Bài giảng Nhập môn thiết kế nhà và công trình dân dụng

Nội dung của thiết kế kết cấu xây dựng bao gồm việc tính toán các phản lực, nội lực và biến dạng do tác động của ngoại lực lên một hệ chịu lực của công trình xây dựng.. Kết quả cuối cùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

THS ĐOÀN XUÂN QUÝ

NHẬP MÔN THIẾT KẾ NHÀ VÀ CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

HÀ NỘI – 2018

ii

iii

MỞ ĐẦU

Kết cấu xây dựng là cơ kết cấu của các cấu kiện xây dựng Kết tiếng Hán (結) có nghĩa

là thắt nút, liên kết và cấu (構) có nghĩa là làm ra, tạo ra hay tác phẩm Kết cấu hoặc tĩnh học (tiếng Anh là statics, tiếng Đức là Statik) trong tiếng Hy Lạp cổ là statike (techne) có nghĩa (nghệ thuật của) cân bằng, hoặc statikos là mang lại trạng thái cân bằng Kết cấu xây dựng phục vụ việc tính toán và thiết kế công trình trong ngành xây dựng Đó là một công cụ cho việc thiết kế xây dựng và cùng với lý thuyết mô hình hóa và lý thuyết cấu kiện, nó hình thành nên lý thuyết công trình

Nội dung của thiết kế kết cấu xây dựng bao gồm việc tính toán các phản lực, nội lực và biến dạng do tác động của ngoại lực lên một hệ chịu lực của công trình xây dựng Bên cạnh tĩnh tải còn có các tác động khác: thay đổi nhiệt độ, co ngót ẩm, từ biến, biến dạng gối Lý thuyết độ bền vật liệu (ví dụ lý thuyết đàn hồi - elasticity, lý thuyết chảy - plasticity) cũng thuộc về kết cấu xây dựng Kết cấu xây dựng là cơ sở cho việc thiết kế công trình trong trạng thới giới hạn độ bền (ultra limit states - ULS) và trạng thái giới hạn làm việc (serviceability limit states - SLS)

Kết quả cuối cùng của việc thiết kế xây dựng là các bản tính kết cấu và thuyết minh chứng tỏ hệ chịu lực đã chọn thỏa mãn các tiêu chuẩn xây dựng bắt buộc

Yêu cầu cơ bản quan trọng nhất của kết cấu xây dựng cũng như cơ kết cấu là hệ chịu lực phải nằm trong trạng thái cân bằng ổn định Một phần quan trọng trong kết cấu xây dựng

là mô hình hóa hệ chịu lực mẫu từ công trình xây dựng phức tạp (ngôn ngữ trong ngành còn gọi là "bổ kết cấu") làm sao để làm sao tính toán được trong giới hạn công sức hợp lý kinh tế

Quá trình tính toán kết cấu xây dựng tiếp tục với việc xác định ngoại lực tác động Từ

đó có thể tính được các nội lực trong các cấu kiện Lực tác động sẽ được truyền qua các cấu kiện chịu lực xuống đến nền móng công trình

Môn học “Nhập môn thiết kế nhà và công trình dân dụng” được thiết kế nhằm cung cấp cho sinh viên về các nội dung thiết kế cụ thể các về nhà và công trình dân dụng, bao gồm: khái niệm, phân loại các bộ phận của các loại nhà và công trình; các khái niệm và nguyên lý thiết kế cơ bản kết cấu nhà và công trình; nội dung, phương pháp tính toán cơ bản, cấu tạo các bộ phận và kết cấu nhà và công trình

Nội dung môn học, bao gồm các phần:

Các vấn đề chung về TK nhà và CT dân dụng

Nguyên lý thiết kế KC nhà và công trình

Kết cấu nhà BTCT, Kết cấu nhà gạch đá, Kết cấu nhà thép

Kết cấu nhà gỗ và liên hợp thép – bê tông

Kết cấu các công trình chuyên dụng

Công trình dân dụng là công trình xây dựng bao gồm các loại nhà ở, nhà và công trình công cộng

Trong đó, công trình xây dựng là sản phẩm được tạo thành bởi sức lao động của con người, vật liệu xây dựng, thiết bị lắp đặt vào công trình, được liên kết định vị với đất, có thể bao gồm phần dưới mặt đất, phần trên mặt đất, phần dưới mặt nước, phần trên mặt nước, được xây dựng theo thiết kế

