kết cấu xây dựng trong thiết kế tổ chức thi công công trình

Phân tích và chọn lựa ph ơng án kết cấu cho công trình:- Bêtông cốt thép là loại vật liệu đợc sử dụng chính cho các công trình xâydựng trên thế giới.. Tuy nhiên vật liệu bêtông cốt thép

PhÇn II: kÕt cÊu

(45%)

Gi¸o viªn híng dÉn : chu tiÕn dòng

Sinh viªn thùc hiÖn : nguyÔn v¨n tíi

Líp : 49xd3.

MSSV : 6471.49

NhiÖm vô thiÕt kÕ:

- Chän gi¶i ph¸p kÕt cÊu tæng thÓ cña c«ng tr×nh

- 02 b¶n vÏ cÊu t¹o thÐp cét, dÇm - khung trôc 3

- 01 b¶n vÏ cÊu t¹o thÐp sµn tÇng ®iÓn h×nh vµ cÇu thang bé

- 01 b¶n vÏ mãng

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

- Bêtông cốt thép là loại vật liệu đợc sử dụng chính cho các công trình xâydựng trên thế giới Kết cấu bêtông cốt thép khắc phục đợc một số nhợc điểm củakết 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 củacốt 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 theochiều 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 củanhà Kết cấu này chịu tải trọng ngang kém, tính liên tục của khung cứng phụthuộc vào độ bền và độ cứng của các liên kết nút khi chịu uốn, các liên kết nàykhông đợc phép có biến dạng góc Khả năng chịu lực của khung phụ thuộc rấtnhiều 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, việcthi công cũng tơng đối thuận tiện do đã thi công nhiều công trình, vật liệu vàcông nghệ dễ kiếm nên chắc chắn đảm bảo tính chính xác và chất lợng của côngtrình

- Hệ kết cấu này rất thích hợp với những công trình đòi hỏi sự linh hoạttrong 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 phảilớn

- Sơ đồ thuần khung có nút cứng bêtông cốt thép thờng áp dụng cho côngtrình 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 kếtcấu 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)

đ-ợc liên kết với nhau qua hệ thống sàn Trong trờng hợp này, hệ sàn liền khối có ýnghĩa 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 yếuchịu tải trọng ngang, hệ khung chủ yếu chịu tải trọng đứng Sự phân chia rõ chứcnăng 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 củacông trình do cả hệ khung và lõi cùng chịu, thông thờng do hình dạng và cấu tạonên vách (lõi) có độ cứng lớn nên cũng trở thành nhân tố chiụ lực ngang lớntrong công trình nhà cao tầng Sơ đồ khung – giằng tỏ ra là hệ kết cấu tối u chonhiều loại công trình cao tầng Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôinhà đến 40 tầng

Hiện nay chúng ta đã làm nhiều công trình có hệ kết cấu này nh tại cáckhu đô thị mới Láng – Hoà Lạc, Định Công, Linh Đàm, Đền Lừ… Do vậy khảnăng 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 B25 (Rb = 14,5MPa; Rbt=1,05MPa) cho các kết cấu chịu lực thông thờng.Cốt thép chịu lực nếu ∅≥12 chọn nhóm AIII (Rs =Rsc= 360MPa), nếu ∅<12 thìchọn thép AII(Rs =Rsc= 280MPa)

- Về hệ kết cấu chịu lực: sử dụng hệ kết cấu khung + vách + lõi chịu lựcvới sơ đồ khung giằng Trong đó, hệ thống lõi đợc bố trí đối xứng trong lồngthang máy ở khu vực giữa nhà, hệ thống vách đợc bố trí ở các khung biên củacông trình, chịu phần lớn tải trọng ngang tác dụng vào công trình và phần tảitrọng đứng tơng ứng với diện chịu tải của vách, lõi Hệ thống khung bao gồm cáchàng 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 tảitrọng 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

2 Tiết diện dầm:

a Mặt bằng kết cấu sàn tầng 1:

Do bị khống chế bởi chiều cao tầng hầm, hệ dầm đỡ sàn tầng 1 là các dầmbẹt có: dầm dọc: h = 400 (mm); b = 700 (mm)

Rb: cờng độ chịu nén tính toán của bê tông (Rb= 140 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: A=(0,9 ~ 1,5) 1123 ,2

1400 =0 ,72~1 ,203( m2)Chọn tiết diện cột 1500x700 (mm) chung cho tất cả các cột giữa ở cáctầng

- Kiểm tra điều kiện ổn định của cột: λ= l0

2 Tiết diện vách, lõi:

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

Trên mái của toà nhà có bố trí hai bể nớc có kích thớc

axbxh=2,4 x 4,3x 2,5(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:

- Tờng ngăn giữa các phòng, tờng bao chu vi nhà dày 220; Tờng ngăntrong các phòng, tờng nhà vệ sinh trong nội bộ các phòng dày 110 đợc xây bằnggạch có  =1500 kG/m3 Cấu tạo tờng bao gồm phần tờng đặc xây bên dới vàphần kính ở bên trên.

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

+ Đối với tờng ngăn không có dầm đỡ ta đa về tải phân bố đều trên sàn:

T NH TOÁN T ÍNH TOÁN T ẢI TRỌNG TĨNH TẢI PHÂN BỐ kG/m

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T QUảKếT

g11

1.trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác đa về tải

phân bố đều:4x563,7/4+6.97x563,7/5,29 1306.4

T NH TOÁN T ÍNH TOÁN T ẢI TRỌNG TĨNH TẢI TËP TRUNG kG

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KÕT QU¶

TÇng 2 den tÇng 19

T NH TOÁN T ÍNH TOÁN T ẢI TRỌNG TĨNH TẢI PHÂN BỐ kG/m

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KÕT QU¶

T NH TOÁN T ÍNH TOÁN T ẢI TRỌNG TĨNH TẢI TËP TRUNG kG

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KÕT QU¶

TÇng m¸i:

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KếT QUả

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

đa về tải phân bố đều:4x793/4+2,89x793/3,4 1466.99

gm3

1 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

đa về tải phân bố đều:1,44x793/2,4+2,25x793/3 1148.99

gm4

1 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

đa về tải phân bố đều:4x793/4+4x793/4 1587.3

gm5

1 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

đa về tải phân bố đều:4x793/4+4x793/4 1587.3

T NH TOÁN T ÍNH TOÁN T ẢI TRỌNG TĨNH TẢI TậP TRUNG kG

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KếT QUả

II Ho¹t t¶i:

Ho¹t t¶i do ngêi vµ thiÕt bÞ:

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KÕT QU¶

2 träng lîng do sµn truyÒn vµo díi d¹ng h×nh tam gi¸c

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

p15 2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

đa về tải phân bố đều:(2x4x563.7)/4 960

T NH TOÁN ÍNH TOÁN T hoạt tải I TậP TRUNg tầng 1(kG)

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KếT QUả

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KếT QUả

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

đa về tải phân bố đều:(5+4)x195/4 438.75

p24

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

p25

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

T NH TOÁN ÍNH TOÁN T hoạt tải II TậP TRUNg tầng2,4,6,8,10,12,14,16,18(kG)

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KếT QUả

Ho¹t t¶i 1 tÇng 3,5,7,9,11,13,15,17,19(Gièng ho¹t t¶i 2 tÇng 2)

Ho¹t t¶i 2 tÇng 3,5,7,9,11,13,15,17,19(Gièng ho¹t t¶i1 tÇng 2)

Ho¹t t¶i 1 tÇng m¸i

gm3=1,44x97,5/2,4+2,25x97,5/3=131.6 (kG/m)

Pmc=((3,96+1,44/2)+(4,575+2,55/2))x97.5=1026.5(kG)

PmD=P1c=1026.5 (kG)

PmE=P1H=534 (kG)

Ho¹t t¶i 2 tÇng m¸i

T NH TOÁN ÍNH TOÁN T ho¹t t¶i II TËP TRUNg tÇng m¸i(kG)

TT LOẠI TẢI TRỌNG VÀ CÁCH T NHÍNH TOÁN T KÕT QU¶

Tổng 219.4

pm2

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

đa về tải phân bố đều:(5+4)x97.5/4 219.4

pm4

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

pm5

2 trọng lợng do sàn truyền vào dới dạng hình tam giác

III Tải trọng gió:

Công trình có độ cao 65,8 m (>40m), theo TCVN 2737-1995, khi tính toán tảitrọng tác động lên công trình phải tính thành phần tĩnh và thành phần động củatải 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 mốcchuẩn 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:

* Xác định momen quán tính của khung:

Thay thế khung thực bằng một vách cứng đặc tơng đơng có cùng chiềucao và tải trọng ngang ở đỉnh

Các khung đợc coi nh một thanh công xôn ngàm vào vị trí móng, côngthức 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

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

Ta xác định momen quán tính của vách với trục x:

0,3.2,3

1, 45 0,76 0,69 12

1, 25 0,723 0,75 12

Dùa vµo mÆt b¾ng kÊt cÊu nhµ gåm 7 khung chia lµm 3 lo¹i:

- Khung trôc biªn (trôc 1 vµ 7)

Việc tính toán tần số dao động cho toàn nhà đ ợc thực hiện bởi chơng trìnhSAP 7.42 với mô hình tính toán là một thanh côngxôn có độ cứng bằng tổng thểcủa toàn nhà EI = 313,548.109 (kgm2)

Chọn tiết diện cho thanh côngxôn là:

Cột (T)

Vỏch, lừi (T)

Tường+kớnh (T)

Tổng khối lượng (T)

Tầng 1 445.06 142.72 266.83 230.53 310.25 1395.4 Tầng chung cư 544.79 150.11 147.13 145.89 155.74 1143.7

( fL = 1,3: tra tiêu chuẩn 2737.1995)

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

y: dịch chuyển ngang của công trình ở độ cao z ứng với dạng dao độngriêng

thứ nhất

i : hệ số xác định theo công thức

1 2 1

.

n

k pk j

+ Thành phần động tính toán của tải trọng gió WP

Wtt

p = Wtc

p.

Trong đó:

d.Phân tảI trong gió vào khung trục 3

Tải trọng gió phân vào các khung tỷ lệ với độ cứng của khung Ta có tải trọnggió đợc phân phối cho khung thứ i là:

1

( )

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

* 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(K3) (kG/m): tải trọng gió phân bố tác dụng vào khung trục 3

(kG)

Wt (K3)(kG/m)

- Trờng hợp hoạt tải1,2 chất đều lệch tầng, lệch nhịp.

- Tải trọng gió tĩnh + gió động theo các phơng Y, -Y

Các trờng hợp chất tải

Sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung K3(T,T/m).

2.053 2.053

0.34 0.263

5.34

2.053 2.053

0.34 0.263

2.053 2.053

0.34 0.263

0.34

Sơ đồ gió trái tác dụng vào khung K3

Phơng pháp tính sử dụng chơng trình SAP2000 V10.01 để tìm nội lực.Kết quả nội lực tính toán xem phần phụ lục.

Sơ đồ phần tử khung:

121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140

141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160

162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180

- Tæ hîp c¬ b¶n 2: gåm tÜnh t¶i vµ hai trêng hîp ho¹t t¶i trë lªn cã néi lùcg©y nguy hiÓm nhÊt víi hÖ sè tæ hîp 0,9 cho c¸c néi lùc cña ho¹t t¶i.

Vậy ta bố trí cốt thép đối xứng cho cột C6 mỗi bên 832 có diện tích 64,34(cm2).

+)Kiểm tra hàm lợng cốt thép tối thiếu theo độ mảnh λ=l0/r=l0/0,288b=12,5

λ¿17  tmin = 0.05 %

μ= A s

b h0.100%=

64,34 70.126.100%=0,73%>tmin = 0.05 %

3 Tính toán cốt đai

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

- Điều kiện cốt đai:

5

dai

max mm max

Trong đoạn nối cốt thép chịu lực đặt 10 a100

Trong đoạn còn lại đặt 10 a200

E Thiết kế dầm - khung trục 2

ζ =0,5[ 1+√1−2α m]=0,5[1+√1−2.0,347]=0,777

Diện tích cốt thép yêu cầu là:

Eb= 3.104 (MPa)

+)Thép đai: AII có: Rsw= 2250(daN),

Es=2,1.105(MPa)

+)Tải trọng tính toán phân bố đều(với lực tập trung ở giữa dầm 1 cách gần đúng

ta quy ra lực phân bố rồi cộng tác dụng)

+) Kiểm tra sự cần thiết phải đặt cốt đai:

Bỏ qua ảnh hởng của lực dọc trục nên ϕn=0

+) Giá trị :Q−Q b 1

2 h0 =

34600−22291 2.66 = 93,25(daN/cm)

+) Yêu cầu: qsw>(Q bmin

+) Giá trị Smax : Smax=

ϕ b 4(1+ϕn)R bt bh 0 2

1,5(1+0).10,5.30 662

+) Khoảng cách thiết kế của cốt đai:

S=min(Sct,Stt,Smax)= 23(cm).Chọn S=20cm ->Bố trí 10 a200 cho dầm

+) Kiểm tra lại điều kiện cờng độ trên tiết diẹn nghiêng theo ứng suất nến chính khi đã có bố trí cốt đai. Q≤ 0,3ϕwlϕblRbbh0

Kết luận: Chọn cốt đai 10 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

+) Kiểm tra sự cần thiết phải đặt cốt đai:

Bỏ qua ảnh hởng của lực dọc trục nên ϕn=0

+) Giá trị :Q−Q b 1

2 h0 =

9170−7756 2.46 = 15,36(daN/cm)

+) Yêu cầu: qsw>(Q bmin

+) Khoảng cách thiết kế của cốt đai:

S=min(Sct,Stt,Smax)= 17(cm).Chọn S=15cm ->Bố trí 10 a150 cho dầm

+) Kiểm tra lại điều kiện cờng độ trên tiết diẹn nghiêng theo ứng suất nến chính khi đã có bố trí cốt đai. Q≤ 0,3ϕ ϕ R bh

KÕt luËn: Chän cèt ®ai 10 a200 bè trÝ trong kho¶ng 1/4 nhÞp ®Çu dÇm.

Trong kho¶ng 1/2 nhÞp gi÷a dÇm lÊy kho¶ng c¸ch c¸c cèt ®ai lµ 300mm

* TÝnh cèt thÐp chÞu m« men d¬ng: tÝnh víi M1 = 349,29 kG.m

Chän chiÒu dµy líp b¶o vÖ a = 1,5 cm  ho = 15 – 1,5 = 13,5 (cm)

2

) Chän 10 a200 ( Fa = 3,93 cm2)

) Chọn 10 a200 ( Fa = 3,93 cm2)

μ= As

b.ho=

3,93 100.18,5 =0,21(%)>μmin=0,1%

2 Các ô sàn còn lại:

Những ô sàn còn lại đợc tính toán và bố trí cốt thép tơng tự nh ô sàn S1 ởtrên

G Thiết kế cầu thang bộ

I Tính toán bản thang

Bản thang đợc tính nh dầm đơn giản bề rộng 1m, nhịp 2,42(m) theo phơngngang, lực tác dụng lên bản thang đợc truyền lên dầm chiếu nghỉ và dầm chiếutới

Sơ đồ kết cấu bản thang nh dầm đơn giản tựa lên hai gối cố định

Chọn sơ bộ bản thang có chiều dày: h = 10(cm)

Góc nghiêng của thang so với phơng nằm ngang là:

2

)  Tổng tĩnh tải tác dụng lên bản thang:

* Hoạt tải :

Hoạt tải tính toán: p=n ptc=1,2.300=360(kG/m2)

* Tổng tải trọng tác dụng lên bản thang là:

q= p+g=360+537,2=897,2(kG/m2)