Tính toán thiết kế Lõi Thang Máy nhà cao tầng

Tính toán thiết kế lõi cứng thang máy, bao gồm vách đứng, lanh tô (cấu kiện Spanderel). Áp dụng tiêu chuẩn ACI 318 để tính toán đúng chuẩn. Việc tính toán thiết kế được thống nhất, có cơ sở rõ ràng, dẫn chứng tiêu chuẩn liên quan. Luận vẵn đã được xác nhận và bảo vệ tại hội đồng Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Chương 7:

THIẾT KẾ KHUNG

7.1 Giới Thiệu Chung:

- Công trình Khu Tái Định Cư Bình Khánh có hệ kết cấu khung – vách bê tông cốt thép toàn khối Tỷ lệ kích thước chiều dài và bề rộng theo 2 phương nhỏ hơn 3 nên phải tính toán khung làm việc không gian

- Việc phân tích nội lực khung được thực hiện bởi phần mềm Etabs 9.7.1 đã trình bày trong chương 5

7.2 Thông Số Tính Toán

- Vật liệu và tiết diện sơ bộ đã được trình bày trong chương 3: Vật Liệu Sử Dụng

Và Tiết Diện Sơ Bộ

- Tải trọng và tác động đã được tính toán trong chương 4: Tải Trọng và Tác Động

+ Sử dụng tổ hợp chưa xét tới kháng chấn để thiết kế khung nhà

- Mô hình bài toán đã được thực hiện trong chương 5: Phân Tích Dao Động Công Trình và Lựa Chọn Phương Án Kết Cấu

7.3 Nhiệm Vụ Của Luận Văn

- Vì giới hạn thời gian làm luận văn, nên sinh viên không thể tính toán toàn bộ công trình mà chỉ thực hiện tính toán một số bộ phận cấu kiện sau:

+ Tính toán thiết kế khung trục D và khung trục 4

+ Tính toán và thiết kế lõi cứng thang máy

7.4 Kiểm Tra Chuyển Vị Đỉnh Công Trình

- Chuyển vị tại đỉnh công trình được xác định với Combo Bao IIa Sử dung phần mềm phân tích phần tử hữa hạn Etabs để xác định vị trí chuyển vị lớn nhất tại đỉnh công trình đang xét

Hình 7 1: Chuyển vị tại đỉnh công trình do Combo Bao IIa

- Theo đó, ta có chuyển vị lớn nhất của công trình là 0.03268 (m)

- Theo TCXD 198:1997, đối với kết cấu khung – vách chuyển vị lớn nhất cho phép tải đỉnh công trình được tính theo công thức: [ ]f =H/ 750 = 70.8 / 750 = 0.0944 ( )m

Ta có f = 0.03268 ( )m  [ ]f = 0.0944 ( )m vậy công trình thỏa điều kiện về chuyển

Hình 7 2: Biểu đồ bao mômen

khung trục D

Hình 7 3: Biểu đồ bao lực cắt

khung trục D

Hình 7 4: Biểu đồ bao lực dọc khung trục D

7.5.2 Nội Lực Khung Trục 4

Hình 7 5: Biểu đồ bao mô men khung trục 4

Hình 7 6: Biểu đồ bao lực dọc khung trục 4

Hình 7 7: Biểu đồ bao lực cắt khung trục 4 từ sàn tầng hầm tới tầng 4

7.5.3 Nhận Xét Về Nội Lực Khung

- Tại vị trí dầm gác lên vách, biểu đồ mô men tăng cao một cách đột biến Nguyên

do là tại vì ở vị trí này độ cứng của vách quá lớn so với cột dẫn tới sự chuyển vị không đều giữa 2 đầu dầm khiến mô men âm ở đầu gác lên vách tăng lên quá lớn Trong trường hợp mô men ở đây quá lớn và không thỏa hàm lượng cốt thép thì phải

có biện pháp xử lý cụ thể

Hình 7 8: Mô men vị trí dầm gác lên vách lớn hơn nhiều so với đầu còn lại

- Tại vị trí có dầm phụ gác qua, biểu đồ lực cắt có bước nhảy do có lực tập trung truyền qua dầm chính tại vị trí gác dầm phụ

Hình 7 9 Bước nhảy lực cắt tại vị trí giao với dầm phụ

 Dạng biểu đồ nội lực khung có được là hợp lý với những phân tích định tính

7.6 Thiết Kế Dầm Khung Trục 4 và Khung Trục D

- Mặt bằng công trình có trục đối xứng song song với trục y, do đó ta chỉ cần tính toán cho 1 nửa công trình