Nhà và công trình dân dụng bao gồm: nhà ở và các công trình công cộng

Nhà ở: nhà chung cư: cao tầng, nhiều tầng, thấp tầng, mini, hỗn hợp; nhà ở riêng lẻ: biệt thự, nhà liên kế, nhà nông thôn

Các công trình công cộng bao gồm: công trình giáo dục, công trình y tế, công trình thể tha0, công trình văn hóa, công trình thương mại – dịch vụ, công trình thông tin liên lạc – viễn thông, nhà ga, công trình dịch vụ công cộng, văn phòng – trụ sở cơ quan, c.trình công cộng khác: tín ngưỡng, trại giam, lưu trữ

Nhà chung cư

2 Trường học

2 CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU NHÀ

3

1 Móng nhà

4

2 Thân nhà

3 Mái nhà

5

4 Các bộ phận kết cấu khác (cầu thang, lanh tô, mái hắt, giằng, tường )

Cấu tạo cầu thang trong nhà

6

Chương 2: NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ KC NHÀ VÀ CÔNG TRÌNH

1 YÊU CẦU ĐỐI VỚI THIẾT KẾ KẾT CẤU

THIẾT KẾ KẾT CẤU

Tính toán và thể hiện kết cấu

Sản phẩm: hồ sơ thiết kế dùng phục vụ cho thi công

Dựa trên thiết kế kiến trúc

Dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành của nhà nước về thiết kế công trình

Thiết kế phải có tính khả thi

YÊU CẦU KỸ THUẬT

Đáp ứng được yêu cầu về hình khối và KG KT;

Đảm bảo về bền, cứng, ổn định, biến dạng bé (nứt, võng), tuổi thọ cao,…

Tính toán thiết kế với mọi tải trọng và tác động trong quá trình sử dụng và trong quá trình thi công

Phù hợp với khả năng kỹ thuật thi công

Chọn PA KC và TC thường phải cân nhắc đến loại kết cấu (toàn khối (đổ tại chỗ), lắp ghép hay nửa lắp ghép)

Sơ đồ kết cấu phải rõ ràng, phản ánh đúng sự làm việc thực tế;

KC chọn phải thiên về tính hợp lý về sự phân phối nội lực, không nên chọn KC dễ mà không hợp lý

Nên sử dụng kết cấu siêu tĩnh so với kết cấu tĩnh định

Vật liệu căn cứ theo điều kiện thực tế và yêu cầu cụ thể

Ưu tiên sử dụng các loại vật liệu có cường độ cao, bê tông ứng suất trước,…

PA kết cấu hợp lý cho tất cả các yêu cầu kỹ thuật trên:

7

PA chịu lực tốt, độ cứng cao, có tính khả thi và cho phép thi công nhanh, tuổi thọ cao YÊU CẦU KINH TẾ

Giá thành hợp lý Chủ yếu là giá vật liệu

Tiến độ thi công đảm bảo

Khi thiết kế, gắn liền thiết kế KC với TK biện pháp và tổ chức thi công

Trọng lượng bản thân xác định theo cấu tạo KT Hệ số vượt tải từ 1,05 đến 1,3

Tải trọng tạm thời (hoạt tải)

Tải trọng sử dụng trên sàn

Tải trọng cầu trục

Tải trọng gió

Hoạt tải có một phần tác dụng dài hạn

Tổ hợp tải trọng: sắp xếp vị trí của hoạt tải để tìm giá trị nội lực lớn nhất ở 1 tiết diện nào đó

Tổ hợp tải trọng

Tổ hợp tải trọng cơ bản (tổ hợp cơ bản)

Tải trọng thường xuyên

Tải trọng tạm thời ngắn hạn và dài hạn

Tổ hợp tải trọng đặc biệt (tổ hợp đặc biệt)

Tải trọng thường xuyên

Tải trọng tạm thời dài hạn, ngắn hạn

1 trong những tải trọng đặc biệt (động đất, chống cháy)

Hế số tổ hợp tải trọng đối với tải trọng thường xuyên lấy là 1; tải trọng ngắn hạn lấy 0.9 đối với tổ hợp cơ bản, 0,8 đối với tổ hợp đặc biệt (lưu ý các quy định tổ hợp tải trọng cụ thể)

