Thuyết minh Đồ án Kết cấu bê tông cốt thép theo ACI 318 2014

Thuyết minh Đồ án môn học Kết cấu Bê tông cốt thép theo ACi 318 2014 Đại học Giao thông vận tải Tp HCM. Bao gồm: tính toán bản sàn một phương, tính toán dầm phụ, tính toán dầm chính. Trong đó có cả các công thức tính toán theo ACI 318 2014 mới

Mục Lục

T r a n g 1 | 52

Lời Mở Đầu

Giới thiệu sơ qua về nội dung tập thuyết minh Đồ án Bê tông cốt thép 1, gồm

có 3 phần chính: tính toán thiết kế cho bản sàn, tính toán thiết kế cho dầm phụ(dầmsàn), và tính toán thiết kế dầm chính( dầm khung) Tập thuyết minh lấy số liệu từ

đề, sau đó tham khảo tài liệu của các thầy cô trong ngành xây dựng và các tiêu chuẩn ACI, kết hợp với các kiến thức đã học, các bài làm của những anh chị đi trước, cùng với các phần mềm Excel, Word, Auto CAD, SAP2000 để tính toán, trình bày ra các dữ liệu từ đó đưa ra được bộ Đồ án hoàn chỉnh

Một số tài liệu được tác giả tham khảo:

- Sàn sườn bê tông toàn khối – Nguyễn Đình Cống,

- Tiêu chuẩn ACI 318,

- Hướng dẫn đồ án môn học bê tông cốt thép 1 : Sàn sườn toàn khối có bản dầm - Nguyễn Văn Hiệp,

Để hoàn thành được tập thuyết minh nói riêng và toàn bộ Đồ án Bê tông cốt thép

1 nói chung, không thể không kể đến sự chỉ bảo, hỗ trợ và chỉnh sửa tận tình của giảng viên Tiến sĩ Mai Lựu Một lần nữa em xin cảm ơn thầy đã dành thời gian, công sức của mình để giúp em hoàn thành Đồ án này

Chân thành cảm ơn thầy!

T r a n g 2 | 52

Chương 1 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP

3

Hình 1: Mặt bằng sơ đồ bản sàn,

1 Cột; 2 Dầm sàn; 3 Dầm khung.

T r a n g 3 | 52

1.2. Số liệu đầu vào

Bảng 1.1: Kích thước nhịp sàn và tải trọng tiêu chuẩn

1.4.1.Kích thước sơ bộ của bản sàn

- Tham khảo theo Sườn sàn bê tông toàn khối – Nguyễn Đình Cống,

- Chiều dày bản sàn được xác định như sau:

• Với D = 1, m = 35 (tham khảo theo sách),

• Ta có, bề dày bản sàn:

t b

h = ×l = ×2250 = 64,286(mm)

Để thuận tiện cho việc tính toán, thi công ta chọn chiều dày bản sàn là bội

số của 10mm hoặc 20mm Từ đó, ta chọn bề dày bản sàn là: hb = 80(mm).1.4.2.Kích thước sơ bộ dầm phụ ( dầm sàn)

- Chiều dày dầm phụ hdp nằm trong khoảng:

t dp

- Chiều dày dầm chính hdc nằm trong khoảng:

Chương 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢN SÀN

200 200 200

- Xét một ô bản đơn có mặt bằng hình chữ nhật chịu tải trọng phân bố đều

vuông góc với bề mặt bản Bản làm việc chịu uốn, xét tỉ số giữa hai cạnh của

ô bản:

2 1

2,67 > 2

 Tính toán theo bản một phương, lấy dải bản rộng b = 1m làm đại diện để

tính toán Và vì các ô là giống nhau, kế tiếp nhau, nên bản sàn sẽ làm việc như một dầm liên tục

Hệ số tin cậy

Giá trị tính toán (kg/m 2 )

Giá trị tính toán (kN/m 2 )

