1 bai giang PGS TS vu hoang hiep KC BTCT p2

Các hệ kết cấu bê tông cốt thép thường gặp trong công trình xây dựng dạng nhà bê tông cốt thép có thể phân loại - Hệ thanh: cấu tạo từ cột, xà ngang - Hệ phẳng: cấu tạo từ tấm Trách nhiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

KHOA XÂY DỰNG

Tên bài giảng môn học:

KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP - PHẦN 2

KẾT CẤU NHÀ

Mã học phần: XD 32.3

Số tín chỉ: 02 (30 tiết)

Nhóm biên soạn: TS Vũ Hoàng Hiệp

HÀ NỘI, THÁNG 5 NĂM 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

KHOA XÂY DỰNG

Tên bài giảng môn học:

KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP - PHẦN 2

KẾT CẤU NHÀ

Mã học phần: XD 32.3

Số tín chỉ: 02 (30 tiết)

Nhóm biên soạn: TS Vũ Hoàng Hiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

CHỦ BIÊN

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

TRƯỞNG BỘ MÔN

PHẦN NỘI DUNG BÀI GIẢNG

Công trình xây dựng được tạo thành bởi sức lao động của con người, máy móc

từ vật liệu xây dựng, thiết bị lắp đặt vào công trình Công trình xây dựng được định vị với đất, bao gồm phần trên mặt đất gọi là phần thân, phần dưới mặt đất gọi là phần ngầm, bộ phận phân phối tải trọng công trình truyền xuống đất gọi là móng công trình

Công trình xây dựng được phân loại thành: Công trình dân dụng; Công trình công nghiệp; Công trình giao thông; Công trình nông nghiệp; Công trình hạ tầng kỹ thuật

Công trình dân dụng bao gồm: Nhà ở (Chung cư, nhà riêng lẻ); Công trình công cộng (Nhà trẻ, trường học, bệnh viện, các cơ sở y tế khác, sân vận động, nhà thi đấu, các công trình thể thao khác, trung tâm hội nghị, nhà hát, nhà văn hóa, rạp chiếu phim, rạp xiếc, bảo tàng, thư viện, công trình tín ngưỡng, cáp treo, tượng đài ngoài trời, trung tâm thương mại, cửa hàng, tháp thu và phát sóng, biển quảng cáo, bưu điện, đèn biển, nhà ga các loại, bến xe, khách sạn, ký túc xá, văn phòng làm việc, trụ sở cơ quan, nhà

đa năng )

Công trình công nghiệp bao gồm: Công trình sản xuất vật liệu xây dựng (Nhà máy xi măng, gạch, kính ); Công trình khai thác (Mỏ than, mỏ quặng, nhà máy tuyển quặng, nhà máy sản xuất alumin); Công trình công nghiệp dầu khí (Dàn khoan thăm

dò, nhà máy lọc dầu, kho xăng, tuyến đường ống dẫn khí, dầu ); Công trình công nghiệp nặng (Nhà máy luyện kim, cán thép, nhà máy cơ khí chế tạo máy động lực và máy công cụ, nhà máy chế tạo thiết bị công nghiệp và thiết bị toàn bộ, nhà máy lắp ráp

ô tô, nhà máy sản xuất và lắp ráp xe máy ); Công trình năng lượng (Nhà máy nhiệt điện, thủy điện, phong điện, điện nguyên tử, tuyến đường dây, trạm biến áp); Công trình công nghiệp hóa chất và hóa dầu (Nhà máy sản xuất phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, nhà máy sản xuất cao su, xăm lốp, nhà máy sản xuất bột giặt, hóa mỹ phẩm, nhà máy dược phẩm, nhà máy sản xuất pin, ắc quy, nhựa, nhà máy sản xuất sơn, que hàn, vật liệu nổ ); Công trình công nghiệp nhẹ (Nhà máy chế biến thực phẩm, nông sản, nhà máy dệt, may, nhà máy in, nhà máy sản xuất sành sứ, thủy tinh, giấy, thuốc lá, nhà máy sản xuất và lắp ráp linh kiện điện tử, điện lạnh); Công trình công nghiệp chế biến thủy sản, đồ hộp

Tương tự, các loại công trình giao thông, công trình nông nghiệp, công trình hạ tầng kỹ thuật cũng được phân chia theo danh mục rất đa dạng

Như vậy, “nhà” cũng chỉ là một trong những công trình xây dựng bên cạnh nhiều loại công trình xây dựng đặc thù, chuyên dụng khác (dàn khoan, đường ống, bể chứa…) Phạm vi của tài liệu này chỉ đề cập đến nội dung thiết kế kết cấu của nhà

1.1.2 Kết cấu nhà bê tông cốt thép

Cấu kiện chịu lực cơ bản của nhà gồm có các cấu kiện dạng thanh (như: cột, dầm), các cấu kiện dạng phẳng (như: tấm sàn, tường) Các cấu kiện này liên kết với nhau theo nhiều cách tạo nên các hệ kết cấu trong nhà và các công trình khác

Các hệ kết cấu bê tông cốt thép thường gặp trong công trình xây dựng dạng nhà

bê tông cốt thép có thể phân loại

- Hệ thanh: cấu tạo từ cột, xà ngang

- Hệ phẳng: cấu tạo từ tấm

Trách nhiệm quan trọng của người thiết kế kết cấu là lựa chọn từ nhiều phương

án ra hệ kết cấu tốt nhất phù hợp với điều kiện cụ thể

a) Hệ kết cấu sàn và mái

Các loại sàn và mái rất đa dạng, phong phú Có thể phân chia ra hai loại theo tính chất chịu lực: hệ một phương và hệ hai phương Mỗi hệ kết cấu này lại chia ra nhiều dạng như: sàn một phương có dầm đổ toàn khối, sàn hai phương có dầm, sàn phẳng không dầm có mũ cột, bản phẳng tựa trên cột có mũ cột, bản phẳng tựa trên cột không có mũ cột, sàn panen lắp ghép

b) Các tấm tường, vách ngăn và tường chịu lực

Tấm tường ngoài được đỡ tại mỗi sàn bằng kết cấu khung sườn, chức năng là bao che công trình, gọi là tấm tường không chịu lực Chúng có thể chế tạo từ bê tông đúc sẵn, viên bê tông, gạch hay các tấm ốp kim loại

Vách dựng thườn làm bằng kính ở mặt ngoài nhà, cũng giống như các tấm tường, ngoại trừ chúng không được đỡ tại mỗi tầng bởi kết cấu khung của công trình

mà nó được neo với khung của công trình tại mỗi sàn bằng các liên kết chờ sẵn

Tường chịu lực có thể định nghĩa là kết cấu chịu thêm tải trọng đứng ngoài trọng lượng bản thân Trong các dạng nhà nhỏ, tường chịu lực có thể được sử dụng vì tính kinh tế và phù hợp Đối với nhà dân dụng và công nghiệp loại lớn, khi tiến độ xây dựng kết cấu tường chịu lực chậm và tăng nhân công làm tăng giá thành thi công khiến phải sử dụng các giải pháp khác

c) Kết cấu khung

Kết cấu khung được tạo bởi các cấu kiện dạng thanh như dầm, cột liên kết với nhau tại các nút khung Tùy thuộc độ cứng của nút khung mà phân chia ra các loại khung bê tông cốt thép khác nhau Với cấu tạo nút liên kết dầm-cột là khớp cho loại khung tĩnh định (post-and-beam system) Nút cứng là liên kết không cho phép có chuyển vị xoay xuất hiện giữa các phần cuối các thanh gắn với nhau, mặc dù cả nút có thể tự xoay như một khối thống nhất Khung có các nút cứng liên kết gọi là kết cấu khung cứng (rigid frame structure) là kết cấu khung siêu tĩnh

d) Tường chống cắt (vách cứng)

