KIẾN TRÚC
KẾT CẤU
GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG TRÌNH
2.1 Giải pháp kết cấu cho công trình nhà cao tầng
2.1.1 Đặc điểm thiết kế nhà cao tầng a) Tải trọng ngang
Một yếu tố quan trọng trong thiết kế nhà cao tầng là tải trọng ngang, vì nó tạo ra nội lực và chuyển vị lớn Khi xem công trình như một thanh công xôn ngàm tại mặt đất, lực dọc và mômen đều tỷ lệ thuận với chiều cao của công trình.
M = q × H2/2 (tải trọng phân bố đều);
- Chuyển vị do tải trọng ngang tỉ lệ với chiều cao: u = P × H3/3EJ (tải trọng tập trung); u = q × H4/8EJ (tải trọng phân bố);
- Vì vậy, tải trọng ngang là nhân tố chủ yếu khi thiết kế kết cấu nhà cao tầng b) Chuyển vị
Trong thiết kế kết cấu, cần đảm bảo rằng kết cấu không chỉ có khả năng chịu lực mà còn đủ độ cứng để hạn chế chuyển vị ngang Chuyển vị ngang lớn có thể dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng.
Kết cấu đứng cần được thiết kế để tăng cường nội lực, đặc biệt là khi có sự chuyển vị tăng lên Khi độ lệch tâm gia tăng, nội lực trong kết cấu cũng sẽ tăng theo Nếu nội lực vượt quá khả năng chịu lực của kết cấu, nguy cơ sụp đổ công trình sẽ rất cao.
- Làm cho con người cảm thấy khó chịu và hoảng sợ, ảnh hưởng đến công tác và sinh hoạt
Làm tường và trang trí xây dựng bị nứt có thể dẫn đến biến dạng ray thang máy và phá hủy đường ống, đường điện Để khắc phục tình trạng này, cần giảm trọng lượng bản thân của các cấu trúc.
- Xét từ sức chịu tải của nền đất: Sẽ làm giảm áp lực tác dụng xuống nền đất và hệ móng
- Xét về mặt dao động: Sẽ làm giảm khối lượng dao động nên giảm tác động của gió và động đất
- Xét về mặt kinh tế và kiến trúc: Sẽ làm tiết kiệm vật liệu, giảm giá thành công trình bên cạnh đó còn tăng được không gian sử dụng
2.1.2 Giải pháp về vật liệu
Hiện nay ở Việt Nam, vật liệu dùng cho kết cấu nhà cao tầng thường sử dụng là bêtông cốt thép và thép (bêtông cốt cứng)
Công trình bằng thép với thiết kế bêtông cốt cứng đang ngày càng phổ biến ở Việt Nam nhờ vào cường độ vật liệu lớn, cho phép tiết diện nhỏ mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực Kết cấu thép có tính đàn hồi cao và khả năng chịu biến dạng lớn, rất phù hợp cho thiết kế nhà cao tầng chịu tải trọng ngang lớn Tuy nhiên, việc thi công các mối nối cho kết cấu thép là một thách thức, cùng với chi phí xây dựng và bảo trì cao, đặc biệt trong điều kiện khí hậu Việt Nam Ngoài ra, kết cấu thép cũng kém bền với nhiệt độ và dễ bị chảy dẻo trong trường hợp hỏa hoạn, dẫn đến nguy cơ sụp đổ Kết cấu nhà cao tầng bằng thép phát huy hiệu quả tối đa khi cần không gian sử dụng lớn, chiều cao lớn hoặc cho các công trình công cộng như nhà thi đấu, mái sân vận động, nhà hát và viện bảo tàng.
Bê tông cốt thép là vật liệu chủ yếu trong xây dựng, nổi bật với khả năng khắc phục nhược điểm của kết cấu thép như thi công đơn giản, chi phí thấp và độ bền cao Nó tận dụng tốt tính chịu nén của bê tông và tính chịu kéo của cốt thép nhờ sự kết hợp hiệu quả giữa chúng Tuy nhiên, bê tông cốt thép yêu cầu kích thước cấu kiện lớn và tải trọng tăng nhanh theo chiều cao, làm cho việc lựa chọn giải pháp kết cấu trở nên phức tạp, do đó thường phù hợp cho các công trình dưới 30 tầng.
Dựa trên các phân tích, chúng tôi quyết định chọn bê tông cốt thép (BTCT) làm vật liệu chính cho kết cấu công trình Để phù hợp với cấu trúc của nhà cao tầng, việc sử dụng bê tông mác cao là điều cần thiết Dự kiến, các vật liệu xây dựng chính sẽ được lựa chọn như đã nêu.
+ Bê tông mác 350 # (B25) cho tất cả các cấu kiện kết cấu bao gồm cột, dầm và sàn
+ Bê tông mác 350 # (B25) phụ gia chống thấm cho bản sàn và vách tầng hầm
+ Bê tông mác 300 # (B20) cho cấu kiện đài và giằng móng
+ Cốt thép CI, Cường độ tính toán: Ra = 230Mpa = 2300kg/cm 2 ( chiều dài tính toán lo = 0.7 × 3.4 = 2.38m
- Thép chịu lực CII có: R s = Rsc = 280Mpa
- Thép đai nhóm CI có :Rsw = 175Mpa
+) Nội lực tính toán: từ bảng tổ hợp nội lực ( phụ lục ) ta có các cặp nội lực có giá trị lớn nhất như sau:
Bảng 7.1 : Cặp tổ hợp nội lực
Mmax (daNm) Mmin(daNm) Mtư(daNm)
Ntư(daN) Ntư(daN) Nmax(daN)
- Ta sẽ tính với cặp N max = -338670 (daN) và Mtư = -30261 (daNm), các cặp còn lại sẽ kiểm tra theo bảng excel
- Giả thiết a = a‟ = 4cm; h o = 70 – 4 = 66cm; Z a = 62cm
- Độ lêch tâm ngẫu nhiên ea lấy lớn hơn 1 l = 340 = 0,567(cm)
- Cột thuộc kết cấu siêu tĩnh: e 0 = max(e1; ea) = 9 (cm)
- So sánh x1 với 2a‟ = 2 × 4 = 8 (cm) và ξRho = 0.595 × 66 = 39.270 (cm)
- Ta thấy x1 > ξRho => xảy ra trường hợp nén lệch tâm bé và ta tính lại giá trị x
- Để đơn giản trong việc tính toán, ta sử dụng công thức tính gần đúng
(Giáo trình kết cấu BTCT-Cấu kiện cơ bản_trang 145)
Ta tính As và A‟s theo công thức: s b o 2 sc a
Chọn cốt thép As = A‟s = 628 = 36.95 (cm 2 )
Chọn cốt thép đai 8 > max/4 =2,5/4 = 0,625 (cm)
Khoảng cách cốt đai: a đ < 1525 = 37,5 cm => chọn ađ = 300
Lấy chiều dày của lớp bảo vệ C1 = 2,5 (cm) = ∅25 > Co = 2 (cm)
Giá trị h o và Z a đều lớn hơn giá trị đã dùng để tính toán
Tính toán tương tự cho các cột khác theo bảng sau
Bảng 7.2: Bố trí thép cột khung trục 3
M N e x1 Rho x As tính Đặt thép
As đặt cm cm cm cm m m daNm daN cm cm cm cm cm2 cm2
M N e x1 Rho x As tính Đặt thép
As đặt cm cm cm cm m m daNm daN cm cm cm cm cm2 cm2
7.2.1 Tính toán cốt thép dọc cho các phần tử dầm a) Tính toán cốt thép dọc chịu lực cho phần tử dầm 42:
- Thép chịu lực CII có: R s = Rsc = 280Mpa
- Thép đai nhóm CI có :Rsw = 175Mpa
+) Nội lực tính toán: từ bảng tổ hợp nội lực ( phụ lục 02 ) ta chọn các nội lực có giá trị lớn nhất như sau:
Bảng 7.3 : Cặp tổ hợp nội lực dầm 42
- Do M âm ở 2 tiết diện đầu và cuối gần bằng nhau nên ta lấy giá trị momen lớn để tính cho cả 2 tiết diện
+) Tính thép cho 2 tiết diện đầu cuối (tiết diện 0 và tiết diện 8.2)
- Tính theo tiết diện chữ nhật b × h = 30 × 70 (cm)
- Kiểm tra hàm lượng cốt thép: min s o
+) Tính thép cho giữa nhịp dầm (Mô men dương)
- Ta tính theo tiết diện chữ T có cánh nằm trong vùng nén với h‟ f = 12cm
- Giả thiết a = 4(cm) => ho = 70 – 4 = 66 (cm)
- Giá trị độ vươn của cánh S c lấy bé hơn trị số sau:
+ Một nửa khoảng cách thông thủy giữa các sườn dọc:
Trục trung hòa đi qua cánh
- Kiểm tra hàm lượng cốt thép: min s o
100× A 100×12.07 μ = = = 0.61 > 0.05 bh 30×66 b) Tính toán cốt thép dọc chịu lực cho phần tử dầm 52:
- Thép chịu lực AII có: R s = Rsc = 280Mpa
- Thép đai nhóm AI có :Rsw = 175Mpa
+) Nội lực tính toán: từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn các nội lực có giá trị lớn nhất như sau (phụ lục 02) :
Bảng 7.4 : Cặp tổ hợp nội lực dầm 52
Tiết diện (m) M max (daNm) Q max (daN)
- Do M âm ở 2 tiết diện đầu và cuối gần bằng nhau nên ta lấy giá trị momen lớn để tính cho cả 2 tiết diện
- Do M dương quá nhỏ nên ta sẽ chọn thép mômen dương cho dầm theo yêu cầu về cấu tạo
+) Tính thép cho 2 tiết diện đầu cuối (tiết diện 0 và tiết diện 2.5 – mômen âm)
- Tính theo tiết diện chữ nhật b × h = 30 × 45 (cm)
- Kiểm tra hàm lượng cốt thép: min s o
100× A 100×31.4 μ = = = 2.62 > 0.05 bh 30× 40 c) Tính toán cốt thép dọc chịu lực một cách tương tự cho phần tử dầm khác
Tầng Dầm Tiết diện b h a ho L M 1/2 thông thủy
min mm mm mm mm m daNm m m daNm mm2
- 148 - tầng dầm diện thông thủy nhịp m min mm mm mm mm m daNm m m daNm mm2
7.2.2 Bố trí cốt thép dọc cho các phần tử dầm
Hình 7.2: Bố trí thép dầm
7.2.3 Tính toán và bố trí cốt thép đai cho các dầm a) Tính toán cốt thép đai cho phần tử dầm 42:
- Bê tông B25 có: R b = 14.5MPa R bt = 1.05 (MPa)
- Thép đai nhóm AI có :R sw = 175 (Mpa)
+) Lực cắt tính toán: từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra lực cắt có giá trị lớn nhất là: Q = 18740 (daN)
+) Dầm chịu tải trọng tính toán phân bố đều với: g = 1508 + 1601 = 3109 (daN/m) p = 1776 (daN/m)
Giá trị : q1 = g + 0,5p = 3109 + 0,5x1776 = 3997 (daN/m) = 39.97 (daN/cm) +) Tính toán:
- Giả thiết a = 4(cm) => ho = 70 – 4 = 66(cm)
- Kiểm tra điều kiện cường độ trên tiết diện nghiêng theo ứng suất nén chính: Q £ 0.3υ υ R bh = 0.3×1×145×30×66 = 86130(daN) w1 b1 b o
(υ υ = 1 w1 b1 do chưa bố trí cốt đai)
Dầm đủ khả năng chịu ứng suất nén chính
- Kiểm tra sự cần thiết phải đặt cốt đai:
+ Bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc trục nên n 0 bmin b3 n bt o
Q = 22737 (daN) > Q bmin => cần phải đặt cốt đai chịu cắt
- Do dầm có phần cánh nằm trong vùng kéo υ = 0 f
+ Giá trị qsw tính toán: sw b 1 o
2h 2h nên ta lấy giá trị qsw = 157 (daN/cm) để tính cốt đai
- Sử dụng đai ∅8, số nhánh n = 2
- Khoảng cách s tính toán: tt sw sw sw
- Dầm có h = 70cm > 45cm => Sct = min(h/3 ; 50cm) = 23.3 v (cm)
Khoảng cách thiết kế của cốt đai: s = min( stt , sct , smax) = 11 cm => chọn s = 10cm = 100mm
+) Kiểm tra lại điều kiện cường độ trên tiết diện nghiêng theo ứng suất nén chính khi đã bố trí cốt đai: Q £ 0.3υ υ R bh w1 b1 b o
- Dầm bố trí ∅8a100 có w sw na 2×0.502 μ = = = 0.0033 bs 30×10 ,
Dầm đủ khả năng chịu ứng suất nén chính b) Tính toán cốt thép đai cho các phần tử dầm khác:
- Tính toán một cách tương tự theo quy trình ở trên cho các phần tử dầm
THIẾT KẾ NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH
8.1 Quy trình thiết kế móng
8.1.1 Tài liệu cho việc thiết kế nền móng công trình a) Tài liệu địa chất:
Để thiết kế nền móng công trình hiệu quả, việc thu thập tài liệu địa chất và thủy văn khu vực xây dựng là rất quan trọng Các tài liệu này cần cung cấp đầy đủ thông tin để xác định mặt cắt địa chất, bao gồm các lớp đất cùng với các chỉ tiêu cơ lý và mực nước ngầm.
Hệ thống kết quả từ các thí nghiệm hiện trường như CPT, SPT và các thí nghiệm trong phòng cần được cơ quan có thẩm quyền lập và kiểm định Điều này rất quan trọng để xác định sức chịu tải của cọc trong quá trình thiết kế Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu cho thiết kế móng cũng cần được chú trọng.
Bêtông cốt thép thường được sử dụng trong thi công nền móng công trình, vì vậy cần xác định các thông số về cường độ vật liệu và thông tin về phụ gia nếu có Đối với thiết kế các loại nền móng đặc biệt, cần có hướng dẫn chi tiết kèm theo Ngoài ra, tải trọng sử dụng để thiết kế móng cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.
Tải trọng thiết kế móng được xác định từ tải trọng chân cột theo quy định, và việc lựa chọn tải trọng tính toán hay tiêu chuẩn phụ thuộc vào từng giai đoạn thiết kế hoặc kiểm tra móng Đối với hệ móng lớn sử dụng đài cọc chung, cần thực hiện phân tích chính xác để đánh giá tác động của tải trọng, nhằm xác định tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất.
8.1.2 Quy trình chung thiết kế móng cọc
1 - Thống kê các tài liệu, thông số thiết kế: đất nền, vật liệu, tải trọng, tiêu chuân thiết kế, các yêu cầu riêng đối với công trình nếu có
Khi lựa chọn loại cọc, chiều sâu hạ cọc và chiều sâu chôn đài, cần dựa trên các phương án cọc đã được đề xuất và đánh giá dựa trên điều kiện cụ thể của công trình, khả năng thi công, cùng với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tổng hợp.
2 - Xác định sức chịu tải của cọc đơn
3 - Xác định sơ bộ số lượng cọc, bố trí cọc trong đài
5 - Kiểm tra tải trọng tác dụng lên cọc
6 - Kiểm tra tính toán cọc và đài cọc
7 - Kiểm tra ổn định tổng thể, dự báo độ lún của móng cọc
8 - Hoàn thiện thiết kế và bản vẽ
Hình 8.1: Sơ đồ quy trình thiết kế móng cọc
8.2 Thiết kế móng cho các cột khung trục 3
8.2.1.Thông số thiết kế a) Tài liệu công trình:
- Đặc điểm kết cấu: Kết cấu nhà khung ngang BTCT, thi công toàn khối Tiết diện cột b × h = 35 × 70 (cm)
- Tải trọng tính toán lớn nhất tại chân cột (lấy theo bảng tổ hợp nội lực phụ lục 02):
Moy = 18819 daNm; No = 413890 daN; Qox = 14356 daN b) Tài liệu địa chất:
Dựa trên các biện pháp thí nghiệm hiện trường và tài liệu thu thập được, chúng tôi đã xác định được hệ thống các lớp đất nền cùng với các thông số cơ bản.
+ Lớp 1 (dày 3.0m): Cát pha, nâu vàng, trạng thái đất dẻo
Lớp 2 có độ dày 6.0m, bao gồm sét pha màu nâu, nâu vàng và xám ghi, với đặc tính đất dẻo cứng Trong khi đó, lớp 3 dày 12.0m, chứa cát pha xen kẹp sét pha, lẫn ổ cát, và có màu xám xanh, nâu vàng, với trạng thái đất dẻo.
Lớp 4 của đất có đặc điểm là cát hạt vừa, màu xám trắng với một số chỗ nâu hồng và có độ chặt cao Dựa trên các thông số thí nghiệm, các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất đã được xác định và tổng hợp trong bảng dưới đây.
Bảng 8.1: Bảng chi tiêu cơ lý của lớp đất
TT Tên chỉ tiêu Ký hiệu Đơn vị
8 Góc ma sát trong φ độ 12 o 5' 13 o 30' 17 o 20' 30 o
10 Áp lực tiêu chuẩn qc T/m 2 228 260 496 1600
11 Mô đun biến dạng Eo T/m 2 1300 1550
Ta có trụ địa chất như sau:
+) Đánh giá điều kiện địa chất :
+ Lớp đất 2, 3 có sức chịu tải trung bình ;
+ Lớp đất 4 có sức chịu tải khá tốt, bề dầy khá lớn
+) Điều kiện địa chất thuỷ văn:
Theo khảo sát địa tầng và thực địa, lớp đất số 4 trong phạm vi chiều sâu khảo sát có chứa nước, trong khi các lớp đất khác đều có khả năng chứa nước kém hoặc hoàn toàn không chứa nước.
- Mực nước ngầm được xem như ở rất sâu Nhìn chung, nước ngầm ở đây ít ảnh hưởng đến quá trình thi công cũng như sự ổn định của công trình
Công trình nhà cao tầng có đặc điểm chính là tải trọng thẳng đứng lớn trên diện tích hạn chế, đồng thời cần đảm bảo sự ổn định khi chịu tải trọng ngang từ gió hoặc động đất Do đó, thiết kế móng cho nhà cao tầng phải đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu lực và độ bền vững.
+ Độ lún, độ chênh lún cho phép
+ Sức chịu tải của cọc
+ Công nghệ thi công hợp lý không làm hư hại đến công trình đã xây dựng
+ Đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật
Dựa trên đặc điểm địa chất công trình, các lớp đất được xác định là yếu, không phù hợp để đặt móng cho nhà cao tầng Tuy nhiên, lớp đất thứ 5, là lớp cát sạn chặt và dày, được coi là lớp đất tốt, có khả năng chịu lực và thích hợp cho việc xây dựng móng nhà cao tầng.
8.2.2 Lựa chọn và tính toán phương án móng
Đối với các công trình dân dụng và nhà cao tầng, có thể áp dụng các phương án móng như móng cọc bê tông cốt thép (BTCT) chiếm chỗ Đây là loại móng cọc BTCT được sản xuất trước và được hạ xuống nền bằng phương pháp đóng hoặc ép Trong điều kiện xây dựng tại thành phố, phương pháp ép cọc thường được ưu tiên sử dụng.
- Không gây chấn động mạnh do đó thích hợp với công trình xây chen
- Dễ thi công, nhất là với đất sét và á sét mềm
- Trong quá trình ép có thể đo chính xác lực ép, kiểm tra chất lượng cọc dễ dàng
- Giá thành rẻ, phương tiện đơn giản, kỹ thuật không phức tạp
- Tiết diện cọc nhỏ do đó sức chịu tải của cọc không lớn
- Cọc không xuống được độ sâu lớn, khó thi công khi phải xuyên qua lớp sét cứng hoặc cát chặt dày
Chiều dài đoạn cọc thi công ngắn dẫn đến số lượng mối nối lớn, gây khó khăn trong việc kiểm tra chất lượng mối nối cọc trong quá trình thi công Móng cọc khoan nhồi được xem là một dạng móng cọc thay thế hiệu quả.
- Có thể khoan đến độ sâu lớn, cắm sâu vào lớp đất chịu lực tốt nhất
- Kích thước cọc lớn, sức chịu tải của cọc rất lớn, chịu tải trọng động tốt
- Không gây chấn động trong quá trình thi công, không ảnh hưởng đến công trình xung quanh
- Thi công phức tạp, cần phải có thiết bị chuyên dùng, kỹ sư có trình độ và kinh nghiệm, công nhân lành nghề
Việc kiểm tra chất lượng lỗ khoan và thân cọc sau khi đổ bê tông gặp nhiều khó khăn, đồng thời sự tiếp xúc giữa mũi cọc và lớp đất chịu lực cũng không đạt yêu cầu.
- Giá thành thi công và thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc lớn
Công trường xây dựng thường bị ô nhiễm bởi bùn và bentonite Móng cọc Barrette, một loại cọc khoan nhồi, có những ưu điểm và nhược điểm tương tự như cọc khoan nhồi khi so sánh với các loại cọc khác.