thiết kế khung bê tông cốt thép nhà dân dụng

Hệ thống khung: là hệ thống chịu lực chính của công trình, tiếp nhận tất cả các tải trọng theo phơng ngang và đứng, sau đó truyền xuống móng.. Hệ thống sàn: phân bố đều ở các tầng, ngoài

Trờng đại học HẢI PHềNG đồ án

Khoa công nghệ Thiết kế khung bê tông cốt thép nhà dân dụng

Phần I: Tính toán khungI- Mô tả công trình

Công trình mà chúng tôi thiết kế là trờng học 5 tầng, đợc xây dựng tại TP.Hải Dương Công trình đợc xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh bởi các tòa nhàcao tầng Hệ thống kết cấu của công trình gồm:

1 Hệ thống khung: là hệ thống chịu lực chính của công trình, tiếp nhận tất cả

các tải trọng theo phơng ngang và đứng, sau đó truyền xuống móng

2 Hệ thống kết cấu bao che: gồm tờng và cửa, chỉ làm chức năng che chắn

cho phần nội thất bên trong và bên ngoài, không tham gia chịu lực

3 Hệ thống sàn: phân bố đều ở các tầng, ngoài việc chịu tải trọng bản thân và

hoạt tải sử dụng tác dụng trực tiếp lên nó thì sàn còn đóng vai trò liên kết, truyềntải trọng ngang và đứng lên hệ khung đảm bảo cho toàn bộ công trình đợc ổn định

và đảm bảo các cấu kiện cùng tham gia chịu lực

4 Các bộ phận giao thông: cầu thang theo phơng đứng, hành lang theo phơng





8 37

- Ho¹t t¶i tÝnh to¸n: ps = pc.n = 200.1,2 = 240 (daN/m2)

- TÜnh t¶i tÝnh to¸n (cha kÓ träng lîng b¶n th©n b¶n sµn BTCT)

B¶ng 1 : CÊu t¹o vµ t¶i träng c¸c líp vËt liÖu sµn:

C¸c líp vËt liÖu chuÈn Tiªu

(daN/m 2 ) n

TÝnh to¸n (daN/m 2 )

G¹ch ceramic dµy 8 mm,  0 = 2000 daN/m3

Ô sàn hành lang có:

1 1

- Hoạt tải tính toán: Pm  Pc n  75 1 , 3  97 , 5 ( daN / cm2)

- Tĩnh tải tính toán (cha kể đến trọng lợng bản thân của sàn BTCT)

Bảng 2 : Cấu tạo và tải trọng các lớp vật liệu sàn mái:

Các lớp vật liệu Tiêu chuẩn n Tính toán

Do không có tờng xây trực tiếp trên sàn nên tĩnh tải tính toán: g0  78da N m/ 2

 Tải trọng phân bố tính toán trên sàn mái:

- Tæng t¶i träng ph©n bè tÝnh to¸n trªn sµn m¸i:

2.

319 97,5 416,5( / )

q g p    daN m

4 Lùa chän kÕt cÊu m¸i:

KÕt cÊu m¸i dïng hÖ m¸i t«n g¸c lªn xµ gå, xµ gå g¸c lªn têng thu håi

5 Lùa chän kÝch thíc tiÕt diÖn c¸c bé phËn

a, KÝch thíc tiÕt diÖn dÇm:

* DÇm BC (dÇm trong phßng )

NhÞp dÇm L L 2  6,9m

6,9 0,627 11

d d d

Vậy ta chọn kích thớc cột b x h c c  22 70x cm có A s  1540cm2

* Cột trục C:

Cột trục C có diện chịu tải Sc nhỏ hơn diện chịu tải của cột trục B, để thiên về

an toàn và định hình hóa ván khuôn, ta chọn kích thớc tiết diện cột trục C (

III- Sơ đồ tính toán khung phẳng

C-22X65

C-22X22

C-22X22

C-22X22 C-22X22

A B

Chiều cao của cột lấy bằng khoảng cách giữa các trục dầm, do dầm khungthay đổi tiết diện nên ta sẽ xác định chiều cao của cột theo trục hành lang (dầm cótiết diện nhỏ hơn)

- Xác định chiều cao của cột tầng 1:

Lựa chọn chiều cao chôn móng từ mặt đất tự nhiên trở xuống (cốt -0,6 m) với

m 5 , 0 mm

500

1

0,3 3,6 0,6 0,5 4,55( )

C-22X22 C-22X22 C-22X22 C-22X22

D-22X65 D-22X65 D-22X65

D-22X65

D-22X30

D-22X30

D-22X30 D-22X30

IV- Xác định tải trọng đơn vị

1.Tĩnh tải đơn vị

- Tĩnh tải sàn phòng học: gs = 302,6 (daN/m2)

- Tĩnh tải sàn hành lang: ghl = 302,6 (daN/m2)

- Tĩnh tải sàn mái: gm = 319 (daN/m2) (phần sênô có gsn = gm = 319 (daN/m2))

- Tờng xây 220: gt2 = 514 (daN/m2)

- Tờng xây 110: gt2 = 296 (daN/m2)

2 Hoạt tải đơn vị

- Hoạt tải sàn phòng học: ps = 240 (daN/m2)

- Hoạt tải sàn hành lang: phl = 360 (daN/m2)

- Hoạt tải sàn mái và sênô: pm = 97,5 (daN/m2)

3 Hệ số quy đổi tải trọng:

a, Với ô sàn lớn, kích thớc 3,9 x 3,45 (m)

Tải trọng phân bố tác dụng lên khung có dạng hình thang Để quy đổi sangdạng tải trọng phân bố hình chữ nhật, ta cần xác định hệ số chuyển đổi k

3 2

2 1

V- Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung

Tải trọng bản thân của các kết cấu dầm cột sẽ do chơng trình tính toán kết cấu

B C

2

1113,57601,33 601,33

g2 Do tải trọng từ sàn truyền vào dới dạng hình tam giác với tungđộ lớn nhất:

ggg = 302,6 x (1,8 - 0,22)

Đổi ra tải phân bố đều với k = 0,625:

478,11 x 0,625 Tổng :

478,11298,82298,82

tĩnh tãi tập trung dan

707,9

4209,71024,56122,1

707,9

4209,71024,5690,876632,97

707,9690,8710392437,8

2 Tĩnh tải tầng mái

Để tính toán tải trọng tĩnh tải phân bố đều trên mái, trớc hết ta phải xác địnhkích thớc của tờng thu hồi xây trên mái

Dựa vào mặt cắt kiến trúc, ta có diện tích thu hồi xây trên nhịp BC là:

13,34

1,5( ) 8,7 0, 22

t t

1,91 1,06( ) 1,8

t t

BC

Hình 9 Sơ đồ phân tĩnh tải sàn tầng mái

B¶ng 4 TÝnh tÜnh t¶i tÇng m¸i

TÜNH T¶I PH¢N Bè TR£N M¸I - daN/m

313,76

315,01628,77

tÜnh t¶i tËp trung trªn m¸i

296 x 0,5 x 3,9Tæng :

707,91080,01883,31577,23248,42

707,91080,01728,312516,22

Do trọng lợng sênô nhịp 0,71:

319 x 0,71 x 3,9Tờng sênô cao 0,5m bằng gạch

296 x 0,5 x 3,9Tổng :

883,31577,22896,72

GB’ Do trọng lợng bản thân dầm dọc 0,22 x 0,32500 x 1,1 x 0,22 x 0,3 x 3,9

Do trọng lợng sàn truyền vào

319 x (3,9 - 0,22 ) x (3,9- 0,22)/4Tổng :

707,91080,011787,91

Ta có sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung

601,33 6122,1

601,33

2765,97 2765,97 2765,97

6632,97

6632,97

6632,97

298,82 298,82 298,82

2437,8 2437,8 2437,8

Hình 10 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung

VI- Xác định hoạt tải tác dụng vào khung

1 Trờng hợp hoạt tải 1

BC

Hình 11 Sơ đồ phân hoạt tải 1 - Tầng 2 hoặc 4

Bảng 5 Tính hoạt tải tầng 1 - Tầng 2, 4

Hoạt tải 1- tầng 2, 4 Sàn Loại tải trọng và cách tính (đơn vị daN/m) Kết quả

Do tải trọng sàn truyền vào

240 3,9 3.9/4

Do tải trọng sàn truyền vào

240 3,9 3.9/2

912,6 1825,2

B C

Hình 12 Sơ đồ phân hoạt tải 1 - Tầng 3 hoặc 5 Bảng 6 Tính hoạt tải 1 - Tầng 3 , 5

Hoạt tải 1 - tầng 3, 5 Sàn Loại tải trọng và cách tính (đơn vị daN/m) Kết quả

Do tải trọng sàn truyền vào

Hình 13 Sơ đồ phân hoạt tải 1 - Tầng mái Bảng 7 Tính hoạt tải 1 - Tầng mái

Hoạt tải 1- tầng mái Sàn Loại tải trọng và cách tính (đơn vị daN/m) Kết quả

Do tải trọng sàn truyền vào:

1 Trờng hợp hoạt tải 2

BC

Hình 14 Sơ đồ phân hoạt tải 2 - Tầng 2, 4 Bảng 8 Tính hoạt tải 2 - Tầng 2,4

Hoạt tải 2 - tầng 2,4 Sàn Loại tải trọng và cách tính (đơn vị daN/m) Kết quả

Do tải trọng sàn truyền vào360.[3,9 + (3,9 – 1,8)] 1,8/4 972

5

4

Hình 15 Sơ đồ phân hoạt tải 2 - Tầng 3,5 Bảng 9.Tính hoạt tải 2 - Tầng 3, 5

Hoạt tải 2 - tầng 3, 5 Sàn Loại tải trọng và cách tính (đơn vị daN/m) Kết quả

Do tải trọng sàn truyền vào

Do t¶i träng sµn truyÒn vµo

97,5.[3,9 + (3,9 – 1,8)] 1,8/4 263,25

Do t¶i träng sªn« truyÒn vµo:

H×nh 16 Sơ đồ hoạt tải 2

VII- Xác định tải trọng gió

Công trình xây dựng tại Hà Nội, thuộc vùng gió II-B, có áp lực gió đơn vị: W0 = 83daN/m2 Công trình đợc xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh nên có địahình dạng C

Công trình cao dới 40m nên ta chỉ xét đến tác dụng tĩnh của tải trọng gió Tảitrọng truyền lên khung sẽ đợc tính theo công thức

Với qđ - áp lực gió đẩy tác dụng lên khung (daN/m)

qh - áp lực gió hút tác dụng lên khung (daN/m)

Tải trọng gió trên mái quy về lực tập trung đặt ở đầu cột Sđ, Sh với k = 0,79

Tỷ số h1/L = 14,7/(7,5+2,1) = 1,53 Tra theo TCVN 2737 - 1995 có Ce1 = -0.45;

Ce2 = - 0,66

Trị số S đợc tính theo công thức:

S = nkW0BCihi = 1,2.0,79.83.3,6.Cihi = 283,3Cihi+ Phía gió đẩy:

Sđ = 283,3.(0,8.0,5 - 0,45.3,2) = -294,6 (daN)+ Phía gió hút:

Sh = 283,3.(-0,6.0,5 - 0,66.3,2) = -700,3 (daN)

IX- tổ hợp nội lực

Các bảng tổ hợp nội lực cho dầm và cột đựơc

trình bày nh trong bảng 12 và bảng 13

+ Với một phần tử dầm ta tiến hành tổ hợp nội

lực cho ba tiết diện (hai tiết diện đầu dầm và một

tiết diện giữa dầm)

+ Với cột: ta tiến hành tổ hợp nội lực cho hai

X- Tính toán cốt thép dầm

1 Tính toán cốt thép dọc cho các dầm:

Sử dụng bê tông cấp độ bền B20, có:

Mpa 90 , 0 R

; Mpa 5 , 11

Sử dụng thép dọc nhóm AII có:

Mpa 280 R

 Tính cốt thép cho gối B và C (mômen âm):

Tính theo tiết diện chữ nhật b x h = 25 x 70 cm:

M=180,38 kN.m

Giả thiết: a 4 (cm)  h0  70  4  66 (cm)

144 , 0 66 25 115

38 , 180

M

b m



- Có m  R  0 , 429

) ( 59 , 10 66 922 , 0 2800

10 38 , 180

.

922 , 0 2

2 1 1

2 4

0

cm h

% 64 , 0 66 25

59 , 10

x h

Giá trị độ vơn của cánh SC đợc lấy không nhỏ hơn các giá trị sau:

+ Một nửa khoảng cách thông thủy của các sờn dọc

) ( 69 , 1 ) 22 , 0 6 , 3 ( 5 ,

+ 1/6 nhịp cấu kiện: 1 , 23 ( )

6

37 7

m

 )

( 23 ,

( 15438827 )

2

8 66 (

8 270 115 ) 2 (

.

, 0 ,

b R

Có M Max  160 , 76 (kN.m)  1543 , 9 (kN.m)  trục trung hòa đi qua cánh

Tính với tiết diện chữ nhật b,f x h 270 x70 (cm)

0118 , 0 66 27 115

10 76 , 160

4 2

0



h b R

M

f b m



Có m  R  0 , 429 0,994

2

2 1

10 76 , 160

.

2 4

cm h

R

M



 min

0

% 53 , 0

% 100 66 25

75 , 8

x h

 Tính thép cho gối B (mômen âm):

Tính theo tiết diện chữ nhật: b x h = 22 x 30 (cm)

32,64.10

5,02( ) 2800.0,893.26

 Tính cốt thép cho gối A (mômen âm):

Tính theo tiết diện chữ nhật: bxh=22x30 (cm)

17, 22.10

2, 498( ) 2800.0,947.26

 Tính cốt thép cho nhịp AB, mômen dơng M=11,87 (kN.m):

Tính theo tiết diện chữ T có cánh nằm trong vùng chịu nén:

Giá trị độ vơn của cánh SC đợc lấy không nhỏ hơn các giá trị sau:

+ Một nửa khoảng cách thông thủy của các sờn dọc

) ( 69 , 1 ) 22 , 0 6 , 3 ( 5

,

Tính: , , ,

0

8 ( ) 115.94.8.(26 ) 1902560( ) 190, 25( )

Có M Max  11,87 (kN m ) 190, 25(  kN m )  trục trung hòa ®i qua cánh

TÝnh víi tiÕt diÖn ch÷ nhËt b x h,f  94 30(x cm)

11,87.10

1,64( ) 2800.0,992.26

2 TÝnh to¸n vµ bè trÝ cèt ®ai cho c¸c dÇm:

a, TÝnh to¸n cèt ®ai cho dÇm 13 (tÇng 2, nhÞp BC), cã b x h = 25 x 70 cm

+ Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra lực cắt nguy hiểm nhất cho dầm Qmax =140,4KN

+ Bê tông cấp độ bền B20 có: Rb = 11,5 Mpa = 115 daN/cm2

Rbt = 0,9 Mpa = 9 daN/cm2

Eb = 2,7.104 Mpa+ Thép đai nhóm A1 có: Rsw = 175 Mpa 1750 daN/cm2, Es = 2,1.105 Mpa

Dầm chịu tải trọng tính toán phân bố đều với:

* Kiểm tra các điều kiện.

- Kiểm tra điều kiện để tính toán cốt đai:

Ta thấy: Q 75, 43 Q bmin  74,25KN Ta cần phải tính toán cốt đai

- Kiểm tra điều kiện khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm:

Vậy lấy q  sw 46,875 KN/m để tính toán

- Chọn cốt đai  8, 2 nhánh có a  sw 50,3 mm 2 suy ra:

2.50,3.175

375,6mm 46,875

sw sw sw

n a R s

Vậy chọn: s mins s s tt; ;ct max  min 330; 233;698   233 mm.

