Đồ án thiết kế kết cấu khung

Phần I: Tính toán khung I- Mô tả công trìnhCông trình cần thiết kế là trường học 4 tầng, được xây dựng tại thành phố Hồ ChíMinh.Công trình được xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh

Hình 5 Mặt bằng tầng điển hình

Phần I: Tính toán khung I- Mô tả công trình

Công trình cần thiết kế là trường học 4 tầng, được xây dựng tại thành phố Hồ ChíMinh.Công trình được xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh bởi các tòa nhà caotầng 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 phương ngang và đứng, sau đó truyền xuống móng

2 Hệ thống kết cấu bao che: gồm tường 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, truyền tải trọngngang và đứng lên hệ khung đảm bảo cho toàn bộ công trình được ổn định và đảm bảocác cấu kiện cùng tham gia chịu lực

II- Lựa chọn giải pháp kết cấu

1 Chọn vật liệu sử dụng:

Sử dụng bê tông cấp độ bền B20có :

Rb = 11.5MPa; Rbt = 0,9MPa

Sử dụng thép:

+ Cốt thép chịu lực nhóm CII : Rs = Rsc = 280 MPa

+ Cốt thép cấu tạo nhóm CI : RS = RSC = 225MPa

2 Lựa chọn giải pháp kết cấu cho sàn:

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

3 Chọn kích thước chiều dày sàn:

a, Với sàn trong phòng:

- Hoạt tải tính toán: ps = ptc.n = 200.1,2 = 240 (daN/m2)

- Tĩnh tải tính toán (chưa kể trọng lượng bản thân bản sàn BTCT)

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

Các lớp vật liệu chuẩn Tiêu

 Chiều dày sàn trong phòng: 1111111111111111111111111❑

- Hoạt tải tính toán: P hl p n tc. 300.1, 2 360 daN m/ 2

- Tĩnh tải tính toán (chưa kể trọng lượng bản thân sàn BTCT )

2

0 82,6 /

g  daN m

Chiều dày sàn hành lang:h s2 10(cm)

Nếu kể cả tải trọng bản thân sàn BTCT thì:

- Tĩnh tải tính toán của ô sàn hành lang:

5 Lựa chọn kích thước tiết diện các bộ phận

a, Kích thước tiết diện dầm:

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

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 thước tiết diện cột trục C

Hình 4 Diện chịu tải của cột

khung phẳng

1 Sơ đồ hình học

Hình 5.Sơ đồ hình học khung trục4

b, Chiều cao của cột:

Chiều cao của cột lấy bằng khoảng cách giữa các trục dầm, do dầm khung thay đổitiết diện nên ta sẽ xác định chiều cao của cột theo trục hành lang (dầm có tiết diện nhỏhơn)

- Xác định chiều cao của cột tầng 1:

Lựa chọn chiều sâu chôn móng từ mặt đất tự nhiên trở xuống (cốt -0,5 m) với

Hình 6.Sơ đồ kết cấu khung trục 6

IV- Xác định tải trọng đơn vị

1.Tĩnh tải đơn vị

- Tĩnh tải sàn phòng học: gs = 358 (daN/m2)

- Tĩnh tải sàn hành lang: ghl =358 (daN/m2)

- Tĩnh tải sàn mái: gm = 322 (daN/m2) (phần sênô có gsn = gm = 322 (daN/m2))

- Tường xây 220: gt = 514 (daN/m2)

- Tường xây 110: gt = 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:

3,9 0,361 0, 79

2 2.5, 4

L

k L

k  

c, Với ô sàn hành lang, kích thước 2,0 x 3,9 (m)

Tải trọng phân bố tác dụng lên khung có dạng hình tam giác Để quy đổi sangdạng tải trọng phân bố hình chữ nhật, ta có hệ số

5

0, 6258

k  

V- Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung

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

Bảng diện tích ô sàn

trị S1=S2 (3,9-0,25) x (3,9-0,25)/4 3,39

Tĩnh tải trên các tầng 2, 3, 4 được tính trong bảng 3

Bảng 3 Tính tĩnh tải tầng 2, 3,4 Tĩnh tải phân bố - daN/m

1003

13882491

Tĩnh tải tập trung - daN

Do trọng lượng tường xây 220 trên dầm dọc cao

3,3 - 0,3 = 3,0m với hệ số giảm lỗ cửa 0,7:

514 x 3,0 x 3,9 x 0,7

Do trọng lượng sàn phòng học truyền vào :

sàn truyền vào dưới dạng hình tam giác với tung độ lớn nhất:

gs x S1 =358 x 3,39Cộng và làm tròn

708

4279,8

1213,26201

B

Do trọng lượng bản thân dầm dọc 0,22 x 0,3

103926421

11,94

1,55( )

7, 2 0, 22

t t

2 2 1

1, 4

0, 7( ) 2

t t

S

L

Hình 8.Sơ đồ phân tĩnh tải sàn tầng mái

Bảng 4 Tính tĩnh tải tầng mái

TĨNH TẢI PHÂN BỐ TRÊN MÁI - daN/m

1

2

m 1

499

9921491

225,4

402,5628

tĩnh tải tập trung trên mái

708

1091,5

891,5

3753066

3 Do trọng lượng sàn phòng học truyền vào :gs x S4=322 x 2,9

Do trọng lượng sàn hành lang truyền vào dưới dạng hình thang

với tung độ lớn nhất:

gsm x S5 = 322 x 2,5Cộng và làm tròn

934

8052447

708

805815,5

37527041

Ta có sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung

Hình 9.Sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung

VI- Xác định hoạt tải tác dụng vào khung

1 Trường hợp hoạt tải tầng điển hình

Hình 10.Sơđồ phân hoạt tải tầng điển hình Bảng 5 Tính hoạt tải tầng điển hình

Hoạt tải 1- tầng điển hình

Sàn Loại tải trọng và cách tính (đơn vị daN/m) Kết quả

Bảng 6 Tính hoạt tải tầng điển hình

Hoạt tải tầng điển hình Sàn Loại tải trọng và cách tính (đơn vị daN/m) Kết quả

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

244

270514

2.Trường hợp hoạt tải 2

Bảng 10 Tính hoạt tải 2 - Tầng mái

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

Do tải trọng từ sàn truyền vào dưới dạng hình thang với trung

độ lớn nhất:

P m C

Do tải trọng sàn truyền vào dưới dạng hình tam giác:

psm x S1= 97,5x3,39

Do hoạt tải sênô truyền vào:

Psm x0,71x0,94=97,5x0,71x3,9Cộng và làm tròn

331

270601

P m B

Do tải trọng truyền từ sàn vào dưới dạng hình chữ nhật

P m dp

Do tải trọng sàn truyền vào dưới dạng hình tam giác:

psm x S2= 97,5x3,39

Do tải trọng truyền từ sàn vào dưới dạng hình chữ nhật

psm x S3=97,5x2,9Cộng và làm tròn

331283614

Hình 15.Sơ đồ hoạt tải 2tác dụng vào khung

VII- Xác định tải trọng gió

Công trình xây dựng tại TP Hồ Chí Minh, thuộc vùng gió II-A, có áp lực gió đơn vị: W0

= 95-12=83 daN/m2 Công trình được xây dựng trong thành phố bị che chắn mạnh nên cóđịa hình dạng C

Công trình cao dưới 40m nên ta chỉ xét đến tác dụng tĩnh của tải trọng gió.Tải trọngtruyền lên khung sẽ được 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 = 0,76

Tỷ số h1/L = (3,6+(3,3x4))/(7,2+2,0) = 1,83 Tra theo TCVN 2737 - 1995 có Ce1 = 0,47 Ce2 =-0,75

-Trị số S được tính theo công thức:

S = nkW0BCihi = 1,2.0.76.83.3,9.Cihi = 295,2Cihi+ Phía gió đẩy:

Sđ = 295,2.(0,8.0,6–0,47.3,2) = -302,3 (daN)+ Phía gió hút:

Sh = 295,2.(0,6.0,6 + 0,75.3,2) = 850,2 (daN)

Hình 16.Sơ đồ gió tráitác dụng vào khung

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

1.Số liệu đầu vào ( Input - Kgf-m Units)

2 Số liệu đầu ra (Output)

Từ số liệu đầu ra của Sap 2000 ta có được 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

2.Tổ hợp nội lực cột.

ST

101558.61

94888.74

106156.71

-6,9 6,10 6,7,8 6,7,8,9 6,8,10 6,7,8,9

17490.386

Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra nội lực nguy hiểm nhất cho dầm:

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

Tính theo tiết diện chữ nhật b x h = 250 x 600 mm:

1 1 2.

0, 793 2

203, 49.10

15,98( ) 2800.0,793.56

 Tính cốt thép cho nhịp BC (mômen dương)

Tính theo tiết diện chữ T có cánh nằm trong vùng chịu nén với h ,  10 ( cm ).

Tính b,f  b 2.S c 0, 25 2.1,126 2,502( ) 250, 2( )  m  cm

Xác định:

, , ,

Có M Max 109,85(kN m ) 1084,62 ( kN m ) trục trung hòa đi qua cánh

Tính với tiết diện chữ nhật b h,f  250,2 60( ) cm

109,85.10

8, 24 ( ) 2800.0,85.54

 Tính thép cho gối B (mômen âm):

Tính theo tiết diện chữ nhật: b x h = 25 x 30 (cm)

32,63.10

5,77 ( ) 2800.0,842.24

 Tính thép cho gối A (mômen âm):

Tính theo tiết diện chữ nhật: b x h = 25 x 30 (cm)

20, 43.10

3,34 ( ) 2800.0,91.24

 Tính cốt thép cho nhịp AB, mômen dương M=14,37 (kN.m):

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

,

,10( ); c 0,37 f 2 c 0, 25 2.0,37 0,99( ) 99( )

Có M Max 14,37(kN m ) 176,72 ( kN m ) trục trung hòa đi qua cánh

Tính với tiết diện chữ nhật b x h,f 99 30( )x cm

14,37.10

2( ) 2800.0,987.24

Do 2 gối có mômen gần bằng nhau nên ta lấy giá trị mômen lớn hơn để tính thépchung cho cả 2:

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

Tính theo tiết diện chữ nhật b x h = 250 x 500 mm:

1 1 2.

0,88 2

87,53.10

8, 07( ) 2800.0,88.44

 Tính cốt thép cho nhịp BC (mômen dương)

Tính theo tiết diện chữ T có cánh nằm trong vùng chịu nén với hf ,  10 ( cm ).

Giả thiết: a 6(cm)  h0  50 6 44(   cm)

Giá trị độ vươn của cánh SC được lấy không nhỏ hơn các giá trị sau:

+ Một nửa khoảng cách thông thủy của các sườn dọc

0,5(3,9 0, 25) 1,825( )   m

+ 1/6 nhịp cấu kiện:

6,761,126( )

Có M Max 69, 44(kN m ) 871,95( kN m ) trục trung hòa đi qua cánh

Tính với tiết diện chữ nhật b h,f  250, 2 50( ) cm

m



4

2 0

69, 44.10

5, 43( ) 2800.0,992.44

e.Tính toán cốt thép cho dầm tầng mái, nhịp AB, phần tử D5-2 (b x h = 25x30)

- Gối B: MB =-10,36 (kN.m)

- Gối A: MA = -7,33 (kN.m)

MAB = 0,31 (kN.m)

- Mômen dương lớn nhất : M = 0,31 (kN.m)

 Tính thép cho gối B (mômen âm):

Tính theo tiết diện chữ nhật: b x h = 25 x 30 (cm)

10,36.10

1,6( ) 2800.0,96.24

 Tính thép cho gối A (mômen âm):

Tính theo tiết diện chữ nhật: b x h = 25 x 30 (cm)

7,33.10

1,13( ) 2800.0,97.24

 Tính cốt thép cho nhịp AB, mômen dương M=0,31 (kN.m):

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

,

,10( ); c 0,37 f 2 c 0, 25 2.0,37 0,99( ) 99( )

f

Giả thiết: a 6(cm)  h0  30 6 24(   cm)

Tính:

, , ,

Có M Max 0,31(kN m ) 176, 72( kN m ) trục trung hòa đi qua cánh

Tính với tiết diện chữ nhật b x h,f 99 30( )x cm

0,31.10

0,02( ) 2800.1,99.24

2 Tớnh toỏn và bố trớ cốt đai cho cỏc dầm:

a, Tớnh toỏn cốt đai cho dầm D1-1 (tầng 2, nhịp BC), cú b x h = 25 x 60 cm

+ Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra lực cắt nguy hiểm nhất cho dầm

Qmax =150 KN=15000daN

+ Bờ tụng cấp độ bền B15 cú: Rb = 8,5 Mpa = 85 daN/cm2

Rbt = 0,75 Mpa = 7,5 daN/cm2

Eb = 2,3.104 Mpa+ Thộp đai nhúm A1 cú: Rsw = 175 Mpa 1750 daN/cm2, Es = 2,1.105 Mpa

Dầm chịu tải trọng tớnh toỏn phõn bố đều với:

 Kiểm tra các điều kiện.

- Điều kiện để tính toán cốt đai:

c-hình chiếu tiết diện nghiêng lên trục của cấu kiện

Lấy c= khoảng cách từ mép gối tựa đến điểm đặt của lực tập trung tại giữa dầm

bt b

R b h

Nh vậy Qmax=150kN> Qb=36,75kN cần tính toán cốt đai.

- Kiểm tra điều kiện để đảm bảo khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm

6 R b hbt (0,75 qsw   q 0,5 ) p

với q: tải trọng toàn phầnp: hoạt tải phân bố

R b h s

Vậy chọn s =min s s stt; ;ct max

=min 210;200;365 

=200 mmchọn s = 200mm

Kiểm tra cờng độ trên tiết diện nghiêng.

- Điều kiện kiểm tra: Qmax≤ Qđb

hoặc c0< 2h0+Với cốt đai φ6 , 2 nhánh, s=200 mm ta có:

 . .  2.28,3.175  50 (N/mm)

200

sw sw sw

n a R q

s

1,5 1,5.0,75.250.540

bt sw

R bh q

=2.560=1120 mmVậy điều kiện cờng độ trên mặt cắt nghiêng được đảm bảo

b Tính toán cốt đai cho phần tử dầm D2-1,D3-1,D4-1.

Ta thấy trong các dầm có kích thước: b x h = 25x60 cm thì dầm D1-1 có lực cắt lớn nhất

Q = 150 KN, dầm D1-1(T2 )đặt cốt đai  6 200 a  chọn cốt đai  6 200 a cho toàn bộ

các dầm D2-1(T3 ); D3-1(T5 );D4-1(T5);

c.Tính toán cốt đai cho phần tử dầm D1-2 (tầng 2 nhịp AB) bxh = 25 x 30 cm

Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra lực cắt nguy hiểm nhất cho dầm:

Kiểm tra các điều kiện.

- Điều kiện để tớnh toỏn cốt đai:

R b h

c

Nh vậy Qmax=32,64kN> Qb=24,38kN cần tớnh toỏn cốt đai

- Kiểm tra điều kiện để đảm bảo khả năng chịu ứng suất nộn chớnh của bụng dầm

max 32,64 0,3 .b 0 0,3.8,5.250.260 165750 165,75

Vậy dầm đủ khả năng chịu ứng suất nén chính.

 Tính toán cốt đai.

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

b đb

+Xét tiết diện nguy hiểm nhất:

Qđb= 6 R b hbt (0,7502 qsw   q 0,5 ) p với q: tải trọng toàn phần

p: hoạt tải phân bố

sw sw sw

R A

mm q

150

ct

h s

- Điều kiện kiểm tra: Qmax Qđb

+Với cốt đai  , 2 nhánh, s=150 mm ta có:6

 . .  2.28,3.175  66 (N/mm)

150

sw sw sw

n a R q

Vậy điều kiện cường độ trên mặt cắt nghiêng được đảm bảo

b Tính toán phép đai cho các phần tử dầm D2-2,D3-2,D4-2,D5-2.

 Chọn đoạn cốt đai6 a200 ở 2 đầu dầm là 2210mm

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

Tại vị trí giao giữa dầm phụ và dầm chính ta bố trí cốt treo để tránh ứng xuất cụcbộ.P1=P+G1 =1510+2960=4470daN=44,7kN

Asw=

1

2 1

300

560 118,6175

o sw

h

P

h

mm R

Như vậy cần đặt cốt treo dạng cốt đai chọn 36 50a

XI- Tính toán cốt thép cho cột

+ Bê tông cấp độ bền B15 có: Rb = 8,5 Mpa = 85 daN/cm2

Rbt = 0,75 Mpa = 7,5 daN/cm2

Eb = 2,3.104 Mpa+ Thép dọc nhóm AII có:

Rs=Rsc=280MPa tra bảng ta có: R 0,65;R 0, 439

1 Tính toán cốt thép cho phần tử cột C6: b x h = 25x50

a, Số liệu tính toán:

- Chiều dài tính toán : l0 = 0,7H = 0,7 x 4,55 = 3,185 m =318,5 cm

- Giả thiết chiều dày lớp bảo vệ: a = a’= 4 cm  h0 = h - a = 50 - 4 = 46 cm

- Khoảng cách giữa hai trục cốt thép: Za = h0 - a’= 46 - 4 = 42 cm

- Độ mảnh: h =

l

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

- Độ lệch tâm ngẫu nhiên :

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

Bảng 14 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho cột C6

Ký

b, Tính toán cốt thép đối xứng cho cặp 1:

- Sử dụng bê tông cấp độ bền B15, thép AII  R  0,65; R  0, 439

- Giả thiết bài toán lệch tâm lớn :

37,1 ( ) 97360.31, 2 85.25.37,1.(46 )

- Sử dụng bê tông cấp độ bền B15, thép AII  R  0,65;R  0, 439

- Giả thiết bài toán lệch tâm lớn :

Ta tính R.h0 0,65.46 29,9 cm

Xảy ra trường hợp xR.h0 29,9cm ( Nén lệch tâm bé)

Tính x theo phương trình bậc 3: x a . x a1. x a0 0

2 2 3

38,7 ( ) 127720.29,5 85.25.38, 7.(46 )

- Sử dụng bê tông cấp độ bền B15, thép AII  R  0,65; R  0, 439

- Giả thiết bài toán lệch tâm lớn :

46 ( ) 106160.30,1 85.25.46.(46 )

2 Tính toán cốt thép cho phần tử cột C11: b x h = 25 x 25 cm

a Số liệu tính toán:

- Chiều dài tính toán: l0 = 0,7H = 0.7 x 4,55 = 3,185 m =318,5cm

- Giả thiết chiều dày lớp bảo vệ:

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

Bảng 15 Các cặp nội lực bất lợi nhất cho phần tử cột C11

M(kN.m)

N(kN)

) cm ( N

4 3

0 min

0

0 min

21.10

9,13 23.10

318,5 0,5 0,01 0,01 0,5 0,01 0,01.8,5 0, 288

25 8

0,32 25

e

h

e h

1

e p

Với bê tông cốt thép thường lấy p 1

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

dh dh l

 với bê tông nặng

Lực dọc tới hạn đuợc xác định theo công thức ;

( Nén lệch tâm lớn đặc biệt Lấy x2.a,2.4 8 cm để tính thép

Viết phương trình đối với trục cốt thép chịu nén: N e , R A h S .(S 0 a,)

=>hàm lượng cốt thép đã giả thiết là hợp lý

Tuy nhiên t min 0, 2%nên ta bố trí cốt thép theo hàm lượng cốt thép tối thiểu

2 min 0

4 3

0 min

0

0 min

21.10

9,13 23.10

318,5 0,5 0,01 0,01 0,5 0,01 0,01.8,5 0, 288

25 4,97

0, 2 25

e

h

e h

1

e p

Với bê tông cốt thép thường lấy p 1

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

dh dh l

 với bê tông nặng

Lực dọc tới hạn đuợc xác định theo công thức ;

1, 28259,54

Viết phương trình đối với trục cốt thép chịu nén:

Lượng thép yêu cầu:

0

, 0

12, 21 ( ) 25954.14,87 85.25.12, 21.(21 )

4 3

0 min

0

0 min

21.10

9,13 23.10

318,5 0,5 0,01 0,01 0,5 0,01 0,01.8,5 0, 288

25 4,97

0, 2 25

e

h

e h