Hệ số tổ hợp để xét đến khả năng tác dụng không đồng thời của tải trọng (TC nước ngoài có ý nghĩa khác)

10

W=W0nkC

W0 - giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng gió

n - hệ số độ tin cậy, thường n=1,2

k - hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình

Tính toán sơ bộ kích thước tiết diện CK

Tính toán nội lực và tổ hợp nội lực

Kiểm tra lại kích thước tiết diện

Tính toán và chọn cốt thép

Kiểm tra độ võng và khe nứt

Tính toán cấu kiện lắp ghép

Hình thành bản vẽ

Hồ sơ thiết kế

4 QUAN HỆ GIỮA THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VÀ KẾT CẤU

Quan hệ hữu cơ mật thiết

- Hình dáng, KG KT dựa trên hệ KC CT

- KG KT, loại hình KC, chiều cao KC liên quan chặt chẽ

- Dùng KC không gian hay KC phẳng ảnh hưởng đến chiều cao

- Kích thước lưới cột ảnh hưởng đến KG KT

- Ngay từ khi thiết kế KT phải quan tâm đến loại hình và khả năng chịu tải trọng và cấu tạo tương ứng

5 TÍNH KHẢ THI CỦA PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Hình dáng, kích thước tiết diện hợp lý

Thỏa mãn các yêu cầu chống thấm, ăn mòn của môi trường

12

Khoảng cách tối thiểu và tối đa thép dọc

Đường kính cốt thép thích hợp

Chú ý điểm dừng thi công

Đảm bảo neo nối, uốn cốt thép

b)

2

Φ - Sức chịu tải của nền theo phương của lực tác dụng

Kat – Hệ số an toàn, phụ thuộc loại nền và tính chất tải trọng, công trình

TTGH2 – hạn chế lún của nền: S < [S]

S < [S]

U < [U]

Móng đơn

16

Móng băng

NM

17 Móng bè

18

Móng cọc

Móng cọc đài thấp và đài cao

20

23

Nhà có kết cấu sàn phẳng

q l5

384 EJ

4 2

- Theo vât liệu: mái nhà lợp:gỗ, ngói, fibro xi măng, tôn; mái bêtông cốt thép

- Theo biện pháp thi công: mái lắp ghép, mái đổ toàn khối

- Theo cấu tạo:

+ Mái dốc: mái có độ dốc lớn như mái lợp: gỗ, ngói, tấm fibro xi măng, tôn với yêu cầu đặc biệt có thể làm bằng BTCT toàn khối, độ dốc i = 27 – 100%

+ Mái bằng: mái có độ dốc nhỏ được làm bằng BTCT toàn khối hoặc lắp ghép Thông thường có độ dốc i = 5 – 8%

(Độ dốc = tỷ lệ chiều cao mái so với chiều rộng (%) Độ dốc của mái nhà ký hiệu là i = tanga

= h/I (%), - h là chiều cao, l chiều rộng

Các lớp cấu tạo mái nhà

27

28

4.2 Kết cấu mái nhà

Tạo độ dốc cho mái bằng

a) Đặt dầm nghiêng; b) Dùng các dầm có độ cao khác nhau

30

Chọn kích thước tiết diện

- Kích thước dầm chính:

- Kích thước cột

31

(diện truyền tải từ sàn lên cột)

TẢI TRỌNG PHÂN BỐ - tải trọng tĩnh từ bản sàn lên dầm

Quy về tải trọng phân bố đều:

32

Trọng lượng bản thân dầm khung

Tải trọng tường ngăn xây trên dầm khung

Tường xây trên bản:

33

Sơ đồ tĩnh tải tác dụng lên khung

Sơ đồ hoạt tải tác dụng lên khung

TẢI TRỌNG GIÓ

34

Gió phân bố theo chiều cao khung

Gió tác dụng trên mái:

+ Gió phân bố

+ Gió tập trung

• Nội lực do từng trường hợp tải trọng

– Các phương pháp tính toán đã biết;

– Phần mềm tính toán;

– Kiểm tra mức độ chính xác;