- Các dầm cần tính toán thiết kế bao gồm:

+ Dầm B7, B8, B13, B16 thuộc khung trục 4

+ Dầm B25, B41 thuộc khung trục D

- Mặt bằng bố trí dầm và ký hiệu nhãn dầm trong etabs như hình sau:

Hình 7 10: Mặt bằng bố trí và ký hiệu dầm trong Etabs 7.6.1 Tính Toán Cốt Thép Dầm

a Lý Thuyết Tính Toán Cốt Thép Dọc Cho Dầm

- Nội lực dùng để tính cốt dọc dầm là mô men tại các vị trí tiết diện cần tính ứng với tổ hợp Bao

- Cốt thép dọc cho dầm tính toán theo cấu kiện chịu uốn với trình tự tính toán cốt thép như sau:

❖ Chọn khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu kéo tới bề mặt chịu kéo của cấu kiên là a=0.05 ( )m =h0 = − =h a 0.45 ( )m

Hệ số điều kiện làm việc của bê tông b =1

❖ Tính toán các thông số:

0 2

Hàm lượng cốt thép hợp lý (0.5 1.5%) −

b Lý Thuyết Tính Toán Cốt Thép Ngang Cho Dầm

Tính toán cốt đai dầm là tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng, trình tự tính toán được lập dựa trên mục 6.2.3 TCVN 5574:2012 như sau:

- Kiểm tra khả năng chống cắt của bê tông:

 Thỏa => bố trí cốt đai theo cấu tạo

 Không Thỏa => tính toán cốt đai chịu cắt

ct

h S

Vậy: S=min S S( tt, max,S ct)

- Xác định bước cốt đai đoạn giữa dầm

b1= −1 b R b,  = 0.01 với bê tông nặng và bê tông hạt nhỏ

 Thỏa => Tiết diện đã chọn không bị phá hoải bởi ứng suất nén chính

 Không thỏa => tăng kích thước tiết diện hay cấp bền của bê tông

Bảng 7 1: Bảng thông số cơ bản của các dầm được tính

7.6.2 Kiểm Tra Dầm Theo TTGHII

Một số lưu ý khi tính toán dầm theo TTGHII:

- Nội lực tính toán cho dầm theo TTGHII được lấy từ Etabs với tổ hợp BaoIIa cho trường hợp tải trọng tiêu chuẩn Toàn Phần Tổ hợp BaoIIb cho trường hợp tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời dài hạn

- Tính toán theo TTGHII bao gồm: Tính toán sự hình thành khe nứt, tính toán điều kiện về sự mở rộng khe nứt và tính toán độ võng cho dầm

- Trình tự tính toán dựa theo mục 7 TCVN 5574:2012 và đã được trình bày chi tiết trong phần tính toán TTGHII – chương 6: Phương án sàn dầm Ở đây chỉ trình bày kết quả thu được sau khi tính toán bằng bảng tính excel tự lập

- Sinh viên đã tính toán kết quả kiểm tra võng nứt cho từng tiết diện thuộc từng dầm theo từng tầng nhưng số lượng kết quả là rất nhiều và khó kiểm soát Do đó ở đây sinh viên chỉ trình bày kết quả võng nứt của dầm tại những tầng và vị trí nguy hiểm nhất

❖ Kết quả tính toán kiểm tra dầm theo TTGHII được Trình Bày Trong Phụ Lục

Bảng 7 2: Chiều dài đoạn neo, nối chồng cốt thép

Điều kiện làm việc của

cốt thép

Đường kính thép (mm)

7.7 Thiết Kế Cột Khung Trục 4 và Khung Trục D

Hình 7 11: Ký hiệu cột khung trục 4

- Khung đối xứng do đó ta chỉ cần tính toán với các cột có ký hiệu trên hình

- Các tầng có cùng kỳ hiệu (A, B, C…) là các tầng có tiết diện mỗi loại cột là như nhau: ví dụ cột ký hiệu C6A là cột có tiết diện 700x1300 (mm) không đổi trong khoảng sàn tầng 2 tới sàn tầng 5

Hình 7 12: Ký hiệu cột khung trục D 7.7.1 Nội Lực Tính Cốt Thép

- Nội lực tính toán cốt thép cột được lấy với tất cả các tổ hợp để tìm ra trường hợp nguy hiểm nhất cho cột Nhưng việc lấy tất cả tổ hợp cho từng cột từng tầng sẽ cho

ra số lượng kết quả quá lớn, khó kiểm tra và bố trí Do đó, Sinh viên chỉ tính toán với những trường hợp tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất cho cột (theo tài liệu: “Tính Toán Cột Chịu Nén Lệch Tâm Xiên” của Gs-Nguyễn Đình Cống.)

- Nội lực cột xuất ra trong etabs M2 2− là mô men xoay quan trục 2, và M3 3− là mô men xoay quanh trục 3 Tương ứng trục tọa độ trong etab và trục tọa độ decac như hình dưới: theo đó M x =M3 và M y =M2

Hình 7 13: Tương ứng mô men trong 2 hệ trục tọa độ

- Các trường hợp nội lực nguy hiểm xét bao gồm:

+ M x max− , My tu− , N tu

+ M y max− ,M x tu− , N tu

+ N max,M x tu− ,M y tu−

- Nội lực cột được xuất ra từ etabs với tất cả các tổ hợp đã lập, giá trị nội lực được

kể thêm hệ số xét đến ảnh hưởng của uốn dọc theo 2 phương 

- Hệ số  được tinh toán theo quy định của TCVN 5574:2012 như sau:

11

cr

N N

0.10.1

b

e l

+ l được lấy theo điều 6.2.2.16 của TCVN 5574:2012, đối với nhà nhiều 0

tầng có số nhịp lớn hơn 2, liên kết cứng giữa dầm và cột, sàn được đổ toàn khối: l0 =0.7H (H là chiều cao tầng)

+ ,I I lần lượt là momen quán tính của tiết diện bê tông và của toàn bộ cốt s

thép dọc đối với trục qua trọng tâm tiết diện và vuông góc với mặt phẳng uốn

+ e e0 0.5 0.01l0 0.01R b

 =  − − (R tính bằng MPa) b

o e0 =max e e( ,1 a) với kết cấu siêu tĩnh

o e là độ lệch tâm ngẫu nhiên, a 1/ 600

1/ 30

a

L e

+ Hệ số qui đổi s

b

E E

 = + l là hệ số xét đến ảnh hưởng của tải trọng dài hạn

 = + − (h được hiểu như trên)

l1 được xác định như sau: 1 1 l

l

M M

7.7.2 Phương Pháp Tính Toán Cốt Thép Dọc Cho Cột

- Công trình chịu moment theo cả 2 phương x, y nên tính toán cột là theo cấu kiện chứ nhật chịu nén lệch tâm xiên Tuy nhiên tính toán cột chịu nén lệch tâm xiên một cách chính xác theo tiêu chuẩn là khó khăn và tốn nhiều thời gian Do vậy ở đây ta chấp nhận tính theo phương pháp gần đúng bằng cách quy đổi lệch tâm xiên về lệch tâm phẳng tương đương, được trình trong tài liệu “Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép” của Gs Nguyễn Đình Cống Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên cách tính của tiêu chuẩn Mĩ ACI 318 và tiêu chuẩn Anh BS8110 Gs Nguyễn Đình Cống

đã ứng dụng phù hợp với tiêu chuân Việt Nam TCVN 5574:2012

- Điều kiện để tính toán theo phương pháp tương đương là:

+ Cốt thép đặt theo chu vi, phân bố đều hoặc cốt thép theo phương cạnh b

có thể lớn hơn

+ Tỷ số 2 cạnh: 0.5 x 2

y

C C

 

a Lý Thuyết Tính Toán

- Nội lực tiết diện tính được trong etabs gồm lực nén dọc N và mô men uốn M x,M y

sau khi tính xét tới ảnh hưởng của uốn dọc theo 2 phương ta có được giá trị mô men gia tăng M x1 ,M y1 theo biểu thức sau:

Bảng 7 3: Điều kiện và biểu thức tính toán cột theo mỗi phương

Theo phương X Theo phương Y

M M

- Tiến hành tính toán cho trường hợp đặt cốt thép đối xứng

N

x =

❖ Trường hợp 1: Nén lệch tâm rất bé khi 0

0

0.3

e h

 =  , ta tiến hành tính toán như cấu kiện nén đúng tâm

+ Khi 14  120 lấy  theo công thức sau:

sc b

N

R bh A

❖ Trường hợp 2: Nén lệch tâm bé khi e=e0/h0 0.3 đồng thời x1 R h0

- Xác định chiều cao vùng nén x với mức độ gần đúng théo công thức dưới đây:

0 0

1

1 50

R R

sc

Ne R bx h x A

kR Z

=

Hệ số k = 0.4 là để xét tới cốt thép đặt toàn bộ

❖ Trường hợp 3: Nén Lệch tâm lớn khi  =e0/h0 0.3 đồng thời x1R h0

- Cốt thép toàn bộ được tính toán theo biểu thức sau:

Trong đó k = 0.4 như trường hợp 2

b Tính toán điển hình cho cột C10 – Tầng 1 với trường hợp M y max− ,M x tu− ,M y tu−

❖ Xác định ảnh hưởng của uốn dọc theo phương y

- Tương tự như phương x ta có kết quả các giá trị như sau:

Ta có y  14 nên cũng không xét tới ảnh hưởng của uốn dọc theo phương y

❖ Xác định mô hình tính toán quy đổi lệch tâm xiên về lệch tâm phẳng

Vậy bài toán được quy về lệch tâm phẳng theo phương y

Tiến hành tính toán với bài toán quy đổi như sau:

- Độ lệch tâm ngẫu nhiên e a =e ay+ 0.2e ax = 44 (mm)

- Độ lệch tâm ban đầu: e0 =max e e( ,1 0)=422.7 (mm)

❖ Xác định trượng hợp nén lệch tâm

Ta thấy:  =e0/h0 =0.4227 /1.06=0.3980.3

x1=0.134R h0 =0.552 1.06 =0.585

 Vậy ta tính toán theo trường hợp nén lớn

❖ Tính toán cốt thép trên toàn bộ tiết diện và chọn cốt thép

- Cốt thép được tính toán cho trường hợp nén lệch tâm lớn như sau:

Z = −h 2a= 1.1 2 0.4 −  = 1.02 ( )m

 1572.9(0.9327 0.5 0.134 1.06) 6 2

10 1033 ( ) 0.4 225 1000 1.02

❖ Kết quả tính cốt thép dọc cho cột được trình bày đầy đủ trong Phụ Lục D

7.7.3 Tính Toán Cốt Thép Ngang Cho Cột

- Tính toán cốt đai cho cột tương tự với dầm, là tính toán trên tiết diện nghiêng chịu lực cắt Tuy nhiên ở đây có xét thêm hệ số ảnh hưởng của lực dọc: 

- Trình tự tính toán cốt đai cột như sau:

+ Xác định khả năng chịu cắt của bê tông khi chưa có cốt đai

b n f b bt

Q +  + R bh

 Nếu điều kiện trên thỏa chỉ cần bố trí cốt đai theo cấu tạo

 Nếu điều kiện trên không thỏa cần tính toán cốt đai chịu lực cắt

R bh S

ct

h S

Vậy: S=min S S( tt, max,S ct)

Cốt đai đặt dày trong phạm vi không nhỏ hơn 3h c với h clà chiều cao tiết diện theo phương chịu cắt

b1= −1 b R b,  = 0.01 với bê tông nặng và bê tông hạt nhỏ

 Thỏa => Tiết diện đã chọn không bị phá hoải bởi ứng suất nén chính

 Không thỏa => tăng kích thước tiết diện hay cấp bền của bê tông

❖ Theo đó, kết quả tính toán cốt đai chi tiết cho từng cột được trình bày trong

Phụ Lục D

7.7.4 Kiểm Tra Cột Theo Biểu Đồ Tương Tác

- Sau khi tính toán cốt thép cho cột bằng phương pháp tương đương, ta tiến hành

vẽ biểu đồ tương tác với mục đích:

+ Kiểm tra khả năng chịu lực cho cột với tiết diện đã chọn

+ Xem xét và đánh giá mức độ thỏa mãn về khả năng chịu lực của tiết diện cột

- Do việc tính toán cốt thép là quy đổi tương đương về từng phương, nên ta vẽ biểu

đồ tương tác tương ứng với từng phương rồi kiểm tra lại các cặp nội lực sau khi đã quy đổi về phương tính toán

- Biểu đồ tương tác được vẽ theo từng phương là biểu đồ tương tác cho tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm phẳng, có cốt thép đặt theo chu vi

- Trình tự vẽ biểu đồ tương tác như sau:

Tiến hành vẽ và kiểm tra điển hình cho cột C20B, tiết diện 500x800 (mm) điển hình từ tầng 5 đến tầng 8, cốt thép bố trí 14d22

Hình 7 15: Tiết diện cột C20B

❖ Biểu đồ tương tác khi cột làm việc theo phương x

- Ta có công thức tính toán khả năng chịu lực của tiết diện cột theo từng phương như sau:

Hình 7 16: Phân bố các lớp thép trong tiết diện cột

Phần gạch chéo là phần bị nén giả thiết

+ : là hệ số xét tới ảnh hưởng của uốn dọc Được tính như trong phần tính cốt thép theo phương pháp tương đương

+ e0: Độ lệch tâm của điểm đặt lực

+ y i: là khoảng cách từ trục đi qua trọng tâm và song song với cạnh h của tiết diện tới lớp cốt thép thứ i

Hình 7 17: Mô hình chịu nén khi tiết diện cột làm việc theo phương x

+ b: là bề rộng tính toán của tiết diện theo phương đang xét Theo phương x

ta có b=C y = 0.8 ( )m

+  là ứng suất trong cốt thép, lấy theo mục 6.2.2.19, công thức (67) i:

,

1 1

1.1

sc u si

o sc u, : là ứng suất tới hạn của cốt thép vùng nén Được lấy như sau:

+ Với tải thường xuyên dài hạn sc u, = 500 (MPa) + Với tải trọng đặc biệt hay ngắn hạn sc u, = 400 (MPa)

o  là đặc trưng vùng nén của bê tông, xác định theo công thức: :

0.008R b

 = − ,  =0.85 đối với bê tông nặng

o  là chiều cao tương đối vùng bê tông chịu nén i: i =x h/ 0i , trong đó

0i

h là khoảng cách từ trục đi qua trọng tâm tiết diện thanh côt thép thứ

i và song song với đường giới hạn vùng nén tới điểm xa nhất của vùng nén

Theo đó, ta có bảng tính toán các giá trị để vẽ biểu đồ tương tác như sau:

Bảng 7 5: Tính toán các giá trị để vẽ biểu đồ tương tác

- Các giá trị N i và M i được sử dụng để vẽ biểu đồ tương tác

- N  i 0 và M = i 0 tức tiết diện bị kéo đúng tâm

- N  i 0 và M = i 0 tức tiết diện bị nén đúng tâm

- Các thanh thép có i 0 là các thanh chịu kéo

- Các thanh thép có i 0 là các thanh thép chịu nén

- i A y i i: là mômen của lớp thép thứ i đối với trục đi qua trọng tâm của tiết diện

và song song với đường giới hạn vùng nén

Biểu đồ tương tác được vẽ như sau:

Hình 7 18: Biểu đồ tương tác cột C4E – theo phương X

Các điểm kiểm tra trên biểu đồ được lấy quy đổi theo từng phương như bảng dưới

Bảng 7 6: Các điểm để kiểm tra biểu đồ tương tác

Các điểm kiểm tra

tiết diện M

(kNm)

N (kN)

M (kNm)

N (kN)

500x800

158.1 3174.1 289.8 3117.4 168.5 3194.2 289.5 3419.2 157.2 3483.1 264.8 3724.2

❖ Biểu đồ tương tác khi cột làm việc theo phương y

- Tính toán hoàn toàn tương tự như phương x

-4000

-2000

0 2000 4000 6000 8000 10000

Biểu Đồ Tương Tác Điểm Kiểm Tra

Hình 7 19: Mô hình chịu nén khi tiết diện cột làm việc theo phương Y

Hình 7 20: Các lớp thép trong tiết diện cột theo phương Y

Ta có kết quả biểu đồ tương tác theo phương y như sau:

Hình 7 21: Biểu đồ tương tác cột C4E khi cột làm việc theo phương Y

❖ Biểu đồ tương tác các tiết diện khác được trình bày trong phụ lục D

- Lưu ý: đối với một số tiết diện mà việc tính toán cốt thép hầu như chỉ theo 1 phương của tiết diện thì ta chỉ cần vẽ biểu đồ tương tác và kiểm tra cột theo phương

đó vì phương còn lại đã an toàn

7.8 Thiết Kế Vách Khung Trục D

- Tiêu chuẩn Việt Nam về nhà cao tầng, cụ thể là TCXD 198:1997 chưa có quy định cụ thể về cách tính toán vách cứng cho nhà cao tầng Do đó chương này trình bày một số cách tính vách cứng thông dụng thường hay được sử dụng để tính toán

và thiết kế vách cứng

7.8.1 Các phương pháp tính toán cốt thép dọc cho vách

- Một số phương pháp tính toán vách cứng bao gồm:

+ Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi

+ Phương pháp phần tử biên chịu mô men

+ Phương pháp dùng biểu đồ tương tác

a Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi

- Phương pháp này chia vách cứng thành những phần tử nhỏ chịu kéo hoặc nén đúng tâm, coi ứng suất phân bố đều trong mỗi phần tử Tính toán cốt thép cho từng phần tử Phương pháp này thực chất coi vách như những cột nhỏ chịu kéo nén đúng tâm

- Các giả thiết cơ bản:

+ Vật liệu đàn hồi

+ Bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Biểu Đồ Tương Tác Điểm Kiểm Tra