- Tại các gối tựa khác Q bé hơn nên stt sẽ lớn hơn nhng vẫn theo điều kiện cấutạo ta vẫn chọn s = 200 mm

* Kiểm tra điều kiện c ờng độ trên tiết diện nghiêng:

- Điều kiện kiểm tra: Q max  Q đb b hoặc C0  2 h0

- Với cốt đai  8, 2 nhánh, s=200 mm ta có:

2.50,3.175

88(N/mm) 200

sw sw sw

n a R q

1,5 1,5.0,9.250.660

1274mm 2h 2 660 1320mm

bt sw

-Ta có: Qmax  140, 4 KN  Qđb  230,693 KNhoặc C0  1274 mm 2h  0  1320 mm Vậy

điều kiện cờng độ trên mặt cắt nghiêng đợc đảm bảo

bộ các dầm BC

c, Tính toán cốt đai cho phàn tử dầm 17 (tầng 2 nhịp AB) bxh = 22 x 30 cm

Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra lực cắt nguy hiểm nhất cho dầm: Qmax =36,26 KN+ Dầm chịu tải phân bố đều với:

Ta thấy: Q 27, 29 Q bmin  25,74KN Ta cần phải tính toán cốt đai

- Kiểm tra điều kiện khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm:

Ta có: Qmax  36, 26 KN 0,3R  bbh0  0,3.11,5.220.260 197340 N 197,34KN  

Vậy dầm đủ khả năng chịu ứng suất nén chính

* Tính toán cốt đai.

- Vì lực cắt của dầm phụ bé nên không cần phải tính toán cốt xiên Qs.inc = 0 Sử

dụng bài toán tính cốt đai khi không có cốt xiên đối với dầm chịu tải trọng phân bố

đều

- Từ điều kiện đảm bảo cờng độ trên tiết diện nghiêng nguy hiểm nhất là:

b đb max Q

Vậy lấy q  sw 49,5 KN/m để tính toán

- Chọn cốt đai  8, 2 nhánh có a  sw 50,3 mm 2 suy ra:

2.50,3.175

355mm 49,5

sw sw sw

n a R s

q

Kiểm tra điều kiện: s  0 h, 5 0 Ta thấy: s 355 mm>0,5h0  0,5.260 130 mm 

Vậy chọn s  tt 130mm

- Ta có: s  mins tt;s ct;smax Trong đó:

+ Với hb =300 mm khoảng cách cấu tạo giữa các cốt đai :

Q

Vậy chọn: s mins s s tt; ;ct max  min 130;150;369   130 mm

- Tại các gối tựa khác Q bé hơn nên stt sẽ lớn hơn nhng vẫn theo điều kiện cấu

tạo ta vẫn chọn s = 130 mm

* Kiểm tra điều kiện c ờng độ trên tiết diện nghiêng:

- Điều kiện kiểm tra: Qmax  Qđbb hoặc C0  2 h0

- Với cốt đai  8, 2 nhánh, s=130 mm ta có:

2.50,3.175

135423(N/mm) 130

sw sw sw

n a R q

Vậy cốt đai đợc bố trí với các khoảng cách nh hình vẽ dới (hình 6)

d,Tớnh toỏn phộp đai cho cỏc phần tử dầm 18, 19, 20 cú: b x h = 22 x 30 (cm)

Tương tự như tớnh toỏn dầm 17, ta bố tri đai  8 a130 cho cỏc dầm 18, 19, 20

 Chọn đoạn cốt đai  8 a150 ở 2 đầu dầm là 1500 mm (ứng với 10 đai)

- Phần cũn lại cốt đai đặt thưa hơn theo điều kiện cấu tạo:

a, Số liệu tính toán:

- Chiều dài tính toán : l0 = 0,7H = 0,7 x 4,85 = 3,395 m =339,5cm

- Giả thiết chiều dày lớp bảo vệ: a = a’= 4 cm  h0 = h - a = 40 - 4 = 36 cm

- Khoảng cách giữa hai trục cốt thép: Za = h0 - a’= 36 - 4 = 32 cm

- Độ mảnh:  h = l0 339.5 / 40 8, 48 8

h     phải xét hệ số uốn dọc

Nội lực đợc chọn từ bảng tổ hợp nội lực và đợc ghi chi tiết ở bảng 15

Bảng 15 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho phần tử cột 5

M(kN.m)

N(kN)

) cm ( N

E 4 , 6

l 2 o

0 min

0

0 min

21.10

7,78 27.10

339,5 0,5 0,01 0, 01 0,5 0,01 0,01.11,5 0,3

40 11,9

0, 2975 40

e

h

e h

1

e p

Với bê tông cốt thép thờng lấy p  1

Hệ số xét đến ảnh huởng của tải trọng dài hạn:

23,92 657,96.0, 2

80, 4 673,08.0, 2

dh dh l

23,07 ( ) 67308.29, 2 115.25.23,07(36 )

cr    Víi l0 = 339,5 cm,

4 3

0 min

0

0 min

21.10

7,78 27.10

339,5 0,5 0,01 0,01 0,5 0,01 0,01.11,5 0,3

40 11,01

Với bê tông cốt thép thờng lấy p  1

Hệ số xét đến ảnh huởng của tải trọng dài hạn:

 Tớnh 0

, 0

24,67 ( ) 75656.28,3 115.25.24,67(36 )

E 4 , 6

l 2 o

0 min

0

0 min

21.10

7, 78 27.10

e

h

e h

1

e p

Với bê tông cốt thép thờng lấy p  1

Hệ số xét đến ảnh huởng của tải trọng dài hạn:

23,92 657,96.0, 2

81,71 834,13.0, 2

dh dh l

1,1 83413

26,06 ( ) 83413.29,17 115.25.26,06(36 )

- ChiÒu dµi tÝnh to¸n : l0 = 0,7H = 0,7 x 3,6 = 2,52 m =252cm

- Gi¶ thiÕt chiÒu dµy líp b¶o vÖ: a = a’= 4 cm  h0 = h - a = 35 - 4 = 31 cm

- Kho¶ng c¸ch gi÷a hai trôc cèt thÐp: Za = h0 - a’= 31 - 4 = 27 cm

Bảng 15 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho phần tử cột 7

M(kN.m)

N(kN)

) cm ( N

- Sử dụng bê tông cấp độ bền B20, thép AII  R  0 , 623

- Giả thiết bài toán lệch tâm lớn :

29482

10, 25 115.25

10, 25 ( ) 29482.32,8 115.25.10, 25.(31 )

- Sử dụng bê tông cấp độ bền B20, thép AII  R  0 , 623

- Giả thiết bài toán lệch tâm lớn :

36087

12,55 115.25

3,18 100% 100% 0, 41%

, 0

16, 2 ( ) 37369.24,6 115.25.16, 2(31 )

- Chiều dài tính toán : l0 = 0,7H = 0,7 x 4,85 = 3,395 m =339,5cm

- Giả thiết chiều dày lớp bảo vệ: a = a’= 4 cm  h0 = h - a = 22 - 4 = 18 cm

- Khoảng cách giữa hai trục cốt thép: Za = h0 - a’= 18 - 4 = 14 cm

- Độ mảnh:  h = l0 339.5 / 22 15, 43 8

h     phải xét hệ số uốn dọc

Nội lực đợc chọn từ bảng tổ hợp nội lực và đợc ghi chi tiết ở bảng 15

Bảng 15 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho phần tử cột 9

M(kN.m)

N(kN)

) cm ( N

Lực dọc dói hạn tính theo công thức :

) I I S ( l

E 4 , 6

l 2 o

0 min

0

0 min

21.10

7,78 27.10

339,5 0,5 0,01 0,01 0,5 0,01 0,01.11,5 0, 23

22 7,5

0,34 22

e

h

e h

1

e p

Với bê tông cốt thép thờng lấy p  1

Hệ số xét đến ảnh huởng của tải trọng dài hạn:

0, 76 141,36.0,11

8, 22 108, 4.0,11

dh dh l

E 4 , 6

l 2 o

0 min

0

0 min

21.10

7,78 27.10

339,5 0,5 0,01 0,01 0,5 0,01 0,01.11,5 0, 23

22 5,6

0, 254 22

e

h

e h

0,1

1

e p

Với bê tông cốt thép thờng lấy p  1

Hệ số xét đến ảnh huởng của tải trọng dài hạn:

0,76 141,36.0,11

9,74 174,39.0,11

dh dh l