– Thể hiện kết quả nội lực

• Tổ hợp nội lực

– Cột, lấy tại chân cột và đầu cột: Mmax, Ntư; Mmin, Ntư; Mmax, Mtư

– Dầm lấy tại 3 tiết diện: Mmin và Qmax; Mmax

Cấu tạo cốt thép trong cột

36

Các loại cầu thang

37

Cầu thang bêtông cốt thép toàn khối

a) Cầu thang bậc đúc bằng BTCT; b) Cầu thang bậc đúc liền bản bằng BTCT

Cầu thang BTCT bản lắp ghép (cấu kiện trung bình) Các bộ phận của cầu thang

38

39

Độ dốc: quyết định bởi tỷ lệ chiều cao và chiều rộng của bậc thang, khoảng rộng của

bước đi, tính bằng công thức 2h + b = 600 mm (trong đó h là chiều cao bậc thang; b là chiều

rộng bậc thang) Trong các công trình kiến trúc, độ cao của bậc thang trong nhà thường từ

150 đến 180 mm, chiều rộng tương ứng từ 240 đến 300 mm

Chiếu nghỉ: chiều rộng chiếu nghỉ phải lớn hơn hoặc bằng chiều rộng bản thang Đối với

cầu thang thẳng, để tránh hiện tượng dẫm phải chân vì lỡ bước, chiều rộng chiếu nghỉ tối thiểu bằng 800 hoặc bằng (800 + n.500), trong đó: n là số bước đi tại chiếu nghỉ, 500 là chiều dài một bước chân

Chiều cao lan can: tính từ điểm giữa mặt bậc đến mặt trên của lan can, thường lấy từ

800-1000 đối với người lớn; 500-600 đối với trẻ em

Số bậc trong một đợt thang: trong một đợt thang số bậc phải không nhỏ hơn 3 và không

lớn hơn 16 bậc riêng với thang mái thoát hiểm thì cho phép lớn hơn

Khoảng đi lọt: khoảng đi lọt ở cầu thang xuống tầng hầm, cửa đi dưới chiếu nghỉ cầu

thang tối thiểu phải 1800 Mặt thang dưới lên trần thang trên, tối thiểu phải 2000

40

TÍNH TOÁN CAC BỘ PHẬN

B

42

43

Cầu thang hai vế không dầm

Sơ đồ tính bản thang 2 vế: Vế 1; b) Vế 2

44

Bố trí cốt thép cho cầu thang

46

47

Kết cấu gạch đá: liên kết gạch đá thành dạng khối xây

Gạch – vật liệu nhân tạo:

+Gạch nung: bằng đất sét, ép thành viên, nung chín trong các lò các loại: gạch đặc, gạch có

lỗ rỗng

+Gạch không nung: gạch xilicat, gạch bêtông, gạch than xỉ…

Để đánh giá chất lượng người ta dùng mác gạch, dựa vào cường độ chịu nén và chịu uốn

Gạch chất lượng thấp có các mác 10, 20, 35, 50 Mác trung bình: 75, 100, 150; mác cao từ

200 trở lên

Theo trọng lượng riêng: gạch nặng, gạch nhẹ và gạch rất nhẹ

+ Gạch nặng có như gạch đặc, gạch bêtông đặc…TL không nhỏ hơn 1.8 tấn/m3

+ Gạch nhẹ có như gạch gốm có lỗ 30-50% TL từ 1.3 đến 1.8 tấn/m3

48

+ Gạch rất nhẹ có như gạch bằng khối bêtông tổ ong, gạch gốm có lỗ rỗng trên 50% TL < 1.3 tấn/m3

Một số loại gạch đất sét nung

a) Gạch đất sét nung theo tiêu chuẩn Việt Nam;

b) Gạch không theo tiêu chuẩn

c) Một số loại gạch rỗng

Đá

• Khai thác trực tiếp từ thiên nhiên

• Mác của đá được xác định căn cứ vào cường độ chịu nén Đá có mác từ 4; 10; 25; 50;

100 đến 3000

• Đá nặng và đá nhẹ Đá nặng: đá hoa cương, đá bazan, …Đá nhẹ: đá bọt, đá vôi, đá vỏ

sò

• Theo công nghệ chế tác và hình dáng phân ra hai loại: đá hộc và đá quy cách

+ Đá hộc có hình dáng bất kỳ, chủ yếu dùng để xây móng, các loại tường chắn, tường nhà thấp tầng

+ Đá quy cách được cưa, đẽo thành những viên có hình dáng chuẩn; dùng để xây các kết cấu chịu lực lớn như cầu, cống, tường nhà