2.3.2.Xác định hoạt tải tác dụng lên bản sàn

- Hoạt tải của bản sàn được xác định:

−

T r a n g 8 | 52

2.4. Xác định nội lực của bản sàn

- Sử dụng phần mềm sap 2000 tìm ra được momen và lực cắt của bản sàn Ta

có các sơ đồ tính tương ứng với các trường hợp đặt tổ hợp tải bên dưới và các biểu đồ bao (momen, lực cắt) như sau:

Hình 2.4: Sơ đồ đặt tải tác dụng lên bản sàn

Hình 2.5: ½ Biểu đồ bao momen của bản sàn

Hình 2.6: ½ Biểu đồ bao lực cắt của bản sàn

- Dựa vào biểu đồ bao momen của bản sàn, ta có được kết quả giá trị momen lớn nhất tại các nhịp và các gối như sau:

Bảng 2.2 Giá trị momen tại lớn nhất tại các tiết diện

Tiết diện Moment uốn lớn nhất tại vị trí Giá trị momen

(N.mm)

1 - Giữa nhịp đầu tiên – nhịp biên 3655816

2.5. Tính toán và bố trí cốt thép

2.5.1.Kiểm tra khả năng chịu cắt của bản sàn

Chọn kiểm tra lực cắt lớn nhất Vu=11300,07 (N) tại gối thứ 2 Vì bản sàn

có bề dày hb = 80(mm), nên ta chọn lớp bê tông bảo vệ a0 = 10(mm) và thamkhảo tài liệu Sàn sườn bê tông toàn khối của thầy Nguyễn Đình Cống,đường

6 2

=> Thoả mãn điều kiện chịu cắt, không cần đặt cốt đai trong bản sàn

2.5.2.Tính toán và bố trí cốt thép trong bản sàn theo momen

- Giả thuyết cấu kiện bị phá hoại dẻo, chọn hệ số giảm độ bền ϕ = 0,9

- Tính toán cốt thép tại mặt cắt giữa nhịp biên có M= 3655816 N

- Tiết diện tính toán có: bxh = 1000mm x 80mm,

- Tìm chiều cao vùng nén a, dựa vào phương trình cân bằng momen tại tâm cốt thép chịu kéo As:

' 0.85

a

β

- Kiểm tra lại hệ số giảm độ bền ϕ:

- Tính lại ϕ với c vừa tìm được:

0,65 0,15 ( 1)

670,65 0,15 ( 1) 2,83

4,32

s

d c

- Tham khảo tài liệu Sàn sườn bê tông toàn khối:

+ Chọn khoảng cách đặt cốt thép S không được lớn hơn giá trị vừa tính được.+ Khoảng cách cốt thép chịu lực còn cần tuân theo các yêu cầu cấu tạo sau:

Smin ≤ S ≤ Smax

Thường lấy Smin = 70mm,

Vì hb = 80 < 150mm, nên lấy Smax = 200mm

- Khoảng cách thiết kế chọn thỏa mãn điều kiện:

(mm 2 )

φ S tt S

design Gối 1 0 0 160 160 6 0 180 157,05

Nhịp

biên

3655817 222,82 160 222,82 6 126,87 120 235,58

T r a n g 13 | 52

2.5.3.Bố trí thép cấu tạo, thép chống co ngót, thép chịu nhiệt:

- ACI quy định hàm lượng ρ =0,0018khi dùng thép có f y ≤ 420MPa

- Diện tích thép tương ướng với hàm lượng trên là As = 0,002.b.hb= 200 mm2

- Chọn thép có db = 6mm và Ab = 28,27 mm2

- Tính khoảng cách :

b s

Hình 2.8: a- Mặt cắt 2-2; b- Mặt cắt 3-3

T r a n g 15 | 52 b)

Chương 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ DẦM PHỤ

- Tổng tĩnh tải tác dụng lên dầm phụ là

T r a n g 16 | 52

Hình 3.4: Các trường hợp đặt hoạt tải

Hình 3.5: ½ Biểu đồ bao momen hai nhịp đầu của dầm phụ

* Để thuận tiện cho quá trình thi công, nên trong tính toán đặt cốt đai trên 1 nhịp

( tính từ trục gối này đến trục gối liền kề) ta chỉ lấy giá trị lực cắt lớn nhất tại bên trái gối đầu, lớn nhất ở nhịp( đoạn ở giữa cách đều 2 trục gối Sg ), và giá trị lực cắt lớn nhất tại bên phải gối liền kề

* Vì dầm có 4 nhịp, nên ta chỉ cần lấy ½ dầm ra để tính toán

T r a n g 19 | 52

- Cốt thép dọc của dầm phụ sử dụng loại thép CII có: fy = 280Mpa,

- Cốt đai của dầm sử dụng loại cốt thép CI có: fy = 225Mpa, fyt = 175Mpa.

3.4.1.Kiểm tra điều kiện chịu cắt của dầm phụ

- Chọn lực cắt tại phía trái gối biên để kiểm tra chịu cắt của bê tông Vu = 85884,21 N,

- Chọn chiều cao lớp bê tông bảo vệ cốt chủ abv = 20, giả sử ta chọn dùng thép cho cốt chủ có đường kính ф= 20 Chiều cao hữu hiệu của tiết diện được xác định như sau:

Không đủ khả năng chịu lực nên cần bố trí thêm cốt đai

3.4.2.Tính toán đặt cốt đai trong dầm phụ:

- Dựa vào biểu đồ bao lực cắt của dầm phụ, nhận thấy lực cắt là không

đều( giá trị lực cắt ở gần gối lớn và giảm dần khi về giữa bụng nhịp), thế nên

để tiết kiệm cốt thép ta chia dầm ra các đoạn để quy định về khoảng cách cấu tạo của cốt thép đai: Đoạn dầm gần gối tựa có chiều dài Sg và đoạn giữa dầm (theo TCXDVN 5574-2012)

T r a n g 20 | 52

Hình 3.7: Khoảng cách cấu tạo của cốt thép đai

- Vì tải trọng bên trên dầm phụ là tải phân bố nên:

3

2

v yt w

A f d

A f d

- Dựa vào biểu đồ bao lực cắt, ta có:

+ Trên đoạn dài Sg của các nhịp( 1500mm kể từ trục gối biên),

5 55156,34

A f d

Thiết kế khoảng cách đặt thép theo tiêu chuẩn ACI, phương trình tính toán thiết kế

cơ bản đối với khả năng chịu cắt của dầm BTCT:

v yt u c

- Tính toán tại các vị trí còn lại tương tự, kết quả đặt thép đai ở các mặt cắt:

Bảng 3.3 Bố trí thép đai cho dầm phụ

(N)

Vs,cần (N)

ф stính toán

(mm)

smax (mm)

schọn (mm)

Vs,thiết kế (N)

Tính từ trục

gối 1 qua phải

(1500mm)

58331,49

-22618,98

3.4.3.Tính toán diện tích cốt thép chịu lực

- Chỉ tiến hành bố trí cốt thép tại những tiết diện có trị tuyệt đối M lớn nhất ở các nhịp và gối tựa Các giá trị M quanh những tiết diện này sẽ được dùng

để kiểm tra (khi cần vẽ đồ vật liệu) về sau

- Biết h b b h f d M, , , , , ,w f f y s u Tiết diện đang xét là tiết diện chữ T, vì vậy cần

phải xác định độ vươn của sải cánh tính từ mép sườn (Sf) như sau:

( 2 )

1 '

Hình 3.8: Tiết diện dùng tính toán cốt thép trong dầm phụ

 Tính toán cốt thép chịu mô men dương:

• Tiết diện giữa nhịp biên (M u = 72799313 N.mm)

Giả sử hệ số sức kháng φ =0,9

và trục trung hòa đi qua điểm tiếp giáp giữa sườn và cánh của tiết diện, lấy cân bằng moment tại tâm cốt thép chịu kéo As:

f ab d

φ

T r a n g 24 | 52

'

2 0,85

:

13,25

0,036 0,6 370

295, 48 280

c w s s

→Trục trung hòa đi qua sườn, tính như tiết diện hình chữ nhật (bf, hf).

- Lấy cân bằng mô men tại tâm cốt thép chịu kéo:

:

8,34

0,023 0,6 370

As = 499,34mm2 > As,min = 295,48mm2(thỏa mãn)

 Cốt thép chịu mô men âm: (Phải tính theo tiết diện hcn tiết diện bw.h)

• Tiết diện gối thứ 2 (M u = 94655914 N.mm)

:

113,04

0,31 0,6 370

:

83,91

0,23 0,6 370

A s tổng (mm 2 ) ∆ As Khoảng

tt (mm)

(mm) Nhịp biên 793,03 2 18 508,84 816,66 0,03 32,00

Các nhịp 499,34 2 18 508,84 508,84 0,02 124,00

T r a n g 28 | 52

Gối thứ 2 1166,69 4 20 1256,40 1256,40 0,08 26,67

Các gối giữa 866,03 21 2018 628,20254,42 882,62 0,02 51,00

 Nhận xét: Cốt thép chịu lực đặt một lớp nên không cần tính lại d s Ở nhịp biên

và nhịp giữa có 2ф18 là cây thép có đường kính lớn nên sẽ đặt bên ngoài chạy từnhịp biên đến hết dầm phụ, tương tự ở trên các gối 2ф20 sẽ chạy hết dầm phụ.Ngoài ra, khi thi công ta sử dụng thép 2ф12 làm cốt giá

3.4.5.Vẽ biểu đồ bao vật liệu

- Tính lại khả năng chịu uốn của cốt thép nhịp biên:

• Ta bố trí 2Ø14+2Ø18 có: Asc = 816,67 mm2 ,

c

- Tương tự cho các mặt cắt còn lại ta được bảng số liệu như sau:

Bảng 3.5 Số liệu khả năng chịu lực của cốt thép

(N.mm)

Mr (N.mm)

Gối số 2- gối

biên

2ф20+2ф20 - 94655914 -100768491,4Cắt 2ф20

ở giữa

54474436,86

Các gối giữa 2ф20+1ф18 - 72969237 -74215348,80

3.4.6.Chiều dài neo thép sau khi cắt thép

- Chiều dài neo của cốt thép (mục 12.2, ACI318) được xác định theo công thức sau và không được nhỏ hơn 300mm:

ldb: chiều dài neo cơ bản (mm);

Ab: diện tích tiết diện thanh thép (mm);

fy và fc’ là giới hạn của cốt thép và độ bền của bê tông (MPa);

- Phần cắt và neo cốt thép ở nhịp biên:

Ta sẽ cắt 2ф14:

2 b

A =153, 94mm

b y

c db

0, 019.A f f

0, 019.153,94.280

183,13mm20

- Để tiện cho quá trình thi công, ta chọn chiều dài neo thép là 190 mm( hơn 3,8% chiều dài tính toán)

- Tương tự như trên ta cắt và neo cốt thép, ta lập được bảng số liệu như sau :

Bảng 3.6 Chiều dài neo thép tại các tiết diện

Tiết diện Căt thép A b

(mm 2 )

l db (tính toán)

(mm)

l db (chọn)

(mm) Nhịp biên Cắt 2d14 153,94 183,13 190

T r a n g 30 | 52

c) b)

a)

Hình 3.11: Các mặt cắt thể hiện thép trong dầm phụ

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO DẦM

- Sử dụng phần mềm SAP2000, với các tĩnh tải, hoạt tải và số liệu đầu vào ở trên để xuất ra biểu đồ bao momen và biểu đồ bao lực cắt cho dầm chính.

Hình 4.3 Biểu đồ bao momen dầm chính

Bảng 4.1 Giá trị momen lớn tại các mặt cắt

- Xác định momen tại mép gối biên:

Tính toán dựa trên cơ sở hình học( tam giác đồng dạng), ta xác định được các giá trị momen tại mép trái của gối và mép phải của gối, như sau:

+ M1 = Mmg,trái = - 246253101 N.mm

+ M2 = Mmg,phải = - 248352615 N.mm

Nhận xét: Vậy tại gối biên ta lấy momen mép phải của gối để đi tính cốt thép( Mgối biên = Mmg,phải = - 248352615 N.mm )

- Cũng như gối biên, gối số 3 – gối ở giữa – cũng đi tính momen tại mép gối

để tính toán thép, ngoài cách tính như ở gối biên, ta cũng có thể dùng phần mềm SAP để xuất momen lớn nhất tại mép trái và mép phải gối

+ M1 = M2 = - 191380726 N.mm

4.4. Tính cốt thép

T r a n g 36 | 52

Bê tông cấp độ bền C20 có: fc’ =20MPa,

Cốt thép dọc của dầm phụ sử dụng loại thép CII có: fy = fyt = 280MPa,

Cốt đai của dầm sử dụng loại cốt thép CI có: fy = 225Mpa, fyt = 175MPa.4.4.1.Tính toán cốt thép dọc

- Chọn khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu kéo đến mép vùng bê tông chịukéo a = 50mm

Tính chiều cao làm việc theo giả thuyết: d s = − =h a 600 50 550− = mm

Giả thuyết tiết diện phá hoại dẻo tương ứng với hệ số giảm độ bền φ=0,9

 Tính toán cốt thép cho nhịp:

Biết h b b h f d M, , , , , ,w f f y s u Tiết diện đang xét là tiết diện chữ T, vì vậy cần

phải xác định độ vươn của sải cánh tính từ mép sườn (Sf) như sau:

( 2 )

1 '

• Tính cốt thép tại nhịp biên, có momen M u = 231937612,5 N.mm

- Tính chiều cao vùng nén a dựa vào phương trình cân bằng momen tại tâm cốt thép chịu kéo, ta được:

27,61

s

d c

φ = + − = +  − =÷ >

T r a n g 38 | 52

theo biểu thức sau:

27, 61

0,05 0,6 550

s

y

f ab A

f

=

2 0,85 20 23, 47 1200

549,03 280

c w s s

• Tính cốt thép tại nhịp giữa, có momen M u = 143847795,8 N.mm

- Tính chiều cao vùng nén a dựa vào phương trình cân bằng momen tại tâm cốt thép chịu kéo, ta được:

16,98

s

d c

- Tính tỷ số s

c d

theo biểu thức sau:

16,98

0, 03 0,6 550

s

y

f ab A

f

=

2 0,85 20 14, 43 1200

549,03 280

c w s s

 Tính toán cốt thép cho gối:

Biết h b b h f d M, , , , , ,w f f y s u Tiết diện đang xét là tiết diện hình chữ nhật

Kích thước tiết diện hình chữ nhật (b w = 250mm; h = 600mm).

• Tính cốt thép tại gối biên, có momen M mg = -248352615 N.mm (lấy giá trị

momen mép phải gối để tính toán)

- Tính chiều cao vùng nén a dựa vào phương trình cân bằng momen tại tâm cốt thép chịu kéo, ta được:

158, 23

s

d c

φ = + − = +  − =÷ >

T r a n g 40 | 52

theo biểu thức sau:

158, 23

0, 29 0,6 550

s

y

f ab A

f

=

2 0,85 20 134,50 250

549,03 280

c w s s

• Tính cốt thép tại gối giữa, có momen M u = - 191380726 N.mm (lấy giá trị

momen mép phải gối để tính toán)

- Tính chiều cao vùng nén a dựa vào phương trình cân bằng momen tại tâm cốt thép chịu kéo, ta được:

117, 74

s

d c

- Tính tỷ số s

c d

theo biểu thức sau:

117,74

0, 21 0,6 550

s

y

f ab A

f

=

2 0,85 20 100,08 250

549,03

1709,91

549,03

1051,66

549,03

2041,48

3 25 1140,18 2082,48 0,03

2 20 942,30Gối

giữa

1519,01

549,03

1519,01

2 25 760,12 1520,24 0,06

2 20 760,12

T r a n g 42 | 52

4.4.3.Cắt và uốn thép

- Tính lại khả năng chịu uốn của cốt thép nhịp biên:

• Ta bố trí 3d22+2d20 có: Asc = 1768,38 mm2 ,

c

- Tương tự cho các mặt cắt còn lại ta được bảng số liệu như sau

Bảng 4.3 Số liệu khả năng chịu lực của cốt thép

(N.mm)

Mr (N.mm)

- Nhận xét, cố định khung thép, ta để ở 2d25 chạy xuyên suốt ở trên gối và 2d22 chạy xuyên suốt dầm ở dưới nhịp.

4.4.4.Tính toán cốt đai:

- Xuất giá trị lực cắt trong cấu kiện dầm chính từ SAP 2000 ta được các biểu

đồ lực cắt thành phần, và biểu đồ bao lực cắt như sau:

Hình 4.5 Biểu đồ lực cắt thành phần

Hình 4.6 ½ Biểu đồ lực cắt tổng hợp

T r a n g 45 | 52

- Vì dầm 4 nhịp, đối xứng nên chỉ cần tính cho ½ dầm, còn ½ còn lại bố trí đối xứng cho phù hợp.

136747,80

Vmin 43083,38 18410,1

2

90530,12 68175,20 4627,86 48569,94

- Lưu ý: Bảng trên đang lấy độ lớn chứ không xét đến dấu của lực cắt

 Thực hiện tính toán đặt cốt đai trong dầm chính:

• Kiểm tra tại tiết diện I-1

- Chọn khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu kéo đến mép vùng bê tông chịukéo a = 50mm,

- Chiều cao hữu hiệu của tiết diện được xác định như sau:

Theo điều kiện: φV n =0,75 102486,45 76864,84× = N V< =u 103083,38N

(*)

⇒

Không đủ khả năng chịu lực nên cần bố trí thêm cốt đai

- Dự kiến dùng thép ф8, đai hai nhánh, n=2,

3

2

v yt w

A f d

A f d

A f d

- Để thuận tiện cho quá trình thi công s, smax nên chọn là bội số của 10 Vậy

v yt u c

Cốt treo là một dạng đặt biệt của cốt đai với bước đai dày được đặt ở những

vị trí dầm phụ kê lên dầm chính để chịu lực tập trung do dầm phụ truyền vào Tính toán cốt treo theo các bước sau:

- Diện tích một nhánh cốt treo: ( chọn dùng thép phi 8)

2

2 3,141 8

50,26 4

- Trong đó: W G1 là tĩnh tải tập trung do dầm phụ truyền vào;

W L dc, là hoạt tải tập trung của dầm chính

- Chiều dài đặt cốt treo tính từ mép trái dầm phụ ra là:

T r a n g 49 | 52

A m nA

Với: a1 - khoảng cách từ mép bê tông chịu kéo đến tâm lớp thép chịu kéo

Vậy S tr = 33,75mm Tuy nhiên, nhận thấy lượng cốt đai gia cường nhiều ( s < 50mm), để đảm bảo thi công được, ta bố trí lại cốt đai gai cường trong đoạn b 2 =

- Tính lực mà 2 cây thép treo chịu được: