Đồ án thiết kế kết cấu khung nhà 5 tầng

Đây là phần tính toán kết cấu khung của một đồ án tốt nghiệp xây dựng dân dụng phần bê tông cốt thép. Đồ án chi tiết đầy đủ các căn cứ và các cơ sở để tính toán khối lượng. các thông số đều theo tiêu chuẩn hiện hành, cấc danh mục đầy đủ

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 thủ đô

Hà Nội Công trình đợc xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh bởi các tòanhà cao 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

+ Nếu   12 thì dùng thép AII có RS = RSC = 280MPa

2 Lựa chọn giải pháp kết cấu cho sàn:

Chọn sàn sờn tòan khối, không bố trí dầm phụ, chỉ có các dầm qua cột

3 Chọn kích thớc chiều dày sàn:

a, Với sàn trong phòng:

- Hoạt tải tính toán: ps = pc.n = 3,5.1,2 = 4,2 (kN/m2)

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

Bảng 1 : Cấu tạo và tải trọng các lớp vật liệu sàn:

Các lớp vật liệu chuẩn Tiêu

(kN/m 2 ) n

Tính toán (kN/m 2 )

Nếu kể cả trọng lợng bản thân sàn BTCT thì:

- Tĩnh tải tính toán của ô sàn trong phòng:

) / ( 35 , 4 1 , 1

* 1 , 0

* 25 6 , 1

p g

* 65 , 1

2 , 1

* 25 6 , 1 2

p g

q hl  hl  hl   

c, Với sàn mái:

- Hoạt tải tính toán: P P c.n 0 , 75 * 1 , 3 0 , 975 (kN/m )

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

Do không có tờng xây trực tiếp trên sàn nên tĩnh tải tính toán:

* 25

* 08 , 0 1 , 1 30 , 0 702 , 0

p g

q m  m  m   

4 Lựa chọn kết cấu mái:

Kết cấu mái dùng hệ mái tôn gác lên xà gồ, xà gồ gác lên tờng thu hồi

5 Lựa chọn kích thớc tiết diện các bộ phận

a, Kích thớc tiết diện dầm:

* Dầm BC (dầm trong phòng )

Nhịp dầm LL 6 , 8m

m m

Chiều cao dầm: m

m

l h

A 

*Cột trục B:

- Lực dọc do lực phân bố đều trên bản sàn:

) ( 127 6 , 3

* 2 / 8 , 6

* 35 , 10

*

* ) 65 , 1 2

8 , 6 (

14 , 5

* ) 2

65 , 1 2

8 , 6 (

* 96 , 2

- Lực dọc do tải phân bố đều trên bản sàn mái:

) ( 60 2 , 4

* 2 / 8 6

* 207 , 4

, 11

1011

* , 1

cm R

N k A

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 (

cm 45 x 22 h

65 , 1

m

- Lực dọc do lực phân bố đều trên bản sàn:

) ( 31 97 , 2

* 35 , 10

* 6 , 3

* 96 , 2

* 2

65 , 1

* 96 , 2

- Lực dọc do tải phân bố đều trên bản sàn mái:

cm h

III- Sơ đồ tính toán khung phẳng

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 –0,45 m) với

m 5 , 0 mm

500

) ( 5 2

3 , 0 5 , 0 45 , 0 2 , 4 2

m t

h h

C-22X40 C-22X40

C-22X40 C-22X40 C-22X40

C-22X30 C-22X30 C-22X30 C-22X30 C-22X30

D-22X60 D-22X60 D-22X60 D-22X60 D-22X50

- Hoạt tải sàn hành lang: phl = 4,2 (kN/m2)

- Hoạt tải sàn mái và sênô: pm =0, 975 (kN/m2)

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

11,4 10,16 110

109

1

2

G B

Giống nh mục 1,2,3 của GC đã tính ở trên

Do trọng lợng sàn hành lang truyền vào:

4,35 x*[(3,6 - 0,22) + (3,6 - 1,65)] * (1,65 - 0,22)/4

Cộng và làm tròn Gb1

Gb2,3,4

11015,2125124

Do trọng lợng hành lang truyền vào (đã tính ở trên)

Do lan can xây tờng 110 cao 900mm truyền vào

7,6238,91

g (kN/m)

Do träng lîng têng thu håi 110mm cao trung b×nh 1 , 9m:

85 , 0

* 9 , 1

* 96 , 2

* 207 , 4

1,2

* 22 , 0

* 1 , 1

* 25

4m 

g

Do tải trọng dầm 22*30

30 , 0

* 22 , 0

* 1 , 1

* 25

tĩnh tải tập trung trên mái

18,537,84271

Ta có sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung (biểu diễn theo cách 2)

109

(kn)

17,3 (kn/m) 16,4

(kn/m)

109

(kn)

125 (kn) 38,91(kn)

6,2 (kn/m)

1,82 (kn/m)

38,91 (kn) 6,2

(kn/m)

1,82 (kn/m)

38,91 (kn) 6,2

(kn/m)

1,82 (kn/m)

38,91 (kn) 6,2

(kn/m)

1,82 (kn/m)

17,3 (kn/m) 16,4

(kn/m)

109

(kn)

38,91 (kn) 6,0

(kn/m) 14,2 (kn/m)

1,2

(kn/m)

3,63(kn/m) 3,63(kn/m) 3,63(kn/m)

(kn/m)

4,7 (kn/m)

37

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

Do t¶i träng sªn« truyÒn vµo:

0,975 * 0,6 *3,6 2,1

2 Trêng hîp ho¹t t¶i 2

Do t¶i träng sªn« truyÒn vµo:

2,1 3,5

1690 6670

15,12

(kn/m) (kn)

Hình 17 Sơ đồ hoạt tải 1 tác dụng vào khung

2,2 2,6 1,6 2,2

1690 6670

15,12

14

14 (kn) (kn/m) (kn)

VII- Xác định tải trọng gió

Công trình xây dựng tại Hà Nội, thuộc vùng gió III-B, có áp lực gió đơn vị: W0 =1,25 KN/m2 Công trình đợc xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh nên có địahình dạng B

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 = 1,14

Tỷ số h1/L = (4,2*5)/(6,8+1,65) = 2,48 Tra theo TCVN 2737 - 1995 có Ce1 0,84Ce2 = - 0,62

=-Trị số S đợc tính theo công thức:

S = nkW0BCihi

+ Phía gió đẩy:

Sđ = 1,2*1,14*1,25*3,6*(0,8*0,6 - 0,84*1,9) = -6,8 (kN)+ Phía gió hút:

Sh = 1,2*1,14*1,25*3,6*(-0,6*0,6 - 0,62*1,9) = -9,4 (kN)

9,4 6,8

2,6

3,0 4,1

3,5

1690 6670

(kn/m)

Hình 19 Sơ đồ gió trái tác dụng vào khung

1690 6670

Ta có các số liệu đầu vào (Input) và đầu ra (Output) của chơng trình tính.

2 Số liệu đầu ra (Output)

Từ số liệu đầu ra của Sap 2000 ta có đợc các giá trị nội lực của các phần tử Từ

đây ta tiến hành tổ hợp nội lực cho các phần tử dầm và cột

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 = 22 x 60 cm:

M=315,8 kN.m

Giả thiết: a  4 ( cm )  h0  60  4  56 ( cm )

41 , 0 56 22 115

4 10 329

M

b m



- Có m  R  0 , 429

) ( 23 , 14 56 71 , 0 2800

10 329

.

71 , 0 2

2 1 1

2 4

0

cm h

% 15 , 1 56 x 22

23 , 14 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 dầm

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

+ 1/6 nhịp cấu kiện: 1 , 11 ( )

6

67 , 6

m

 )

m ( 06 , 1

10 56 (

10 244 115 ) (

.