Vữa

Tác dụng:

- Liên kết các viên gạch đá, truyền lực trong khối xây

- Độ linh động (độ dẻo) dễ thao tác khi xây, dễ lấp kín khe hở

Thành phần chủ yếu: chất kết dính - xi măng hoặc vôi, trộn với cát, nước (có thể dùng các loại chất kết dính khác)

Để đánh giá chất lượng người ta dùng mác vữa, dựa vào cường độ chịu nén

+ Mác vữa thấp: 2; 4; 7; 10

+ Mác vữa trung bình 25; 50

+ Mác vữa cao: 75; 100; 150

Khi vừa mới xây xong, vữa chưa có cường độ gọi là mác 0

Đối với các khối xây khác nhau thì độ sệt của vữa cũng khác nhau

Khối xây bằng gạch hoặc bằng tảng khối đặc 3 – 13 cm

Khối xây bằng gạch bằng tảng khối có lỗ đứng 7 – 8 cm

Khối xây bằng đá hộc hoặc bằng khối bêtông đặc 4 – 7 cm

Độ sụt trong khối xây

Phân loại vữa:

Theo trọng lượng riêng vữa ở trạng thái khô người ta chia ra:

• Vữa nặng

• Vữa nhẹ

Theo chất kết dính và cốt liệu thì có hai loại:

• Vữa khô, loại này chất kết dính thường là vôi hoặc thạch cao

• Vữa nước, loại này chất kết dính thường dùng là ximăng Póoclăng hoặc xi măng Puzôlan

Thành phần các loại vữa bao gồm:

• Vữa ximăng cát: ximăng, cát và nước Cát có thể là cát đen hoặc cát vàng tùy kết cấu

mà người ta dùng loại cát phù hợp Loại vữa này không có vôi nên thường khô nhanh,

có cường độ khá cao nhưng bị dòn

50

• Vữa bata còn được gọi là vữa tam hợp, thành phần gồm: ximăng, vôi, cát và nước Loại vữa này có độ dẻo cao, thời gian khô cứng vừa phải do vậy giúp cho các viên gạch liên kết một cách chắc chắn Hiện nay việc tôi vôi làm cho công tác thi công không thuận tiện lắm nên trên các công trường lớn người ta ít dùng loại vữa này nữa Trên công trường xây dựng các tỉnh và các vùng nông thôn thì loại vữa này còn được

sử dụng khá phổ biến

• Vữa không có xi măng: vữa gồm vôi, cát, nước hoặc vữa đất sét gồm cát, đất sét và vữa thạch cao Các loại vữa này thường được dùng cho các kết cấu không chịu lực

Phân loại khối xây gạch đá

Tùy thuộc vào kích thước, hình dáng viên gạch, đá:

• Khối xây các loại khối xây lớn bằng bêtông, gạch các loại – chiều cao mỗi hàng xây không lớn hơn 500 mm

• Khối xây từ đá thiên nhiên và các loại đá khác – chiều cao mỗi hàng xây từ 180 – 350

mm

• Khối xây từ các viên nhỏ như gạch đất sét,các viên đá nhỏ khác – chiều cao mỗi hàng xây từ 50 – 150 mm

• Khối xây bằng gạch đá không có quy cách được chia ra như: khối xây đá hộc Dựa vào

lỗ rỗng của viên gạch người ta chia ra khối xây đặc và khối xây rỗng Với khối xây rỗng còn được chia ra khối xây rỗng nhiều lớp (số lớp lớn hơn 3) và các khoảng rỗng đố được chèn bằng vật liệu cách nhiệt hay cách âm theo mục đích sử dụng

• Khi chịu tải trọng ngang lớn như động đất thì trong khối xây người ta còn đưa cốt thép lưới hoặc cốt thép dọc vào làm tăng khả năng chịu tải ngang của khối xây, lúc

này khối xây có thể chia ra: khối xây không đặt cốt thép và khối xây đặt cốt thép

Bề rộng tường xây:

Bề rộng khối xây tường là bội số của nửa viên gạch hoặc đá Ở Việt Nam cỡ gạch thống nhất theo thông tư só 435/CQL thuộc UBKHNN ngày 13/12/1961 là 220x105x60 mm, như vậy chiều dày của các loại tường quy định như sau: