhau

Ngược lại, khi tình hình địa chất là tương đối tốt, tính ra lún giữa các phần nhà cao

thấp là đủ độ tin cậy, trị số lún tương đối nhỏ thì có thể làm móng liền thành một

khối, không làm khe lún Khi không làm khe lún, để giảm nội lực trong kết cấu do

lún không đều gây ra, có thể làm băng đổ sau ở chỗ nối giữa nhà cao với nhà thấp,

băng đổ sau đặt ở một bên của nhà vây, bề rộng không nhỏ hơn 800mm

Hình 1.1 Khe biến dạng

– Khe kháng chấn

Trong các trường hợp sau, phải cắt nhà và công trình ra thành những khối nhà riêng

biệt (đơn nguyên) bằng các khe kháng chấn :

- Các kích thước mặt bằng công trình không thỏa mãn các điều kiện trong bảng 1.2 mà không có biện pháp tăng cường

khe luùn

khe nhieät khe luùn

- Công trình với các khu vực có số tầng chênh nhau khá lớn

- Độ cứng hoặc tải trọng của các bộ phận kết cấu chênh nhau rõ rệt mà không có biện pháp hiệu quả

Bảng 1.2 Giới hạn của L và B

Hình 1.2 Mặt bằng công trình

Bảng 1.3 Bề rộng tối thiểu của khe chống động đất (mm)

Hệ kết cấu

Cấp động đất thiết kế

Khung 4H+10 5H-5 7H- 35 10H-80

Khung-vách cứng 2,5H+9 4,2H-4 6H-30 8,5H-68 Vách

cứng

2,8H+7 3,5H-3 5H-25 7H-55

Ghi chú : H là độ cao mái của đơn nguyên thấp hơn trong các

đơn nguyên kề nhau tính bằng mét

Nếu nhà có chiều cao H ≤ 5m thì chiều rộng của khe kháng chấn không nhỏ hơn

30mm

Nếu nhà có chiều cao lớn hơn thì cứ 5m chiều cao thêm, chiều rộng của khe kháng

chấn phải tăng thêm 20mm

Khe kháng chấn phải phân chia nhà và công trình theo toàn bộ chiều cao nhưng

không nhất thiết phải xuyên qua móng ( trừ trường hợp khe kháng chấn trùng với

khe lún)

Các khe co giãn, khe lún và khe kháng chấn nên bố trí trùng nhau

Khi công trình được thiết kế kháng chấn thì khe co giãn và khe lún phải theo yêu

cầu của khe kháng chấn

Chiều rộng bé nhất của khe lún và khe kháng chấn được tính theo công thức sau:

Dmin= V1 + V2+ 20mm

Trong đó V1 và V2 là chuyển dịch ngang cực đại tại đỉnh của khối thấp hơn theo

phương vuông góc với khe lún và khe kháng chấn

1.1.2 KHÁI NIỆM NHÀ CAO TẦNG

Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế đưa ra định nghĩa nhà cao tầng như sau:

Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công

hoặc sử dụng khác với ngôi nhà thông thường thì được gọi là nhà cao tầng Căn cứ

vào chiều cao và số tầng nhà, phân ra 4 loại như sau:

- Nhà cao tầng loại 1: 9- 16 tầng (cao nhất 50m);

- Nhà cao tầng loại 2: 17- 25 tầng (cao nhất 75m);

- Nhà cao tầng loại 3: 26- 40 tầng (cao nhất 100m);

- Nhà cao tầng loại 4: 40 tầng trở lên (gọi là siêu cao tầng);

Các nước tùy theo sự phát triển nhà cao tầng của mình thường có cách phân loại kh

ác nhau Hiện nay ở nước ta đang có xu thế chấp nhận sự phân loại trên đây

Theo TARANATH B.S, đối với nhà cao tầng, hệ chịu lực bằng bê tông cốt thép

Sàn phẳng (không dầm) và cột 10

Sàn phẳng, vách cứng và cột 20

Khung cứng với dầm mở rộng vách 30

Có lõi cứng chịu lực (và cột ) 40

H ệ khung và vách cứng, dầm có vách 60

1.2 KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP TOÀN KHỐI

Hệ khung thực chất là khung không gian nhưng có thể xem như nó được tạo nên từ

những khung phẳng nối với nhau Tùy trường hợp cụ thể mà phải tính toán khung

như khung phẳng, thí dụ đối với một ngôi nhà khá dài,bước cột gần như đều nhau,

khung đặt theo phương ngang nhà, chúng phải được nối lại nhau bằng hệ dầm giằng

dọc tại các mặt khung Đối với nhà có mặt bằng vuông hoặc gần vuông , gió và các

loại tải trọng ngang khác có thể tác dụng theo phương bất kỳ, khi đó phải tính

khung như một khung không gian

1.2.1 HỆ CHỊU LỰC KHUNG

Hệ khung là hệ thanh liên kết giữa các thanh đứng (là cột), thanh ngang (là dầm) tạo

thành các nút cứng khung Điều kiện cần và đủ để khung ổn định là hệ bất biến

hình Đối với khung BTCT toàn khối nhiều nhịp , nhiều tầng là hệ siêu tĩnh Nút

cứng khung có chuyển vị, khác với ngàm cứng giũa cột với móng cao trình ngàm tại

mặt trên móng Vì vậy khi công trình không có sàn hầm và có sàn hầm cao trình

ngàm tính khung quy ước như hình 1.4

Hình 1.3.Khung bê tông cốt thép

Hình 1.4Quy ước cao trình ngàm

Mô hình tính toán khung thể hiện trục cột, trục dầm Có thể quy ước khi tỉ số L/B

>2, công trình có mặt bằng chạy dài, khung dọc nhiều nhịp hơn khung ngang nên độ

cứng khung ngang nhỏ hơn nhiều lần so với độ cứng khung dọc ,nội lực chủ yếu

gây ra trong khung ngang.Khi đó tách riêng từng khung phẳng để xác định nội lực

trong cột và dầm ngang, còn nội lực trong dầm dọc được tính như dầm liên tục

nhiều nhịp Giải pháp phân tích sơ đồ tính kết cấu như vậy chỉ phù hợp cho công

trình có bước cột theo phương dọc đều nhau, và kết quả nội lực khung phẳng ngang

sẽ lớn hơn so với kết quả nội lực của khung ngang này khi được xác lập mô hình

tính theo khung không gian

Vì vậy khái niệm khung nguy hiểm là khung ít phần tử, dựa vào số nhịp khung và

diện tích sàn truyền tải lên khung

Đà kiềng thường được xem không phải là bộ phận khung ngang(thiên về an toàn)

Tuy nhiên có ảnh hưởng nhất định đối với khung như:

• Giảm chiều dài tính toán cột→ giảm độ mảnh cột tầng trệt

• Tăng độ cứng không gian của công trình→ khắc phục lún không đều

Đà kiềng được gán vào tính khung khi có đúc bêtông sàn trệt ( công trình khu vực

nền đất yếu) Đối với công trình có sàn hầm cùng cao độ với đà giằng móng và mặt

đài ( hình 1.4) nếu gán đà giằng móng vào cao trình ngàm tính khung, thì nhịp tính

toán đà giằng không chính xác vì không kể tới kích thước đài móng

-Thiết kế theo mô hình khung phẳng ngang

Hình 1.5.Sơ đồ tính khung phẳng

- Thiết kế theo mô hình khung không gian

Hình 1.6Sơ đồ tính khung không gian

- Thiết kế theo mô hình khung tương đương : trong trường hợp sàn không dầm

Nguyên tắc cơ bản: (Theo quy phạm ACI 318 ) Đặc điểm chung của phương pháp này là kết cấu không gian 3 chiều được chia thành các khung phẳng dọc,khung phẳng ngang (hình 6.5).Mỗi khung gồm cột và bản dầm kéo liên tục qua các cột ,với đường trục khung trùng với đường trục các cột Dầm hoặc bản dầm bao gồm một phần bản sàn được giới

hạn bởi các đường tim của các ô bản liền kề với đường trục cột và kết cấu dầm hoặc mũ cột (nếu có)

Khi tính toán khung tương đương chịu tải trọng thẳng đứng,sàn và cột được tính toán riêng rẽ.Khi đó, cột được giả thiết ngàm cả đầu trên lẫn đầu dưới

Hình 1.7Sơ đồ tính khung tương đương

1.2.2 SƠ BỘ KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN

Khi chọn kích thước tiết diện các cấu kiện khung bê tông cốt thép, vì khung là hệ

siêu tĩnh, tỉ lệ độ cứng của các cấu kiện hợp lý sẽ cho sự phân phối nội lực hợp lý

giữa các bộ phận, đảm bảo sự bền vững, độ biến dạng nhỏ và dễ thi công

a Chiều dày sàn :

+ Sàn có dầm

1

45

1 40

1

L











÷

=

Có thể chọn chiều dày theo công thức kinh nghiệm sau nhằm khống chế độ võng

180

min

n Chuvibansà

+ Sàn phẳng , sàn nấm (sàn không dầm)

1

40

1 30

1

L











÷

=

b Tiết diện dầm khung :

- Chiều cao dầm khung : h

Dầm liên kết với cột: h L

12

1 14

1













÷

=

Dầm liên kết với dầm: h L

14

1 16

1













÷

=

- Chiều rộng dầm khung b h

2

1 3

1













÷

=

- Đối với tiết diện dầm bẹt (sử dụng khi kiến trúc yêu cầu giảm chiều cao tầng)

(2 3)

18

1 20 1

h b

L h

÷

=













÷

=

→ Nếu chênh lệch chiều cao h không nhiều giữa các nhịp, đồng thời kết hợp với

yêu cầu kiến trúc có thể chọn tiết diện dầm caobằng nhau

c Tiết diện cột khung :

Diện tích tiết diện cột được sơ bộ theo công thức:

b

R

N K

Trong đó

K= 1,1÷1,25 : hệ số kể tới ảnh hưởng momen trong cột

N= q S n

q= g+p (kN/m2), giá trị tải trọng đứng sơ bộtrên một m2 sàn, có

thểlấy trị số sau:

q= 0,8 ÷1 (kN/m2) đối với cao ốc văn phòng, tường là vách nhẹ

q= 1,1 ÷1,3 (kN/m2) đối với chung cư, tường là vách gạch

S (m2) diện tích sàn truyền tải lên cột khung

n : số tầng nhà

Kích thước tiết diện cột cần đáp ứng yêu cầu về chịu lực, phần tử cột nên có độ

cứng lớn hơn phần tử dầm, và đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ của kiến trúc

d Chiều dày vách : chiều dày vách được chọn theo chiều cao mỗi tầng nhà

cm h

hvach . g& 10

25

1

tan min = >

1.2.3 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG

(1) Tĩnh tải :

- Trọng lượng bản thân các lớp cấu tạo sàn,chống thấm, dầm ,cột

- Trọng lượng đường ống kỹ thuật

- Tải trọng tường xây, vách hầm, vách thang

Đối với ô sàn vệ sinh, sàn mái ngoài trọng trượng các lớp cấu tạo trên cộng thêm

trọng lượng lớp chống thấm ( vửa hồ dầu, sika, hay flinkote, )

Trọng lượng lớp chống thấm gc=10 daN/m2 , n=1,2

(2) Hoạt tải:

- Tùy theo chức năng sử dụng của sàn, giá trị tải trọng lấy theo TCXDVN

2737-1995 (xem phụ lục 1 trang 232)

(3) Tải trọng gió:

Theo TCXD 2737-1995 công trình có chiều cao H>40m, có xét thành phần động

của tải trọng gió (xem phụ lục 11; trích dẫn TCXD 229-1999)

Khi H<40m, gió tĩnh được xác định như sau

Gió tĩnh : W= W c n c k B (1.1)

Trong đó

W c : Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam,

phụ lục 10

Bảng 1.4.Giá trị áp lực gió chuẩn (tại cao độ 10m)

Vùng áp lực gió trên bản đồ I II III IV V

n : hệ số tin cậy, tùy theo tuổi thọ công trình

Bảng 1.3 Hệ số tin cậy n

Thời gian sử dụng giả định của công trình n

c : hệ số khí động

• Các mặt phẳng thẳng đứng :

Đón gió c = +0.8

Khuất gió c= -0.6

• Các mặt phẳng nghiêng góc : khi nhà có mái dốc hai phía, lấy theo TCVN 2737-1995)- bảng chỉ dẫn xác định hệ số khí động c

Hệ số α độ H/L

20

40

60

0 +0,2 +0,4 +0,8

-0,6 -0,4 +0,3 +0,8

-0,7 -0.7 -0,2 +0,8

-0.8 -0.8 -0.4 +0,8

Bảng 1.5 Hệ số khí động c khi nhà có mái dốc hai phía

Hình 1.8Sơ đồ tải gió nhà hai mái dốc

Ví dụ công trình có chiều cao H=17.1m và L=12.8m

34 , 1 8 , 12

1 ,

17 =

=

L

H

Tra bảng 1.4→Ce1= - 0,466 và Ce2= - 0,5, như vậy gió gây bốc mái

k : hệ số độ cao tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao z., ứng với dạng địa

hình t xác định theo công thức sau:

( )

2

1.844

t

m

t

z

k z

z

  (1.2)

Trong đó:

ztg – độ cao của địa hình dạng t mà ở đó vận tốc gió không còn chịu ảnh hưởng của

mặt đệm, còn gọi là độ cao gradient;

mt – số mũ tương thích với địa hình dạng t

Bảng 1.6 Độ cao gradient và hệ số m t

A

B

C

250

300

400

0.070 0.090 0.140

Địa hình A là địa hình trống trải, không có hoặc có rất ít vật cản cao không quá

1,5m( bờ biển thoáng, mặt sông ,hồ lớn, cánh đồng, )

Địa hình B là địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không

quá 10m( vùng ngoại ô ít nhà , thị trấn, làng mạc, )

Địa hình C là địa hình bị che chắn mạnh , có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m trở

lên (trong thành phố, vùng rừng rậm…)

Công trình xây dựng tại TP.HCM tra phụ lục 10 vùng gió IIA và dạng địa hình C do

vậy ,

Wo= 95-12= 83daN/m2 (vùng ít ảnh hưởng gió bão được giảm 12daN/m2

ztg = 400 ; mt = 0,14

14 , 0 2

400 844

, 1 ) (

x t

z z











=

B: bề rộng đón gió, được xác định tùy theo cách nhập tải trọng gió vào phần mềm

tính khung

• Khi gán tải vào phần tử cột thì B(m) là bước cột liền kề được gán tải, cách nhập này khá mất công vì tải gió sẽ khác nhau cho từng cột theo mỗi phương, và giữa các phương x, y có bước cột khác nhau Có thể dùng cách gán tải này nếu chúng ta chọn giải pháp tính nội lực cho khung phẳng (gán áp lực gió đẩy, gió hút vào 2 cột biên của khung)