, ,

b R

 9 , 92 ( )

56 99 , 0 2800

10 154

.

2 4

0

cm h

R

M A

% 100 56 22

92 , 9

x h

 TÝnh thÐp cho gèi B (m«men ©m):

TÝnh theo tiÕt diÖn ch÷ nhËt: b x h = 22 x 30 (cm)

- Gi¶ thiÕt: a  4 ( cm )  h0  30  4  26 ( cm )

T¹i gèi B : M=77,3 (kN.m)

40 , 0 26 22 115

3 , 77

2 1

10 3 , 77

.

2 4

0

cm h

% 25 , 0 26 22

7 , 14

x h

b

As

 TÝnh cèt thÐp cho gèi A (m«men ©m):

TÝnh theo tiÕt diÖn ch÷ nhËt: bxh=22x30 (cm)

Gi¶ thiÕt: a  4 ( cm )  h0  30  4  26 ( cm )

Tại g«́i A: M=78,1 (kN.m)

41 , 0 26 22 115

4

^ 10 1 , 78

2 1

10 1 , 78

.

2 4

0

cm h

% 26 , 0 26 22

1 , 15

x h

b

As

 TÝnh cèt thÐp cho nhÞp AB, m«men d¬ng M=10,4 (kN.m):

TÝnh theo tiÕt diÖn ch÷ T cã c¸nh n»m trong vïng chÞu nÐn:

) ( 118 ) ( 18 , 1 48 , 0 2 22 , 0 2 48

, 0 );

(

01 , 0 26 118 115

10 4 , 10

4 2

0



h b

R

M

f b

m



Có m  R  0 , 429

99 , 0 2

2 1 1

10 4 , 10

.

2 4

0

cm h

R

M A

2 Tính toán và bố trí cốt đai cho các dầm:

a, Tính toán cốt đai cho dầm 16,17 (tầng 2, nhịp BC), có b x h = 22 x 60 cm

+ Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra lực cắt nguy hiểm nhất cho dầm Qmax =209,3KN

+ 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:

(ë ®©y do tÝnh t¹i mÆt c¾t cã phÇn c¸nh cã phÇn c¸nh n»m trong vïng kÐo nªn

C q C

cm Q

Dầm bố trí 6 a200 có: 2.0, 283

0.00172

sw w

na

b s

5 4

2,1.10

7,78

2, 7.10

s b

E E

c, Tính toán cốt đai cho phàn tử dầm 21 (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 =89,1 KN+ Dầm chịu tải phân bố đều với:

 Qmax= 3368 daN Qbmin

 Đặt cốt đai chịu cắt theo điều kiện cấu tạo

5 4

2,1.10

7,782,7.10

 Chọn đoạn cốt đai 8 a300 ở 2 đầu dầm là 1500 mm (ứng với 10 đai)

- Phần còn lại cốt đai đặt tha hơn theo điều kiện cấu tạo:

Sct = min(3h/4), 50 cm) = 45 cm

 Ta chọn 8 a300

* Với dầm có kích thớc 22 x 30 cm

Do nhịp dầm ngắn, ta bố trí cốt đai 8 a300đặt đều suốt dầm

XI- Tính toán cốt thép cho cột

1 Tính toán cốt thép cho phần tử cột 1: b x h = 22x45

a, Số liệu tính toán:

- Chiều dài tính toán : l0 = 0,7H = 0,7 x 5,0 = 3,50 m =350 cm

- Giả thiết chiều dày lớp bảo vệ: a = a’= 4 cm  h0 = h - a = 45 - 4 = 41 cm

- Khoảng cách giữa hai trục cốt thép: Za = h0 - a’= 41 - 4 = 37 cm

 bỏ qua hệ số uốn dọc Lấy hệ số ảnh hởng của uốn dọc  =1

- Độ lệch tâm ngẫu nhiên :

cm h

1 max(

30

1 , 600

Nội lực đợc chọn từ bảng tổ hợp nội lực và đợc ghi chi tiết ở bảng14

Bảng 14 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho cột C1

Ký

 

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

- Giả thiết bài toán lệch tâm lớn :

cm b

b R

h a h e

N

a

a h h h

b R

e N

a

h a

b

R R

R R

b

R

2 , 34

2 , 78244 22

115

41 37 ).

623 , 0 1 ( 623 , 0 4 , 31 2 122670

.

) ).(

1 ( 2

3 , 5221 37

41 ).

623 , 0 1 ( 41 623 , 0 2 22

115

4 , 31 122670

.

2

) ' (

).

1 ( 2

.

2

543 , 107 41

).

623 , 0 2 ( ).

2

(

0

, 0 0

2

0 0

2 0 1

0 2

0

0

37 2800

) 2

2 , 34 41 (

2 , 34 22 115 4 , 31 122670 )

.(

) 2 (

.

cm a

h R

x h x b R e N

A

A

sc

b s

 

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

- Giả thiết bài toán lệch tâm lớn :

cm

N

x  11  50 , 3



2 ,

0

0

37 2800

) 2

48 41 (

48 22 115 1 , 22 1127400 )

.(

) 2 (

.

cm a

h R

x h x b R e N

A

A

sc

b s

 

cm b

0

0

37 2800

) 2

6 , 50 41 ( 6 , 50 22 115 3 , 31 142210 )

.(

) 2 (

.

cm a

h R

x h x b R e N

A

A

sc

b s

b r

l

61 , 48

288 , 0

308

288 , 0

% 97 , 0

% 100 41 22

74 , 8

% 100

- Chiều dài tính toán: l0 = 0,7H = 0.7 x 5 = 3,50 m =350 cm

- Giả thiết chiều dày lớp bảo vệ:

Phải xét đến hệ số uốn dọc

- Độ lệch tâm ngẫu nhiên:

cm h

H

30

1 , 550 600

1 max(

30

1 , 600

E 4

,

6

l 2 o

30 22 12

cm h

b

Giả thiết t  0 , 047 %  0 , 00047

4 2

5 , 1

350 01 , 0 5 , 0 01

, 0 01 , 0

5

,

0

78 , 7 10 27

10 21

min 0 0

0 min

3 4

e

R h

l E

E

e

b b

s

Hệ số kể đến ảnh hởng của độ lệch tâm:

47 , 0 1 , 0 1

5 , 1 1 , 0

11 , 0 1 , 0 1

Với bê tông cốt thép thờng lấy p  1

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

2 1

027 , 1 11 , 0 16247 986

11 , 0 09 , 199 53 1 1 y N M

y N M

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

cm a

cm b

13730

) 22 32 , 51 (

13730

) (

Za e N Z R

e N A A

a s s s

=>Bê tông đủ khả năng chịu lực lấy theo cấu tạo chọn 2  16 có As 4 , 02cm2

c, Tính toán cốt thép đối xứng cho cặp 2,3:

M = 53,6(kN.m) = - 536000 (daN.cm),

N =514,8kN =51480(daN)

Lực dọc giới hạn tính theo công thức:

) I I S ( l

E 4

,

6

l 2 o

30 22 12

cm h

b

Giả thiết t  0 , 047 %  0 , 00047

) ( 5 , 32 ) 4 30 5 , 0 (

26 22 00047 , 0 ) 5 , 0 (

32 , 0 30

4

,

10

421 , 0 5 , 11 01 , 0 30

350 01 , 0 30 5 , 0 01 , 0 01 , 0 5

,

0

78 , 7 10 27

10 21

min 0 0

0 min

3 4

e

R h

l h

E

E

e

b b

s

Hệ số kể đến ảnh hởng của độ lệch tâm:

