kết cấu thiết kế thi công công trình xây dựng chung cư cao tầng

Kết cấu này chịu tải trọng ngang kém, tính liên tục của khung cứng phụ thuộc vào độ bền và độ cứng của các liên kết nút khi chịu uốn, các liên kết này không đợc phép có biến dạng góc.. T

Phần II: kết cấu

(45%)

Giáo viên hớng dẫn: PGS TS LÊ Bá HUế

Nhiệm vụ thiết kế:

- Chọn giải pháp kết cấu tổng thể của công trình

- Lập mặt bằng kết cấu

- Xác định tải trọng tác dụng lên công trình

- Xác định nội lực và tổ hợp nội lực của các cấu kiện

- Thiết kế khung trục 2

- Thiết kế sàn tầng điển hình

- Thiết kế cầu thang bộ

- Thiết kế móng các cột trục 2

Các bản vẽ kèm theo:

- 02 bản vẽ cấu tạo thép cột, dầm - khung trục 2

- 01 bản vẽ cấu tạo thép sàn tầng điển hình và cầu thang bộ

- 01 bản vẽ móng

A Phân tích và chọn lựa ph ơng án kết cấu cho công trình:

I Các giải pháp kết cấu th ờng dùng cho nhà cao tầng:

và công trình bằng thép kém bền với nhiệt độ, khi xảy ra hoả hoạn hoặc cháy nổ thì công trình bằng thép rất dễ chảy dẻo dẫn đến sụp đổ do không còn độ cứng để chống đỡ cả công trình Kết cấu nhà cao tầng bằng thép chỉ thực sự phát huy hiệu quả khi cần không gian sử dụng lớn, chiều cao nhà lớn (nhà siêu cao tầng), hoặc

đối với các kết cấu nhịp lớn nh nhà thi đấu, mái sân vận động, nhà hát, viện bảo tàng (nhóm các công trình công cộng)…

- Bêtông cốt thép là loại vật liệu đợc sử dụng chính cho các công trình xây dựng trên thế giới Kết cấu bêtông cốt thép khắc phục đợc một số nhợc điểm của kết cấu thép nh thi công đơn giản hơn, vật liệu rẻ hơn, bền với môi trờng và nhiệt

độ, ngoài ra nó tận dụng đợc tính chịu nén rất tốt của bêtông và tính chịu kéo của cốt thép nhờ sự làm việc chung giữa chúng Tuy nhiên vật liệu bêtông cốt thép sẽ

đòi hỏi kích thớc cấu kiện lớn, tải trọng bản thân của công trình tăng nhanh theo chiều cao khiến cho việc lựa chọn các giải pháp kết cấu để xử lý là phức tạp Do đó kết cấu bêtông cốt thép thờng phù hợp với các công trình dới 30 tầng

2 Giải pháp về hệ kết cấu chịu lực :

Hiện nay, hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng có các hệ sau:

a Hệ kết cấu khung chịu lực :

- Hệ khung thông thờng bao gồm các dầm ngang nối với các cột dọc thẳng

đứng bằng các nút cứng Khung có thể bao gồm cả tờng trong và tờng ngoài của nhà Kết cấu này chịu tải trọng ngang kém, tính liên tục của khung cứng phụ thuộc vào độ bền và độ cứng của các liên kết nút khi chịu uốn, các liên kết này không đợc phép có biến dạng góc Khả năng chịu lực của khung phụ thuộc rất nhiều vào khả năng chịu lực của từng dầm và từng cột

- Việc thiết kế tính toán sơ đồ này chúng ta đã có nhiều kinh nghiệm, việc thi công cũng tơng đối thuận tiện do đã thi công nhiều công trình, vật liệu và công nghệ dễ kiếm nên chắc chắn đảm bảo tính chính xác và chất lợng của công trình

- Hệ kết cấu này rất thích hợp với những công trình đòi hỏi sự linh hoạt trong công năng mặt bằng, nhất là những công trình nh khách sạn Nhng có nhợc điểm là kết cấu dầm sàn thờng dày nên không chiều cao các tầng nhà thờng phải lớn

- Sơ đồ thuần khung có nút cứng bêtông cốt thép thờng áp dụng cho công trình dới 20 tầng với thiết kế kháng chấn cấp ≤ 7; 15 tầng với kháng chấn cấp 8; 10 tầng với kháng chấn cấp 9

b Hệ kết cấu khung + vách (lõi) :

- Đây là kết cấu phát triển thêm từ kết cấu khung dới dạng tổ hợp giữa kết cấu khung và vách (lõi) cứng Vách (lõi) cứng làm bằng bêtông cốt thép Chúng có thể dạng lõi kín hoặc vách hở thờng bố trí tại khu vực thang máy và thang bộ Hệ thống khung bố trí ở các khu vực còn lại Hai hệ thống khung và vách (lõi) đợc liên kết với nhau qua hệ thống sàn Trong trờng hợp này, hệ sàn liền khối có ý nghĩa rất lớn

- Hệ thống kết cấu này thờng có 2 loại sơ đồ kết cấu là sơ đồ giằng và sơ đồ khung giằng Trong sơ đồ giằng, hệ thống vách (lõi) đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng ngang, hệ khung chủ yếu chịu tải trọng đứng Sự phân chia rõ chức năng này tạo điều kiện để tối u hoá các cấu kiện, giảm bớt kích thớc cột dầm, đáp ứng yêu cầu kiến trúc Trong sơ đồ kết cấu khung-giằng, tải trọng ngang của công trình do cả hệ khung và lõi cùng chịu, thông thờng do hình dạng và cấu tạo nên vách (lõi)

có độ cứng lớn nên cũng trở thành nhân tố chiụ lực ngang lớn trong công trình nhà cao tầng Sơ đồ khung – giằng tỏ ra là hệ kết cấu tối u cho nhiều loại công trình cao tầng Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôi nhà đến 40 tầng

Hiện nay chúng ta đã làm nhiều công trình có hệ kết cấu này nh tại các khu

đô thị mới Láng – Hoà Lạc, Định Công, Linh Đàm, Đền Lừ Do vậy khả năng…thiết kế, thi công là chắc chắn đảm bảo

II Chọn hệ kết cấu chịu lực:

Trên cơ sở đề xuất các phơng án về vật liệu và hệ kết cấu chịu lực chính nh trên, với quy mô của công trình gồm 19 tầng thân, tổng chiều cao khoảng 66 m, phơng

án kết cấu tổng thể của công trình đợc lựa chon nh sau:

- Về vật liệu: chọn vật liệu bêtông cốt thép sử dụng cho toàn bộ công trình Dùng bê tông mác 300 (Rn = 130 kG/cm2) cho các kết cấu chịu lực thông thờng Cốt thép chịu lực nhóm AIII (Ra = 3600kG/cm2)

- Về hệ kết cấu chịu lực: sử dụng hệ kết cấu khung + vách + lõi chịu lực với sơ

đồ khung giằng Trong đó, hệ thống lõi đợc bố trí đối xứng trong lồng thang máy ở khu vực giữa nhà, hệ thống vách đợc bố trí ở các khung biên của công trình, chịu phần lớn tải trọng ngang tác dụng vào công trình và phần tải trọng đứng tơng ứng với diện chịu tải của vách, lõi Hệ thống khung bao gồm các hàng cột biên, dầm bo

bố trí chạy dọc quanh chu vi nhà và hệ thống dầm sàn, chịu tải trọng đứng tơng ứng với phần diện tích chịu tải của nó và một phần tải trọng ngang, tăng độ ổn định cho

hệ kết cấu

Nh vậy, hệ kết cấu chịu lực của công trình là hệ khung, vách, lõi kết hợp Sơ

đồ kết cấu là sơ đồ khung giằng

III Chọn sơ bộ kích th ớc tiết diện:

1 Tiết diện cột:

Diện tích tiết diện cột đợc chọn theo công thức:

n R

N k b

Trong đó:

Fb : diện tích tiết diện cột

k : hệ số kể đến ảnh hởng của mômen (1,2 ~ 1,5)

Rn: cờng độ chịu nén tính toán của bê tông (Rn= 130 kG/cm2)

N : lực nén lớn nhất có thể xuất hiện trong cột

N= n.S.q

n: số tầng = 20 tầng;

S : diện tích chịu tải của cột;

q: tải trọng sơ bộ tính toán trên 1 m2 sàn (= 1,2 T/m2 đối với nhà dân dụng)

* Xét cột có diện tích chịu tải lớn nhất (cột D2):

N = 20.1,2.9.5,2 =1123,2 (T/m2)

Diện tích tiết diện cột: 1 , 04 ~ 1 , 296 ( 2)

1300

2 , 1123 ) 5 , 1

~ 2 , 1

b

Chọn tiết diện cột 1500x700 (mm) chung cho tất cả các cột giữa ở các tầng

- Kiểm tra điều kiện ổn định của cột: λ = 0 ≤ λ 0

b l

L0 = 0,7.l = 0,7.5,5 =3,85 (m)

5 , 5 0 31

7 , 0

85 , 3

~ 2 , 1

b

Chọn tiết diện cột 1500x700 (mm) chung cho tất cả các cột biên ở các tầng

2 Tiết diện vách, lõi:

Theo các tiêu chuẩn kháng chấn, bề dày vách, lõi phải thoả mãn:

h t cm

cm

20 550

15 max 20

1 ( ) 20

1

~ 8

1 ( ) 4

1

~ 2

1 ( ) 20

1

~ 8

1 ( ) 4

1

~ 2

1

mm l

b

Chän hb= 200 mm

gtt (kG/m2)

Trên mái của toà nhà có bố trí hai bể nớc có kích thớc a xb xh =2,4 x4,3 x2,5(m)

bố trí đối xứng qua trục 4 Trọng lợng của bể nớc đợc truyền qua hệ dầm đỡ và truyền vào 4 cột với các giá trị lực tập trung nh sau:

Với cột (3C), (3D), (5C) và (5D):

2 , 4 4 , 3 2 , 5 1000 9675 ( )

8

3 8

3 ) 4

3 ( 2

1

kG G

1 2

1 2

1 2

1

kG G

G

3 Tải trọng t ờng xây:

- Tờng ngăn giữa các phòng, tờng bao chu vi nhà dày 220 mm Tờng ngăn trong các phòng, tờng nhà vệ sinh trong nội bộ các phòng dày 110 mm đợc xây bằng gạch chỉ có γ =1200 kG/m3

+ Trọng lợng tờng ngăn trên dầm tính cho tải trọng tác dụng trên 1 m dài ờng

+ Trọng lợng tờng ngăn trên các ô bản (tờng 110, 220) tính theo tổng tải trọng của các tờng trên các ô sàn sau đó chia đều cho diện tích toàn bản sàn của công trình

- Chiều cao tờng đợc xác định :

ht = H - hs

Trong đó: ht - chiều cao tờng

H - chiều cao tầng nhà

hs - chiều cao sàn, dầm trên tờng tơng ứng

- Ngoài ra khi tính trọng lợng tờng, ta cộng thêm hai lớp vữa trát dày 3 cm/lớp Một cách gần đúng, trọng lợng tờng đợc nhân với hệ số 0,75 kể đến việc giảm tải trọng tờng do bố trí cửa số kính

- Kết quả tính toán trọng lợng của tờng phân bố trên dầm ở các tầng đợc thể hiện trong bảng:

* Trọng lợng vách ngăn tầng 1 (quy về tải trọng phân bố đều trên sàn):

Dày (m)

Cao (m)

γtc (kG/m3)

gtc (kG/m2)

Hệ số giảm

(kG/m2)

Dày (m)

Ca

o (m)

γtc (kG/m3)

gtc (kG/m)

Hệ số giảm tải

II Ho¹t t¶i:

Ho¹t t¶i do ngêi vµ thiÕt bÞ:

(kG/m2) HSVT

ptt (KG/m2)

Công trình có độ cao 65,8 m (>40m), theo TCVN 2737-1995, khi tính toán tải trọng tác động lên công trình phải tính thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió.

1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió:

- Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao z so với mốc chuẩn xác định theo công thức:

n: hệ số vợt tải của tải trọng gió (n =1,2)

ht : chiều cao đón gió

Thành phần tĩnh tính toán của tải trọng gió td vào các mức sàn

2 Thành phần động của tải trọng gió:

- Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió phụ thuộc vào dạng dao

động của công trình Sử dụng phần mềm SAP 7.42 để tìm ra các tần số của các dạng dao động riêng của công trình: mô hình kết cấu khung phẳng đợc ngàm tại mặt móng, (dầm, cột đợc mô tả bằng các phần tử thanh; sàn, vách, lõi đợc mô tả bằng các phần tử tấm) Khối lợng của công trình bao gồm khối lợng: dầm, cột, sàn, lõi, tờng và khối lợng thêm vào do một nửa hoạt tải gây nên

a Xác định độ cứng của khung và lõi:

* Xác định momen quán tính của khung:

Thay thế khung thực bằng một vách cứng đặc tơng đơng có cùng chiều cao

và tải trọng ngang ở đỉnh

Các khung đợc coi nh một thanh công xôn ngàm vào vị trí móng, công thức tính chuyển vị tại vị trí đầu thanh là:

3

3

3 3

td td

P H y EI

P H I

Ey

=

P P

* Xác định momen quán tính của lõi:

Do tiết diện lõi đối xứng qua trục Oy nên trọng tâm lõi nằm trên trục Oy

→xc = 0

+ Ta xác định momen quán tính của lõi đối với trục x:

Chọn hệ trục ban đầu trong đó x’ nh hình vẽ, trục y la trcj đối xứng:

Diện tích tiết diện:

A = 0,25.0,745 + 30,25.2,1 + 0,25.8,19 + 0,25.0,645 + 0,25.1,075 = 4, 23875 (m3)

Momen tĩnh đối với trục x’:

Sx’ = 0,25 0,745 0,125 + 0,25 1,075 0,125 + 0,25 0,645 0,125 + 0,25 8,19 2 + 3 0,25 2,1 1,3

= 7,192 (m3)

1,075 0, 25

1,7 0,125 0, 26875 12

0,645.0, 25

1,7 0,125 0,16125 12

0, 25.2,1

1,7 0, 25 1,05 0,525 12

3,603

x

x m

1, 45 0,76 0,69 12

0,3.2,5

1, 25 0,723 0,75 12

Dựa vào mặt bắng kất cấu nhà gồm 7 khung chia làm 3 loại:

- Khung trục biên (trục 1 và 7)

Chọn tiết diện cho thanh côngxôn là:

b x h = 4,7244m x 6,5m

* Xác định khối lợng từng tầng:

+ Tầng 1:

- Trọng lợng sàn M1:

- Träng lîng v¸ch vµ lâi cña thang m¸y:

M4 = 4,57 3,1 2,5 + 4.( 1,47 + 1,44 ) 2,5 3,1

* Xác định tần só dao động riêng của công trình:

Việc xác định tần số dao động riêng của công trình đợc thực hiện bởi chơng trình SAP 7.42

Sau khi nhập các giá trị tính toán ở trên vào chơng trình SAP7.42 ta có kết quả nh sau:

T2 = 0,0847(s) → f2 = 11,81

Ta thấy: f1 < fL < f2

( fL = 1,3: tra tiêu chuẩn 2737.1995)

+ Thành phần động của tải trọng gió WP đợc xác định theo công thức:

950 2 , 1

.

.

n

k pk j

IV Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang (khung trục 2):

1 Tĩnh tải:

Tĩnh tải tác dụng lên khung bao gồm:

+ Tĩnh tải tác dụn lên khung dới dạng phân bố:

a Tĩnh tải tác dụng lên khung dới dạng phân bố:

g11, g21 : tải phân bố tác dụng lên các dầm khung đỡ sàn tầng 1

g12 , g22 , g32 : tải phân bố tác dụng lên các dầm khung đỡ sàn tầng 2

g13 , g23 , g33 : tải phân bố tác dụng lên các dầm khung đỡ sàn tầng 3 -> 19. g1m , g2m, g3m : tải phân bố tác dụng lên các dầm khung đỡ sàn mái.

b TÜnh t¶i t¸c dông lªn khung díi d¹ng tËp trung:

GA, GB, GC, GE: lùc tËp trung t¸c dông lªn cét thuéc trôc A, B, C, D

3503,6

Do träng lîng b¶n th©n dÇm däc: 4900,5

Do têng x©y trªn dÇm däc: 7223

Do t¶i träng tõ sµn truyÒn vµo:

3503,6

Momen(kgm)

- Ho¹t t¶i t¸c dông lªn dÇm CD: (kh«ng cã)

b Ho¹t t¶i t¸c dông lªn khung díi d¹ng tËp trung:

+ Tầng hầm:

( ) 4 9 1 400.1,2.20 9600( / )

2 4 150.1,2.[ 9 1 9.1,2] 5544( )

9 2571( )

Wi: tải trọng gió tác dụng lên khung thứ i

W : tải trọng gió tác dụng lên toàn nhà

EIi: độ cứng của khung thứ i

(EI)j:độ cứng của toàn nhà

a Gió tĩnh:

Wt (kG/m): tải trọng gió tác dụng vào các mức sàn đợc quy về lực phân bố

đều đặt tại mép sàn của phần công trình có độ cao z

Wt(K2) (kG/m): tải trọng gió phân bố tác dụng vào khung trục 2

Wd (kG/m): tải trọng gió tác dụng vào các mức sàn đợc quy về lực phân bố

đều đặt tại mép sàn của phần công trình có độ cao z

Wd(K2) (kG/m): tải trọng gió phân bố tác dụng vào khung trục 2

* Sơ đồ để tính toán nội lực là sơ đồ khung không phẳng ngàm tại móng

Vách, lõi đợc quan niệm là các phần tử tấm

Cột, dầm là các phần tử thanh

* Tải trọng tính toán để xác định nội lực gồm:

- Trờng hợp tĩnh tải

- Trờng hợp hoạt tải chất lệch tầng lệch nhịp trên các nhịp

- Tải trọng gió tĩnh và gió động

Ta sử dụng chơng trình SAP 7.42 để tìm nội lực

Kết quả nội lực tính toán đợc xem phần phụ lục

II Tổ hợp nội lực:

Sau khi xác định đầy đủ các giá trị nội lực trong các cấu kiện của công trình bằng máy tính, ta tiến hành tổ hợp nội lực nhằm tìm ra nội lực nguy hiểm nhất xuất hiện trong kết cấu để thiết kế cấu kiện

Thực hiện tổ hợp nội lực cho cột và dầm theo hai tổ hợp nội lực cơ bản

- Tổ hợp cơ bản 1: gồm tĩnh tải và một trờng hợp hoạt tải có nội lực gây nguy hiểm nhất cho cấu kiện với hệ số tổ hợp là 1

- Tổ hợp cơ bản 2: gồm tĩnh tải và hai trờng hợp hoạt tải trở lên có nội lực gây nguy hiểm nhất với hệ số tổ hợp 0,9 cho các nội lực của hoạt tải

KÕt qu¶ tæ hîp néi lùc xem phÇn phô lôc.

D ThiÕt kÕ cét khung trôc 2

ChiÒu dµi tÝnh to¸n cña cét: l0 = 0,7l = 0,7.3,6 2,52( ) = m

l h

0,1

150

S

e h

+ +

( 2 ) 1

( 2 ) 1,5 0,08 1101,34( 2 0,04)

1,5 170,13 1311.79( 2 0,04)

1 1311,79

420300,0382

th

N N

0

150 17,97 4 88,94( )

n

N

R b h

2 '

122, 26

1311790 88,94 130 70 122, 26 146 2

3600 146 4 43,52( )

e h

2 1,5 0,08 1101,34 2 0,04

1

1,5 190,39 1027,62 2 0,04

271826,7178

th

N N

0 2

150 1,004 23,53 4 94,6( )

'

0 ' 2

150

1,004 23,53 4 43,38( ) 2

2 117970547

Vì lực cất nhỏ nên cốt đai đợc đặt theo cấu tạo

- Điều kiện cốt đai: 0,25 7

Trong đoạn nối cốt thép chịu lực đặt φ10 a100

Trong đoạn còn lại đặt φ10 a200

E ThiÕt kÕ dÇm khung trôc 2

M A

γ = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2A] = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2 0 , 222 ] = 0 , 873

DiÖn tÝch cèt thÐp yªu cÇu lµ:

0,8734066000.3600.56 23,1(cm2)

o h a R

M a

55 , 24

2 TÝnh to¸n cèt thÐp chÞu m«men d ¬ng:

112 672 6

1 6 1

) ( 5 , 427 ) 45 900 (

2 1

min

cm c

h

cm l

cm c

M A

γ = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2A] = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2 0 , 1014 ] = 0 , 946

Diện tích cốt thép yêu cầu là:

0,9461860000.3600.56 9,75(cm2)

o

h a R

M a

4 , 11

- Lực mà cốt đai phải chịu là:

56 45 10 8

24180

.

2 2

0

2

cm

kG h

b R

Q q

785 , 0 2 2200

cm d

q d nf ad

R tt

87 , 5 ( )

24180

56 45 10 5 , 1

5 , 1 max

2 2

0

cm Q

bh k

20

20 3 / 60 3 /

= 20(cm)

→ Khoảng cách giữa các cốt đai là:

u = min (utt ,umax ,uct) = 20 (cm)

Chọn cốt đai φ10 a200 bố trí trong khoảng 1/4 nhịp đầu dầm

Trong khoảng 1/2 nhịp giữa dầm lấy khoảng cách các cốt đai là 300mm

III Tính cốt thép cho dầm D10

Từ bảng tổ hợp chọn ra 3 cặp nội lực để tính toán :

M+ max, Qt

M A

γ = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2A] = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2 0 , 266 ] = 0 , 842

DiÖn tÝch cèt thÐp yªu cÇu lµ:

0,8422013000.3600.36 15,44(cm2)

o h a R

M a

73 , 14

2 TÝnh to¸n cèt thÐp chÞu m«men d ¬ng:

bc = b + 2c1

b = 45cm

) ( 120 20 6 6

3 , 61 368 6

1 6 1

) ( 5 , 427 ) 45 900 (

2 1

min

cm c

h

cm l

cm c

M A

γ = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2A] = 0 , 5 [ 1 + 1 − 2 0 , 26 ] = 0 , 846

DiÖn tÝch cèt thÐp yªu cÇu lµ:

0,8461972000.3600.36 14,96(cm2)

o h a R

M a

73 , 14

Tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: Qmax < K0.Rn.b.ho→ Kh«ng cÇn t¨ng kÝch thíc tiÕt diÖn

+ KiÓm tra ®iÒu kiÖn tÝnh to¸n:

0,6.Rk.b.ho = 0,6.10.45.36 = 9720(kG) = 9,72(T) < Qmax= 17,2 (T)

→ Ph¶i tÝnh to¸n cèt ®ai cho dÇm

- Lùc mµ cèt ®ai ph¶i chÞu lµ:

36 45 10 8

17200

.

2 2

0

2

cm

kG h

b R

Q q

k

Chọn đai φ10, 2 nhánh, thép AII, fđ = 0,785cm2

Khoảng cách tính toán:

54 , 5 ( )

4 , 63

785 , 0 2 2200

cm d

q d nf ad

R tt

50 , 9 ( )

17200

36 45 10 5 , 1

5 , 1 max

2 2

0

cm Q

bh k

15

20 2 / 40 2 /

= 15(cm)

→ Khoảng cách giữa các cốt đai là:

u = min (utt ,umax ,uct) = 15 (cm)

Chọn cốt đai φ10 a200 bố trí đều khắp dầm

9 1

06 , 3 1

' 1

M

M M

M a

I