28 , 0 1 , 0 1

421 , 0 1 , 0

11 , 0 1

, 0 1





Với bê tông cốt thép thờng lấy p  1

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

2 1

006 , 1 11 , 0 54 , 268 1207

11 , 0 09 , 199 53 1 1 y N M

y N M

I S l

E

006 , 1

3 , 19521 42 , 0 (

308

10 270 4 , 6 )

(

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

cm b

0

26 2800

) 2

8 , 9 26 ( 8 , 9 22 115 5 , 33 51480 )

.(

) 2 (

.

cm a

h R

x h x b R e N A

A

sc

b s

cm 13 , 2 cm 02 , 4

As   cho phần tử cột 3

- Các phần tử cột 12,13,14,15, đợc bố trí giống nh phần tử cột 11

3 Tính toán cốt thép cho phần tử cột 3: b x h = 22 x 40.

a Số liệu tính toán:

Chiều dài tính toán l0  0 , 7H  0 , 7 4 , 2  2 , 94 (m)  294 (cm)

Giả thiết cho a = a’ = 4 cm  h0 h a 40  4  36 (cm)

) ( 32 4 36



Bỏ qua hệ số ảnh hởng của uốn dọc

Lấy hệ số ảnh hởng của uốn dọc là   1

Độ lệch tâm ngẫu nhiên

cm h

1 max(

) 30

1

; 600

1



Nội lực đợc chọn từ bảng tổ hợp nội lực và đợc ghi trong bảng 16

Bảng 16 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho cột 3

M(kN.m)

N(kN)

cm N

Nén lệch tâm lớn lấy x1 x  16 , 7cm

, 0

0

27 2800

) 2

7 , 16 31 ( 7 , 16 22 115 8 , 35 63810 )

.(

) 2 (

.

cm a

h R

x h x b R e N A

A

sc

b s

40 8 , 17 1 2

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

cm b

8 , 33 1 2 36 (

22 115 ) 2 (

h a h e

N

a

a h h h

b

R R

R R

b

R

25

87 , 36114 22

115

36 32 ).

623 , 0 1 ( 623 , 0 8 , 33

2

74780

.

) ).(

1 (

2

.

4 , 3203 32

36 ).

623 , 0 1 ( 36 623 , 0 2 22

.

115

8 , 33

).

1 ( 2

.

.

2

442 , 94 36 ).

623 , 0 2 ( ).

2

(

0

, 0 0

2

0 0

2 0 1

0 2

0

32 2800

) 2

25 36 (

25 22 115 8 , 33 74780 )

.(

) 2 (

.

cm a

h R

x h x b R e N A A

sc

b s

- Chiều dài tính toán: l0 = 0,7H = 0,7 x 4,2 = 2,94 m =294 cm

- Giả thiết chiều dày lớp bảo vệ:

a = a’= 4 cm  h = h - a = 40 - 4 =36 cm

Nội lực đợc chọn từ bảng tổ hợp nội lực và đợc ghi chi tiết ở bảng 17

Bảng 17 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho cột C8

M(kN.m) (kN)N

cm N

 

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

cm b

) 32 7 , 37 (

63940

) (

.

.

cm Za

Rs

Za e N Z R

e N A A

a s s

 

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

cm b

mm 5 ) mm 5

; 4

20 ( ) mm 5 );

; 16 10 ( ) mm 500

; 10 (

Chọn s = 100 (mm)

- Các đoạn còn lại

) mm ( 240 ) mm 500

; 16 15 ( ) mm 500

; 15 (

Dựa vào bảng tổ hợp nội lực cột, ta chọn ra cặp nội lực M, N của phần tử cột

3 có độ lệch tâm e0 lớn nhất Đó là cặp 13 – 10 có M = 49,6 (kN.m); N = 99,22(kN) có e0 = 49,99 (cm)  1 , 43 0 , 5

35

99 , 49 h





 Vậy ta cũng sẽ cấu tạo cốt thép nút góc

trên cùng này theo trờng hợp có 0 , 5

h