Sự tác động ngang vào công trình do gió, động đất lớn có thể sử dụng kết cấu tường chống cắt bê tông cốt thép Những trường hợp này có thể thêm các vách đơn chịu tải ngang, hoặc các tường kín (hay lõi) khu cầu thang hay ống thang máy có chức năng như tường chống cắt Như vậy có thể hiểu các tường chủ yếu chịu tải trọng bản thân hay thêm tải trọng đứng khác trong nhà thấp tầng, còn tường chống cắt chịu cả tải trọng đứng và ngang, được sử dụng trong các nhà nhiều tầng, thường gọi là kết cấu vách cứng bê tông cốt thép

e) Nhà khung

Kết cấu khung và các sàn nằm ngang tạo thành hệ kết cấu chịu lực chính của nhà Mặt bằng nhà bố trí lưới cột phải phù hợp với không gian kiến trúc, công năng và thẩm mỹ của công trình Các cột dầm về bản chất tạo thành hệ khung không gian Các tấm sàn liên kết với các dầm của hệ khung, cũng có thể sử dụng thêm các dầm chia nhỏ các tấm sàn để tăng độ cứng và khả năng chịu lực

Trường hợp đặc biệt của hệ kết cấu này là không có các dầm, cột liên kết trực tiếp với các bản sàn phẳng Các dải bản khi này đóng vai trò như các xà ngang tương đương của hệ khung

f) Nhà tường chống cắt (vách cứng)

Các tường chịu lực đứng và ngang (vách cứng) và các sàn nằm ngang tạo thành

hệ kết cấu chịu lực chính của nhà Phương và hình dạng của các vách cứng có thể đa dạng để vừa đáp ứng yêu cầu không gian kiến trúc vừa đảm bảo khả năng chịu lực của

h) Nhà ống

Các cột thẳng với khoảng cách nhỏ cùng các dầm theo chu vi hoặc thanh xiên xung quanh nhà tạo thành ống ngoài liên kết các sàn nằm ngang làm nên hệ kết cấu nhà Cũng có thể kết hợp các ống trong tạo thành hệ ống lồng trong ống

i) Nhà sử dụng hệ kết cấu hỗn hợp

Tùy thuộc không gian kiến trúc và quy mô chiều cao nhà, các hệ kết cấu cơ bản

có thể kết hợp với nhau tạo thành hệ kết cấu hỗn hợp vừa đảm bảo công năng, vừa đáp ứng khả năng chịu các tải trọng và tác động lên nhà:

- Hệ khung - vách

- Hệ khung - lõi

- Hệ khung - vách - lõi

- Hệ vách - lõi…

1.1.3 Các giai đoạn và quy trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

Theo quy định hiện hành của Nghị định 59/2015NĐ-CP thiết kế xây dựng công trình bao gồm các bước sau (về ý nghĩa, gọi là giai đoạn thiết kế phù hợp hơn):

- Thiết kế sơ bộ (khi lập Báo cáo nghiên cứu tiền khả thi)

- Thiết kế cơ sở

- Thiết kế kỹ thuật

- Thiết kế bản vẽ thi công

và các bước thiết kế khác theo thông lệ quốc tế do người quyết định đầu tư quyết định Tùy theo quy mô, tính chất của công trình cụ thể, việc thiết kế xây dựng công trình được thực hiện một bước, hai bước hoặc ba bước do người quyết định đầu tư quyết định

Tùy mỗi bước thiết kế, các nội dung thiết kế có thể được triển khai sơ bộ hoặc chi tiết, nhưng đầy đủ thì triển khai thiết kế kết cấu bê tông cốt thép nói chung, thiết kế kết cấu nhà bê tông cốt thép nói riêng bao gồm các nội dung sau:

- Phân tích, lựa chọn phương án kết cấu

- Lập sơ đồ tính

- Xác định sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện

- Tính toán tải trọng và tác động

- Tính toán nội lực và tổ hợp nội lực

- Kiểm tra lại kích thước tiết diện đã chọn sơ bộ thông qua đánh giá hàm lượng cốt thép, biến dạng, chuyển vị tại một số tiết diện của một số cấu kiện đặc trưng

- Tính toán và cấu tạo cốt thép

- Kiểm tra độ võng và khe nứt

- Thể hiện bản vẽ

- Hoàn thành hồ sơ thiết kế

Đối với cấu kiện lắp ghép cần phải tính toán và kiểm tra thêm giai đoạn chế tạo, chuyên chở và cẩu lắp

1.2 Quan hệ giữa kiến trúc và kết cấu công trình

Thiết kế công trình là cả một quá trình tạo ra và cung cấp tất cả những thông tin cần thiết cho việc xây dựng công trình nhằm thỏa mãn những yêu cầu của người sở hữu cũng như đáp ứng các yêu cầu chung về sức khỏe, điều kiện sống và an toàn cho

cả cộng đồng Thi công xây dựng công trình là quá trình lắp ráp, tổng hợp các loại vật liệu lại tạo thành công trình

Trong lịch sử, các công trình xây dựng đã từng được thiết kế và tổ chức xây dựng bởi một cá nhân - được gọi là Chủ thầu xây dựng Người này vừa là kiến trúc sư, vừa là kỹ sư, là người tổ chức, chỉ đạo thi công tất cả trong một Khi quá trình công nghiệp hóa bắt đầu, số lượng công trình cần xây dựng ngày một nhiều, quy mô và tính phức tạp của các công trình ngày càng tăng, vật liệu và các công cụ phục vụ phát triển cùng các kỹ thuật xây dựng Điều thực sự khó khăn cho một cá nhân phải hiểu biết sâu

về tất cả mọi vấn đề, suy nghĩ và giải quyết thấu đáo các yếu tố trong xây dựng Do

đó, công việc thiết kế đã được phân chia thành các nhóm chuyên môn sâu thiết kế kiến trúc, kết cấu và các hệ thống cơ điện, kỹ thuật khác Vấn đề lớn nhất cần giải quyết lúc này là cần tạo được mối liên hệ thống nhất giữa các nhóm chuyên môn, trong đó quan trọng nhất là giải quyết hài hòa quan hệ giữa kiến trúc và kết cấu

Kiến trúc vừa mang tính nghệ thuật vừa có tính chất khoa học Quan hệ giữa kiến trúc và kết cấu là mối quan hệ hữu cơ, gắn bó hết sức chặt chẽ với nhau Hình dáng và không gian kiến trúc được thể hiện trên cơ sở hệ kết cấu công trình Các không gian đơn giản nhất được tạo nên từ hệ dầm, cột, tường và sàn theo hệ lưới cột ô vuông hoặc chữ nhật Các không gian rộng, có hình dáng kích thước phức tạp được tạo nên bằng các hệ kết cấu như dàn, vòm, vỏ mỏng không gian v.v Không gian kiến trúc, loại hình kết cấu và chiều cao kết cấu có liên quan chặt chẽ với nhau So với các kết cấu truyền lực theo hai phương hay kết cấu không gian truyền lực theo nhiều phương, các kết cấu phẳng truyền lực theo một phương có chiều cao kết cấu lớn hơn Nếu chọn loại hình kết cấu không thích hợp sẽ không giải quyết thoả đáng vấn đề chiều cao kết cấu

Kích thước của hệ lưới cột ảnh hưởng trực tiếp tới độ lớn của không gian kiến trúc và đòi hỏi những loại hình kết cấu tương ứng Dù chọn không gian kiến trúc như thế nào thì ngay từ khi sơ phác mặt bằng của công trình đã phải nghĩ đến khả năng

chịu tải trọng đứng, tải trọng ngang (gió, động đất ), những biến thiên nhiệt độ và lún lệch có thể xảy ra Phải tuân thủ những nguyên tắc cho giải pháp kết cấu chịu gió, động đất, nhiệt độ, lún lệch

Do vậy, trong thiết kế những phương án kiến trúc đã phải chứa đựng những nội dung cơ bản của các phương án kết cấu Xa rời nội dung kết cấu trong sáng tác kiến trúc sẽ hoặc mắc sai lầm về tính khả thi của công trình hoặc là chỉ đạt tới những phương án gò bó, thiếu mỹ quan, sinh động và độc đáo

- Kết cấu phải được tính toán với mọi tải trọng và tác động có thể xảy ra

- Kết cấu phải được tính toán trong mọi giai đoạn, từ chế tạo, thi công đến quá trình sử dụng, khai thác

- Các kết cấu dạng thành mỏng cần được tính toán có kể đến tính phi tuyến của

bê tông cốt thép

- Phương án được chọn phải phù hợp với khả năng kỹ thuật thi công

- Cân nhắc đến kết cấu toàn khối (đổ tại chỗ), kết cấu lắp ghép và kết cấu nửa lắp ghép để đạt hiệu quả kinh tế cao mà vẫn đảm bảo được cường độ và độ cứng của kết cấu

b) Về mặt kinh tế

- Kết cấu phải có giá thành hợp lý

- Kết cấu phải được thiết kế sao cho tiến độ thi công được bảo đảm

Do vậy, để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế hợp lý cho công trình cần phải gắn liền việc thiết kế kết cấu với việc thiết kế biện pháp và tổ chức thi công

1.3.2 Các quy định chung (cấu tạo)

Trong nội dung công tác thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, song song với việc tính toán tải trọng, nội lực, cường độ và điều kiện sử dụng bình thường của kết cấu, cần thực hiện những quy định nhằm đảm bảo cho kết cấu làm việc bình thường dưới các tải trọng, tác động khó kiểm soát, khó tính toán được tường minh, làm cho công tác thi công thuận lợi, chất lượng thi công đảm bảo Những quy định chung như vậy được đưa ra từ kết quả thí nghiệm, từ phân tích mô hình, từ kinh nghiệm của người thiết kế… còn được gọi là nguyên tắc cấu tạo

a) Lựa chọn vật liệu

Vật liệu bê tông sử dụng phổ biến trong các kết cấu bê tông cốt thép của công trình dân dụng và công nghiệp là loại bê tông nặng có khối lượng thể tích từ 2200 kg/m3 đến 2500 kg/m3

Đối với kết cấu bê tông cốt thép, tiêu chuẩn thiết kế không cho phép sử dụng bê tông có cấp độ bền chịu nén nhỏ hơn B7,5

Với cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén dạng thanh không nên sử dụng bê tông

Thép thanh tròn trơn dùng làm cốt trong bê tông được quy định theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1651-1:2008 gồm có 2 mác thép: CB240T và CB300T Hai mác thép này có giá trị giới hạn chảy quy định tương đương các nhóm cốt thép CI và CII theo Tiêu chuẩn đã bị thay thế (TCVN 1651:1985)

Thép thanh vằn (còn gọi là cốt thép có gờ, cốt thép gai) dùng làm cốt trong bê tông được quy định theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1651-2:2008 gồm có 3 mác thép: CB300V, CB400V và CB500V Mác thép CB300V, CB400V có giá trị giới hạn chảy quy định tương đương các nhóm cốt thép CII và CIII theo Tiêu chuẩn đã bị thay thế

Trong kết cấu bê tông cốt thép thường, thép thanh mác CB240T thường dùng làm cốt thép ngang, cũng có thể dùng cốt thép ngang mác CB300V Thép thanh các mác CB300V, CB400V dùng làm cốt dọc trong khung thép buộc

Để làm cốt thép căng trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước, dùng các thép thanh mác CB500V và cáp ứng lực trước loại T13, T15

b) Hình dáng và kích thước tiết diện

Về cơ bản, các cấu kiện của kết cấu khi lựa chọn hình dáng và kích thước tiết diện cần thỏa mãn 4 yếu tố về cường độ, ổn định, thẩm mỹ và thi công

Điều kiện cường độ có thể đảm bảo khi chọn tiết diện dầm dựa trên mô men tính toán sơ bộ, tiết diện cột dựa trên lực dọc tính toán sơ bộ

Để đảm ổn định dầm, tỷ lệ nhịp và bề rộng tiết diện không nên vượt quá 50, để đảm bảo ổn định cột cần đảm bảo độ mảnh không quá độ mảnh giới hạn

Về tính thẩm mỹ và công năng sử dụng đôi khi tiết diện các cấu kiện được lựa chọn không hoàn toàn có lợi về mặt chịu lực và kinh tế, tuy nhiên cũng là một tiêu chí quan trọng khi thiết kế kết cấu cần quan tâm

Công tác thi công muốn thuận lợi, chất lượng thi công tốt, yêu cầu việc chọn tiết diện cấu kiện cũng phải đủ lớn để thi công bê tông (nếu không bị khống chế bởi lý

do kiến trúc thì không nên chọn các cạnh tiết diện dưới 20 cm) Các kích thước tiết diện cũng cần phù hợp với các tấm cốp-pha định hình hóa, thông thường là bội số của

Khi kéo dài cốt thép từ tiết diện này đến tiết diện khác phải chú ý đến điểm dừng thi công, vừa phải đảm bảo điều kiện chịu lực nên nối tại tiết diện có nội lực nhỏ, vừa phải đảm bảo dễ thi công Phải đảm bảo các quy định về neo, uốn, nối cốt thép, khoảng cách cốt đai ở khu vực mối nối

Trong kết cấu bê tông cốt thép, ngoài cốt thép được đặt theo tính toán để chịu các loại nội lực tính được theo tải trọng và sơ đồ kết cấu đã vạch ra, ta còn phải đặt nhiều loại cốt thép theo cấu tạo

Cốt thép cấu tạo dùng để chịu những nội lực xuất hiện do sự không phù hợp giữa sơ đồ tính toán và kết cấu thật, trong đó chủ yếu là ở những liên kết thật không quay được tự do như sơ đồ khớp, không ngàm chặt như sơ đồ ngàm, đồng thời sơ đồ tính cũng không xét đến những nhân tố ảnh hưởng đến sự tác động qua lại giữa các bộ phận của kết cấu với nhau

Cốt cấu tạo còn dùng để chịu những tác động bất thường và những sai lệch giữa dạng tải trọng đưa vào trong tính toán và dạng tải trọng thật

Cốt cấu tạo cũng được đặt vào các vùng mà trạng thái ứng suất ở đó khá phức tạp, khó nắm bắt được một cách chắc chắn, chỉ có thể được sử lý bằng kinh nghiệm hay thí nghiệm mô hình (ví dụ như nút khung)

Nhiều loại cốt thép cấu tạo dùng để chịu những ứng suất do co ngót của bê tông, do sự thay đổi nhiệt độ mà trong tính toán không kể đến Người ta còn đặt cốt thép cấu tạo để đề phòng lún lệch giữa các móng

d) Bố trí khe nhiệt độ và khe lún

*) Khe nhiệt độ

Chiều dài kết cấu và sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì nội lực phát sinh càng lớn, có thể gây nên vết nứt làm hư hỏng hoặc giảm tuổi thọ kết cấu Ứng với một độ chênh nhiệt độ nhất định sẽ có một chiều dài kết cấu mà nội lực phát sinh không lớn, chỉ cần dùng các biện pháp cấu tạo và đặt cốt thép theo cấu tạo là đủ chịu, không cần tính toán nội lực do tác động của nhiệt độ gây ra nữa Như vậy sẽ hình thành những khe nhiệt độ, chúng chia kết cấu thành từng phân đoạn tách rời nhau từ mái cho đến mặt móng (phần móng chôn dưới mặt đất ít thay đổi nhiệt độ, có thể bỏ qua sự chênh nhiệt độ)

Bề rộng khe nhiệt độ thông thường từ 2 đến 3cm

Khoảng cách giữa các khe nhiệt cần xác định bằng tính toán Tiêu chuẩn thiết

kế của mỗi nước quy định những khoảng cách tối đa giữa các khe nhiệt độ để ứng suất

và biến dạng do nhiệt độ gây ra không gây tác hại Những khoảng cách phụ thuộc và công trình và mức độ tiếp xúc của công trình với môi trường Theo Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574-2012, đối với kết cấu BTCT có yêu cầu chống nứt cấp 3 cho phép không cần tính toán khoảng cách nói trên nếu chúng không vượt quá các trị số quy định trong Bảng 1.1:

Bảng 1.1: Khoảng cách lớn nhất giữa các khe co giãn nhiệt

cho phép không cần tính toán (kích thước tính bằng m)

Trong đất Trong nhà Ngoài trời

Toàn khối có bố trí thép cấu

tạo

không bố trí thép cấu tạo

Bê tông

cốt thép

Khung lắp ghép

Khung bán lắp ghép hoặc toàn khối

Bề rộng khe lún bằng từ 2 đến 3 cm

Khe lún thường nằm ở chổ tiếp giáp giữa hai khối công trình có chiều cao (số tầng) chênh lệch nhau, ở xung quanh khu vực chịu hoạt tải lớn so với khu vực lân cận,

ở những vị trí có sự thay đổi rõ rệt về địa tầng

Để làm khe lún có thể sử dụng phương án cột đôi có dầm consol hay dầm gánh như trên Hình 1.1 c, d Khe nhiệt độ như thể hiện trên Hình 1.1 a, b

Có thể kết hợp khe lún và khe nhiệt độ với nhau, tức là khe lún có thể làm cả nhiệm vụ của khe co giãn (của bê tông) Nếu kết hợp khe nhiệt độ và khe lún thì có thể

sử dụng phương án cột đôi và dầm consol Nếu dùng phương án dầm gánh thì một đầu của dầm gánh phải dùng khớp trượt

a,b: Khe nhiệt độ; c,d: Khe lún

1 - Khe nhiệt độ; 2 - Cột đôi; 3 - Khe lún; 4 - Dầm gánh

Hình 1.1: Khe lún và khe nhiệt độ 1.4 Mặt bằng kết cấu

Trên mặt bằng kết cấu thể hiện rõ hệ kết cấu chịu lực chính của công trình (như

hệ khung, hệ vách, hệ lõi, dầm, sàn ), vị trí và ký hiệu các cấu kiện, thể hiện quan niệm về sự làm việc của hệ kết cấu

1.4.2 Tác dụng của việc lập mặt bằng kết cấu

Bản vẽ mặt bằng kết cấu có các tác dụng sau:

- Mặt bằng kết cấu thể hiện hệ kết cấu chịu lực đã được bố trí hợp lý, đúng nguyên lý thiết kế hay chưa

- Lựa chọn quan niệm tính toán, xây dựng sơ đồ tính toán hệ kết cấu công trình

- Tính toán được tải trọng công trình truyền lên các kết cấu chịu lực

- Dùng để thống kê chủng loại, số lượng các cấu kiện, thống kê bê tông, cốt thép các cấu kiện, lập dự toán

- Trong giai đoạn thi công giúp xác định khối lượng thi công, phân đoạn thi công, xác định vị trí các kết cấu để thi công

- Phục vụ công tác kiểm tra, kiểm định, thử tải, quản lý chất lượng công trình

L/5 3L/5 L/5 L

b)

2

1.4.3 Cách lập mặt bằng kết cấu

- Dựa trên mặt bằng kiến trúc và sự phân tích lựa chọn phương án kết cấu, thể hiện trên mặt bằng công trình hệ kết cấu chịu lực Bằng việc thể hiện đường, nét, chi tiết tô trên các kết cấu theo quy định của vẽ kỹ thuật sẽ giúp các bên liên quan đến công việc xây dựng công trình hiểu và thực hiện được ý đồ kết cấu

- Đánh tên các kết cấu trên MBKC: Các kết cấu có cùng hình dáng kích thước,

sơ đồ tính, tải trọng tác dụng sẽ được đặt cùng tên Các ký hiệu cần dễ hiểu (ví dụ: cột

có thể ký hiệu C, dầm là D hoặc B, khung là K ), số thứ tự nên đặt khoa học, dễ theo dõi (ví dụ các dầm có thể có 2 chữ số, chữ số thứ nhất gắn với số tầng, chữ số thứ 2 phân biệt các dầm theo quy luật vị trí)

- Thể hiện các kích thước tiết diện, cao độ mặt bằng

- Ghi chú nếu các chi tiết thể hiện chưa đủ thông tin

Thông thường nên xuất phát từ bản vẽ mặt bằng kiến trúc, lược bỏ các chi tiết kiến trúc, các bộ phận phi kết cấu, tường ngăn bao che, trang trí sau đó thể hiện các

bộ phận kết cấu theo phương đứng, tô nét cắt, nét thấy cho phù hợp rồi thể hiện mạng dầm sàn phù hợp với không gian kiến trúc và tính chất chịu lực của kết cấu

Một ví dụ về xây dựng mặt bằng kết cấu từ mặt bằng kiến trúc tương ứng xem Hình 1.2:

Hình 2.1: Nhà khung bê tông cốt thép, tường chèn khối xây

Kết cấu khung và các bộ phận khác của nhà như sàn, móng giới thiệu trong hình

vẽ 2.2:

Hình 2.2: Các bộ phận trong nhà khung bê tông cốt thép

Hệ kết cấu khung là hệ thanh bất biến hình được tạo nên bởi các thanh đứng (cột)

và các thanh ngang (dầm, xà ngang) liên kết với nhau tại các nút khung

Trong một số trường hợp có thể có thanh xiên, thanh gẫy khúc, thanh cong trong

hệ khung ở các vị trí mái vát, mái cong hay các mặt bằng uốn lượn theo sáng tác kiến trúc Xà ngang tại mái có các dạng dầm, dàn, vòm mái

Các nút khung về bản chất là dạng liên kết đàn hồi nhưng trong tính toán thường quan niệm đơn giản là nút cứng hoặc nút khớp Nút cứng có chuyển vị nhưng góc giữa các thanh quy tụ ở nút không thay đổi trước và sau khi chịu tải trọng, tác động

Hình 2.3: Dầm, cột và nút khung bê tông cốt thép

Kết cấu khung bê tông cốt thép được sử dụng rất rộng rãi trong nhà dân dụng và công nghiệp vì cho phép biến đổi linh hoạt không gian sử dụng vì tường ngăn các

phòng chỉ là tường tự mang có thể dỡ đi, di chuyển để mở rộng không gian khi cần thiết hoặc xây thêm để tạo một phòng mới mà không ảnh hưởng nhiểu đến độ bền vững của ngôi nhà Điều này có nghiều ý nghĩa đối với nhà ở, một khi tiêu chuẩn diện tích sử dụng thay đổi, diện tích phòng cần được tăng lên người ta chỉ cần phá các tường cũ đi và xây các tường ngăn mới

2.1.2 Phân loại

Hệ kết cấu khung được phân loại theo các tiêu chí khác nhau:

a) Theo sơ đồ kết cấu:

- Khung bê tông cốt thép nhà một tầng, một nhịp

- Khung bê tông cốt thép nhà một tầng, nhiều nhịp

- Khung bê tông cốt thép nhà một nhịp, nhiều tầng

- Khung bê tông cốt thép nhà nhiều nhịp, nhiều tầng

Hình 2.4: Một số sơ đồ kết cấu khung bê tông cốt thép b) Theo quan niệm, sơ đồ tính:

- Khung phẳng

- Khung không gian

c) Theo phương pháp thi công:

- Khung bê tông cốt thép thi công toàn khối: dùng phổ biến trong nhà dân dụng,

độ cứng toàn khung lớn, dễ chế tạo nút cứng

- Khung bê tông cốt thép thi công lắp ghép từ các cấu kiện dầm, cột: thi công nhanh, ít cần cốp pha cây chống, tạo liên kết nút cứng khó nên độ cứng toàn khung nhỏ hơn, tốn kém cốt thép

- Khung bê tông cốt thép bán lắp ghép: các cấu kiện dầm, cột, tấm sàn lắp ghép, riêng các dầm và tấm sàn chưa hoàn chỉnh sẽ được thi công thêm một lớp bê tông cốt thép tại chỗ

d) Theo phương pháp chế tạo:

- Khung bê tông cốt thép thường

- Khung bê tông cốt thép ứng lực trước

2.1.3 Phân tích đặc điểm các sơ đồ khung

Việc phân tích kết cấu khung cho kết quả là các nội lực, chuyển vị tại các tiết diện của các cấu kiện trong khung Kết quả nội lực bao gồm mô men theo hai phương trục chính của mỗi tiết diện, lực pháp tuyến tại tiết diện hay lực dọc trục cấu kiện (lực kéo hoặc nén dọc trục), lực tiếp tuyến (lực cắt), mô men song song tiết diện (mô men xoắn) Trong thiết kế khung, các tiết diện ngang cấu kiện được lựa chọn, tính toán để chịu được các nội lực xuất hiện kể trên Hình dạng của khung, kiểu liên kết tại nút khung và đặc trưng tiết diện các bộ phận có quan hệ và ảnh hưởng lớn đến sự phân phối nội lực và độ lớn của chúng trong các tiết diện Do vậy, lựa chọn hình dạng khung, liên kết và các tiết diện của cấu kiện quyết định đến tính kinh tế và thẩm mỹ của cả hệ kết cấu Mục đích thiết kế kết cấu khung cũng như nhiều kết cấu nhà khác là

sử dụng các tiết diện cấu kiện vừa chịu được nội lực, vừa đảm bảo tính kinh tế, thẩm

Ở sơ đồ (b), các nút A, B là liên kết khớp Độ cứng của khung giảm nhiều, biến dạng do mômen sinh ra lớn do momen phân bố không đều Bộ phận xà ngang trực tiếp chịu tải trọng mà mômen không phân phối sang cột dẫn đến mômen nhịp lớn Để đảm bảo độ võng thì chiều cao tiết diện của dầm ở sơ đồ (b) phải lớn hơn Tuy nhiên, dưới tác động của nhiệt độ chênh lệch, lún lệch, nội lực phát sinh trong các cấu kiện khung

ở sơ đồ (b) lại nhỏ hơn, thậm chí không ảnh hưởng

Như vậy ta việc tạo nên nút cứng hay nút khớp cũng cần cân nhắc theo tiêu chí nào cần ưu tiên thỏa mãn Khung nhà nhiều tầng thường là nút cứng trong trường hợp khung chịu cả tải trọng đứng và ngang lớn Nút cứng hay nút khớp trong quan niệm tính cần thống nhất với cấu tạo, phù hợp phương pháp thi công, như khung đổ toàn khối thường dễ tạo nút cứng, khung lắp ghép dễ tạo nút khớp hơn nút cứng

Khi các giá trị nội lực và chuyển vị của khung đã được xác định, bước thiết kế tiếp theo sẽ sử dụng những kiến thức đã học ở phần 1 về cấu kiện cơ bản, có bổ sung việc xem xét các ứng suất phụ phát sinh và tính toán nút khung Trong thiết kế thực hành, hầu hết các kết cấu và cấu kiện được phân tích để tìm được các nội lực và ứng suất cơ bản gây ra bởi tải trọng thông thường Thực tế thì các cấu kiện đều phải chịu thêm các ứng suất phát sinh do nhiều nguyên nhân: các tải trọng và tác động thường không được

kể đến khi thiết kế như tác động do nhiệt độ chênh lệch; vật liệu không đồng nhất; nội lực thứ cấp khi kể đến sơ đồ biến dạng… Tuy nhiên, độ lớn của các ứng suất phát sinh trong nhiều trường hợp thường không đáng kể so với các ứng suất cơ bản, do đó trong hầu hết các trường hợp thiết kế thực hành không bao gồm việc phân tích để tìm ra vị trí và độ lớn của các ứng suất thứ cấp phát sinh mà sẽ có những quy định chung (biện pháp cấu tạo) thiên về hướng đảm bảo an toàn cho kết cấu

2.2 Thiết kế kết cấu khung toàn khối

2.2.1 Các sơ đồ kết cấu cơ bản

Do đặc điểm thi công bê tông đổ toàn khối tại chỗ nên loại kết cấu khung này dễ được tạo các nút cứng, điều đó ảnh hưởng đến việc lựa chọn sơ đồ tính cũng như những quan niệm tính khung

Khung bê tông cốt thép toàn khối được sử dụng rất rộng rãi cho nhà dân dụng, các công trình công cộng, nhà ở một tầng và cao tầng, một nhịp và nhiều nhịp

Đối với nhà một tầng, sơ đồ khung trên hình 2.6 là những dạng cơ bản hay được dùng trong thực tế

a) b)

c) d)

Hình 2.6: Các dạng khung BTCT toàn khối cơ bản

Trên hình 2.6, Sơ đồ (a): Trong xà ngang chủ yếu xuất hiện mômen uốn và lực cắt còn lực nén dọc trục không đáng kể

Ở sơ đồ (b) và đặc biệt là ở sơ đồ (c): xà ngang làm việc như cấu kiện chịu nén lệch tâm do sự xuất hiện của lực nén chiếm ưu thế, mô men uốn giảm Lực nén đó làm giảm ứng suất kéo ở thớ dưới của dầm, vì vậy khi có cùng một điều kiện tải trọng thì

sơ đồ (b) và (c) có nhịp lớn hơn sơ đồ (a)

Nên dùng sơ đồ (a) cho nhịp dưới 15m, sơ đồ (b) có thể dùng cho nhịp trên 15m,

và sơ đồ c cho nhịp trên 18m đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường Còn đối với kết cấu sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước thì dùng sơ đồ (a) hoặc (b) cũng có thể đạt tới nhịp 30 đến 50m và lớn hơn

Ở sơ đồ (d) trên hình 2.6, cột khung được liên kết khớp với móng Cấu tạo khớp như thế khó thực hiện, ít dùng hơn Cấu kiện cột và xà ngang sẽ nặng nề hơn nhưng

móng sẽ làm việc đúng tâm nên thích hợp xây dựng ở vùng địa chất phức tạp, đất yếu Kết cấu giảm được bậc siêu tĩnh do đó ứng suất phụ thêm sẽ nhỏ hơn

Hình 2.7: Khung BTCT nhiều tầng toàn khối

Đối với nhà nhiều tầng dùng khung bê tông cốt thép chịu cả tải trọng ngang và tải trọng đứng thì nút khung thường là nút cứng, cột liên kết ngàm với móng như trên Hình 2.7 Sơ đồ này có số bậc siêu tĩnh lớn, hạn chế chuyển vị ngang của khung, độ ổn định và an toàn được nâng cao phù hợp với khung nhà nhiều tầng

Trong trường hợp nhà nhiều tầng mà khung chỉ chịu tải trọng thẳng đứng còn phần lớn tải trọng ngang do các vách cứng và lõi chịu, thì khung có thể được cấu tạo với các nút khớp

2.2.2 Lựa chọn sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện

Với kết cấu khung trong nhà thực tế đa số là kết cấu siêu tĩnh, nội lực trong các cấu kiện phụ thuộc vào độ cứng của của chúng, muốn tính nội lực ta cần có kích thước tiết diện ngang Do đó trước tiên cần sơ bộ xác định kích thước tiết diện các cấu kiện

Sơ bộ xác định kích thước tiết diện các cấu kiện cần dựa vào các cơ sở:

- Kinh nghiệm, so sánh với kết cấu đã xây dựng;

- Đặc điểm thi công bê tông đổ toàn khối;

- Quá trình tính toán sơ bộ

Tính toán và chọn sơ bộ tiết diện dầm và cột khung phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Khả năng chịu lực cấu kiện;

- Độ ổn định;

- Tính thẩm mỹ và các yêu cầu kiến trúc;

- Định hình hóa ván khuôn thi công

Kích thước chiều cao và bề rộng tiết diện xà ngang khung được xác định theo nhịp

và tải trọng sơ bộ, theo nhịp lấy như sau:

h = (

m

1)L và b = (0.25 - 0.5) h

Rb: Cường độ chịu nén tính toán của bê tông

Xác định sơ bộ N có thể coi các dầm gắn với cột (trên các tầng) là các dầm đơn giản truyền tải vào cột

Cuối cùng chọn hcột = (1.5 - 3) bcột là hợp lý về mặt kết cấu

Tiết diện cột chỉ có thể giảm do lực dọc các tầng càng lên trên càng giảm dần, nhưng sẽ khó khăn cho việc thi công định hình Do vậy chỉ thực hiện khi có yêu cầu phải tăng không gian sử dụng và thẩm mỹ kiến trúc

Trong bước lựa chọn kích thước tiết diện khung đã cần quan tâm đến lựa chọn vật liệu cho các cấu kiện Vì kết cấu khung toàn khối nên ưu tiên sử dụng dầm- sàn - cột cùng loại bê tông Việc tăng cấp độ bền bê tông chỉ cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của cột, không hiệu quả lắm với dầm Đối với khung nhiều tầng, để giảm tiết diện cột có thể sử dụng bê tông các tầng dưới có cấp độ bền cao, các tầng trên giảm cấp độ bền bê tông cho kinh tế

Cấp độ bền bê tông tối thiểu với kết cấu khung là B15, các khung nhà cao tầng không nên chọn cấp độ bền dưới B25

Cốt thép dọc chọn mác CB300-V, CB400-V (gần tương đương nhóm CII, CIII của tiêu chuẩn cũ TCVN 1651:1985), cốt đai mác CB240-T hoặc CB300-V

2.2.3 Lập sơ đồ tính

Căn cứ vào điều kiện địa chất, giải pháp nền móng, kích thước hình học thiết kế quyết định sơ đồ tính và cấu tạo khung, chỉ rõ được vị trí các phần tử thanh, loại liên kết giữa chúng và liên kết hệ kết cấu với nền đất

Với các kết cấu móng trên nền đá, nền ít biến dạng, các móng cọc kiểm soát được biến dạng của nền và móng nhỏ so với giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế nền móng, có thể coi cột liên kết ngàm với móng, mặt ngàm là mặt trên của móng hoặc mặt đài móng thường ở độ sâu tối thiểu -0.400m so với cao độ mặt đất tự nhiên Trường hợp các móng trên nền đất yếu, đài móng có 1 cọc, khả năng biến dạng của nền móng và khả năng móng bị xoay cao thì liên kết chân cột với móng nên coi là liên kết đàn hồi Tiếp cận gần hơn nữa với sự làm việc thực của hệ là mô hình hóa cả kết cấu phần thân, phần móng và nền đầy đủ để có thể xem xét được ảnh hưởng tương tác của kết cấu với móng và nền, xác định nội lực và chuyển vị xuất hiện ở kết cấu khung

Với kết cấu khung bê tông cốt thép thi công toàn khối, liên kết cứng giữa các cấu kiện cột và dầm của khung dễ thực hiện hơn liên kết khớp Nút cứng là nút có thể bị chuyển vị theo các phương, bị xoay, nhưng trước và sau khi biến dạng thì góc giữa các phần tử quy tụ tại nút không thay đổi Nút khớp cũng có thể cấu tạo để đảm bảo phù hợp với quan niệm trong sơ đồ tính, khi thực hiện tiêu chí làm “mềm” kết cấu nhằm giảm lực động đất tác dụng vào kết cấu khung

Sơ đồ tính toán khung theo các phương pháp của cơ học kết cấu hoặc mô hình hóa trong các phần mềm phân tích quan niệm cột và dầm khung là các phần tử thanh với vị trí được xác định trong sơ đồ là các trục hình học của các cấu kiện đó Như vậy trục các dầm trong cùng 1 tầng có thể không cùng nằm trong mặt phẳng khi chiều cao tiết diện các dầm khác nhau Tương tự trục cột có thể không là đường thẳng khi thay đổi tiết diện theo các tầng Để đơn giản hóa khi tính toán có thể coi các dầm cùng 1 tầng

có cùng cao độ trục thanh, các cột cũng có thể coi trục thanh thẳng, độ lệch tâm trục cột tầng trên và tầng dưới gây ra lệch tâm có thể bù bằng những mô men tập trung được tính toán thủ công

Về bản chất hệ kết cấu khung sử dụng trong nhà là hệ kết cấu không gian (3D), một số trường hợp vì mặt bằng công trình dạng chữ nhật, số nhịp khung theo hai phương chênh lệch, việc bố trí các cấu kiện trong mặt bằng khiến việc truyền tải trọng chủ yếu theo một phương dẫn tới có thể tính toán các khung phẳng theo phương chịu lực chính của nhà, phương còn lại chỉ cần cấu tạo các dầm dọc liên kết các khung phẳng với nhau Hình vẽ 2.8 giới thiệu kết cấu khung được tính toán theo sơ đồ khung không gian, đã được mô hình trong phần mềm phân tích kết cấu:

Hình 2.8: Sơ đồ tính khung không gian

Hình vẽ 2.9 thể hiện sơ đồ tính khung phẳng của chính công trình có sơ đồ khung không gian như Hình 2.8, khung ngang được chọn vì là phương nguy hiểm hơn:

Hình 2.9: Sơ đồ tính khung phẳng

Một quan niệm khác nữa là tách các khung phẳng theo hai phương vuông góc nhau để tính toán độc lập, cuối cùng bố trí cốt thép trong các cấu kiện tổng hợp theo

kết quả tính toán hai phương Thiết kế như vậy sẽ dẫn đến không kinh tế như tính khung không gian

Trong kết cấu khung, nếu các giằng móng, giằng chân tường có độ cứng đáng kể

so với độ cứng các cấu kiện khác của khung thì vẫn được kể đến trong sơ đồ tính như Hình 2.8 và Hình 2.9

Khi lập sơ đồ tính toán khung, có thể làm những phép đơn giản hóa sau đây :

- Nếu chiều dài các nhịp khác nhau dưới 10% thì có để đổi thành sơ đồ nhiều nhịp bằng nhau là chiều dài nhịp trung bình

- Độ dốc của xà ngang nhỏ hơn 1/8 thì trong sơ đồ tính có thể xem xà nằm ngang, khi đó chiều cao cột lấy là giá trị trung bình

- Khi khung có nhiều nhịp bằng nhau và tải trọng giống nhau trong các nhịp thì có thể đổi thành khung ba nhịp để tính toán, nội lực ở các nhịp giữa lấy như nhau

2.2.4 Xác định tải trọng tác dụng lên khung

2.2.4.1 Tải trọng đơn vị trên công trình

Trước khi xác định các tải trọng tác dụng lên khung cần phải xác định tải trọng đơn vị tác dụng trên 1m2 sàn, tường hoặc trên 1m dài của cấu kiện

a) Tĩnh tải:

Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) là các tải trọng tác dụng không biến đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình Chúng gồm có trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực, bao che, các lớp cách âm, cách nhiệt

Trọng lượng thể tích và hệ số độ tin cậy (n) của một số vật liệu xây dựng thông dụng:

Bảng 2.1: Trọng lượng thể tích và hệ số độ tin cậy

của một số loại vật liệu xây dựng

Ví dụ một trường hợp xác định tải trọng đơn vị trên sàn nhà và mái trình bày trong Bảng 2.2 và Bảng 2.3:

Hình 2.10: Cấu tạo các lớp sàn nhà Bảng 2.2: Tải trọng đơn vị sàn nhà

Hình 2.11: Cấu tạo các lớp mái

Bảng 2.3: Tải trọng đơn vị sàn mái bê tông cốt thép

Tải trọng tạm thời tác dụng theo phương đứng (hay còn gọi là hoạt tải đứng, hoạt tải sử dụng) tiêu chuẩn phân bố đều do người và vật dụng trong quá trình sử dụng công trình gây nên được lấy theo TCVN 2737-1995 hoặc lấy theo yêu cầu công nghệ Hoạt tải đứng tính toán phân bố đều xác định bằng cách nhân hoạt tải đứng tiêu chuẩn phân

bố đều với hệ số độ tin cậy n, lấy như sau:

n=1,3 nếu hoạt tải tiêu chuẩn phân bố đều nhỏ hơn 2kN/m2;

n=1,2 nếu hoạt tải tiêu chuẩn phân bố đều lớn hơn hoặc bằng 2kN/m2;

Ví dụ hoạt tải đứng đơn vị trên sàn của công trình nhà trẻ:

Bảng 2.5: Hoạt tải đứng đơn vị

c) Hoạt tải gió:

Sự chuyển động của không khí gần bề mặt trái đất tạo nên vec tơ vận tốc gió, nó

có độ lớn và hướng thay đổi theo không gian và thời gian

Vận tốc gió gây ra áp lực gió tĩnh và động lên công trình có thể quy thành hai

thành phần áp lực pháp tuyến Wx, Wy tác dụng theo các trục x và y Khi xác định các

thành phần áp lực pháp tuyến cho nhà nhiều tầng cao dưới 40m, TCVN 2737:1995 cho

phép không cần tính đến thành phần động của tải trọng gió Tải trọng gió tĩnh phải

luôn được tính đến trong bất kỳ trường hợp nào

Áp lực gió tiêu chuẩn tại độ cao 10m theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh

thổ Việt Nam (TCVN 2737:1995):

Bảng 2.6: Giá trị áp lực gió chuẩn (tại cao độ 10m)

Từ đó, giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W ở độ cao z so với

mốc chuẩn tác dụng vuông góc với bề mặt thẳng đứng của công trình xác định theo

công thức (2.1):

W  Wo  k c (2.1) trong đó: k là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình

c là hệ số khí động, phụ thuộc hình dạng nhà và vị trí mặt đón gió

2.2.4.2 Tải trọng tác dụng lên khung

Xác định tải trọng tác dụng lên khung cần phải tính riêng cho từng trường hợp tải trọng để phục vụ việc tổ hợp xác định nội lực bất lợi nhất tại mỗi tiết diện cấu kiện Đối với kết cấu được tính theo sơ đồ khung không gian, sau khi mô hình khung trong các phần mềm phân tích kết cấu, các cấu kiện như sàn, dầm, cột có thể không cần tính toán tải đơn vị như mục (a) đã trình bày mà sử dụng các khai báo đặc trưng vật liệu để dồn tải tự động

Phần tĩnh tải thường chỉ gán tải phân bố đều do các lớp cấu tạo sàn, mái (gạch lát, vữa lót, trát, trần treo…), gán các tải trọng phân bố theo dải do tường ngăn

Phần hoạt tải có giá trị nhỏ so với tĩnh tải thì thường được gán đều trên toàn sàn Các tải trọng gió tĩnh được gán lên các dầm biên do tải trọng gió phân bố trên tường biên với ½ chiều cao tầng phía trên và ½ tường tầng phía dưới truyền vào Đối với hệ kết cấu mà sự làm việc chủ yếu trong mặt phẳng thì có thể đưa về hệ kết cấu phẳng để dễ tính toán và dễ kiểm soát được kết quả Khi phân phối tải trọng thẳng đứng cho một khung nào đó, cho phép bỏ qua tính liên tục của dầm dọc hoặc dầm ngang Nghĩa là tải trọng truyền lên khung được tính như phản lực của dầm đơn giản truyền từ hai phía lân cận vào khung đang xét Đối với tải trọng ngang (hoạt tải gió) bỏ qua sự làm việc không gian của khung, tải trọng ngang chỉ phân phối vào khung theo diện chịu tải của khung đang xét Dạng tải trọng tác dụng lên khung thường có hai dạng: tải phân bố và tải tập trung

Tải trọng đơn vị đã xác định sẽ được tính toán truyền lên khung phẳng:

a) Tĩnh tải trên khung phẳng

Muốn xác định tĩnh tải truyền lên khung cần căn cứ theo mặt bằng kiến trúc và sự

bố trí các cấu kiện trên mặt bằng kết cấu

Hình 2.12: Mặt bằng kết cấu sàn tầng điển hình

B1

Hình 2.13: Mặt bằng tryền tĩnh tải phân bố sàn vào dầm khung trục 2

Để thuận tiện cho việc tính nội lực trong dầm có thể chuyển dạng tải tam giác và hình thang sang dạng tải phân bố đều tương đương như sau:

Hình 2.14: Quy đổi tương đương tải về dạng phân bố đều

với q là tung độ lớn nhất của tải hình tam giác và hình thang; =l1/2l2 (l1 và l2 là kích thước cạnh nhỏ và lớn của mỗi ô bản)

Tải bản thân của tường xây trên dầm gt (nếu có) xem như tải phân bố đều trên dầm cùng với trọng lượng bản thân của dầm đó gd

g S1 g S2 +

B1

G C

S

CB

G B

G A

S 5

S 6

Để dễ kiểm soát công việc tính toán tĩnh tải truyền vào khung phẳng, có thể tham khảo bảng tóm tắt tính tải trọng sau:

Bảng 2.7: Bảng tính tải trọng truyền vào khung

g1

- Do trọng lượng bản thân dầm: m (kN/m)

- Do sàn mái truyền vào: k.gmái.l1= n (kN/m)

- Do tường thu hồi: i (kN/m)

- Do mái tôn, xà gồ: gmái tôn.l1= k (kN/m)

(kN/m)

Cuối cùng lập được sơ đồ tác dụng của tĩnh tải dựa trên việc tính toán tải trọng trên dầm khung cho từng tầng

b) Hoạt tải đứng trên khung phẳng

Phân tích đàn hồi nội lực khung dùng nguyên lý cộng tác dụng Đối với khung phẳng nhiều nhịp hoặc dầm liên tục, cần xét các trường hợp chất hoạt tải đứng lên khung như sau :

Hình 2.16: Các phương án hoạt tải gây bất lợi

Thiết kế thực hành thông thường còn đơn giản hơn nữa số lượng các trường hợp hoạt tải sử dụng, chỉ chất tải cách tầng, cách nhịp tức là sơ đồ HT1, HT2 của Hình 2.17, 2.18 để phân tích và tổ hợp nội lực trong các cấu kiện khung:

Hình 2.17: Mặt bằng truyền hoạt tải vào khung trục 3- Phương án 1

Hình 2.18: Mặt bằng truyền hoạt tải vào khung trục 3- Phương án 2 c) Hoạt tải gió tác dụng vào khung phẳng

Tải trọng đơn vị tiêu chuẩn W tác dụng lên mỗi mét vuông thẳng đứng của công trình đã được xác định ở trên Tải trọng gió tính toán xác định theo công thức

q    Wo    k c  W (2.6) Với  là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, đối với nhà và công trình có thời gian

sử dụng giả định là 50 năm thì lấy  = 1,2 Với thời gian sử dụng giả định khác đi thì giá trị tính toán của tải trọng gió phải giảm như quy định trong mục 6.17 tiêu chuẩn TCVN 2737:1995

+) Hoạt tải gió phân bố

Với sơ đồ tính khung là khung phẳng thì tải trọng gió tĩnh tác dụng trên các tường biên vuông góc phương mặt phẳng khung ở mỗi bước khung coi như chia ra làm đôi

truyền vào mỗi khung lân cận thành tải phân bố đều trên cột ở vị trí tường nhận áp lực gió đó Mỗi khung phẳng nhận gió đẩy và gió hút phân bố đều trên cột tính theo công thức:

q =  W o c k B (2.7) trong đó: B là bước khung (bề ngang đoạn tường truyền tải gió vào khung)

Như khung giới thiệu ở hình 2.19, hệ số khí động c ở phía đón gió (gió đẩy, qđ) là +0,8, ở phía khuất gió (gió hút, qh) là -0,6

+) Hoạt tải gió tập trung

Trường hợp nhà mái bằng có tường chắn mái cao là Htcm, phần tải gió tác dụng vào tường chắn mái sẽ truyền vào khung phẳng thành một lực tập trung có vị trí điểm đặt chính là đỉnh khung, giá trị lực tập trung là:

P =  W o c k B H tcm (2.8) trong đó hệ số khí động c vẫn lấy giá trị như khi tính qđ và qh như trên

Trường hợp mái nhà là mái nghiêng, như mái tôn chẳng hạn, lợp trên hệ xà gồ kê lên tường thu hồi, thì toàn bộ phần gió tác dụng lên phần mái cao là Hm (tính từ mặt mái bê tông cốt thép đến đỉnh mái tôn) cũng quy như lực tập trung đặt ở đỉnh khung P

Hệ số khí động c trên mái nghiêng lấy phụ thuộc vào góc nghiêng  và tỷ lệ H/L (xem hình 2.19, bảng 3.7)

Hình 2.19: Tính tải trọng gió lên mái nghiêng Bảng 2.8: Hệ số khí động c khi nhà có mái dốc hai phía

-0,6 -0,4 +0,3 +0,8

-0,7 -0.7 -0,2 +0,8

-0.8 -0.8 -0.4 +0,8

Hệ số C có dấu + nghĩa là gió thổi vào mặt mái, dấu - nghĩa là gió hút khỏi mặt mái, từ đó xác định được chiều lực tập trung đỉnh khung tương ứng:

P =  W o c k B H m (2.9)

2.2.5 Tính toán nội lực, tổ hợp nội lực khung

a) Tính toán nội lực khung

Tổng quát hơn việc tính toán nội lực khung, phân tích kết cấu chính là việc xác định ứng xử của kết cấu trong đó có nội lực, biến dạng của các phần tử dưới tác dụng của tải trọng và tác động bên ngoài vào khung Có nhiều phương pháp phân tích kết cấu, tuy nhiên có thể xếp vào 2 nhóm:

- Phân tích tuyến tính: dựa trên giả thiết quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu là tuyến tính, thông số vật liệu và tải trọng không phụ thuộc thời gian Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng hiệu quả cho loại phân tích này Phân tích tuyến tính hay được sử dụng khi xem xét sự làm việc tổng thể của kết cấu do sử dụng các giả thiết đơn giản, dễ kiểm soát ứng xử của kết cấu và đưa ra các quyết định thiết kế chính

- Phân tích phi tuyến: dựa trên cơ sở quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu không phải hằng số, thông số vật liệu và tải trọng phụ thuộc thời gian (như co ngót, từ biến, cường độ vật liệu bê tông) Các thông số phục vụ phân tích phi tuyến chính xác hơn nên kết quả phân tích phi tuyến chính xác và chi tiết hơn phân tích tuyến tính Có

2 loại phân tích phi tuyến chính là phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học Phi tuyến vật liệu kể đến sự thay đổi quan hệ ứng suất và biến dạng không là hằng số, sự thay đổi thông số vật liệu theo thời gian như kể trên Phi tuyến hình học kể đến sự thay đổi không gian của kết cấu khi chịu tải (kể đến biến dạng của sơ đồ kết cấu) như: phân tích P-delta, phân tích ổn định Phân tích đàn dẻo có thể kết hợp cả phi tuyến vật liệu và hình học

Khi tính toán nội lực theo sơ đồ đàn hồi, độ cứng của thanh là EJ với E là mô đun đàn hồi của bê tông không kể đến sự có mặt của cốt thép Có thể dùng các phương pháp trong cơ học kết cấu để tính toán nội lực và biến dạng cho từng trường hợp tải đã

kể trên Tuy nhiên, việc sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn được phát triển mạnh mẽ trên thế giới Hiện nay, hầu hết các trường

kỹ thuật xây dựng, các văn phòng thiết kế đều sử dụng phần mềm phân tích kết cấu để tính toán, thiết kế các công trình

Phương pháp xác định nội lực bằng phân tích đàn hồi chưa phản ánh hoàn toàn sự làm việc thực tế của kết cấu nhưng được cho là an toàn và thuận tiện Do vậy, nó được

áp dụng rất rộng rãi trong thực tế thiết kế

Kiểm tra sự tin cậy của kết quả nội lực

- Dựa vào hình dáng của biểu đồ nội lực trong từng nhịp và sự biến đổi của nó theo từng tầng;

- Dựa vào điều kiện cân bằng lực Tổng đại số của lực dọc cột do một loại tải trọng đứng gây ra bằng đúng tải trọng đứng đó Tổng đại số lực cắt ngang tại chân cột bằng tải trọng ngang (do gió) gây ra theo hướng đó;

- Dựa vào tính đối xứng của hệ khung;

- Dùng các phương pháp gần đúng khác để xác định sơ bộ mô men trong dầm, cột

do tải trọng đứng và ngang gây ra

b) Tổ hợp nội lực và chọn cặp nội lực nguy hiểm

Tổ hợp cơ bản do tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời gây bất lợi nhất Trong tổ hợp có từ 2 loại hoạt tải trở lên thì giá trị nội lực của các hoạt tải được giảm bằng hệ số tổ hợp 0,9 kể tới tính không đồng thời trong thực tế

Tổ hợp đặc biệt: do tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời và một trong các tải trọng đặc biệt

Đối với các cấu kiện trong khung nhà dân dụng, tiết diện cần tổ hợp nội lực như sau:

• Với mỗi cột trong một tầng tổ hợp tại hai tiết diện: chân cột và đầu cột

• Với mỗi dầm cần tổ hợp cần tổ hợp ít nhất ba tiết diện: hai tiết diện đầu dầm và một tiết diện giữa dầm Trong trường hợp dầm có lực tập trung nằm trong nhịp dầm,

có thể cần tổ hợp thêm tiết diện tại vị trí lực tập trung

• Với cột (một tầng) cần tổ hợp nội lực tại tiết diện chân cột và đỉnh cột rồi chọn

3 cặp nội lực nguy hiểm nhất:

1 Mmax( ) và Ntu (mô men dương lớn nhất và lực dọc tương ứng)

2 Mmin( ) và Ntu (mô men âm lớn nhất và lực dọc tương ứng)

3 Nmaxvà M tu (lực dọc lớn nhất và mô men tương ứng)

Đối với tiết diện chân cột cần tổ hợp thêm lực cắt Q tu để tính móng

• Với dầm tổ hợp mô men nguy hiểm nhất tại tiết diện đầu, giữa và cuối mỗi nhịp, lực cắt lớn nhất tại đầu và cuối mỗi nhịp:

1 Mmax( ) (mô men dương lớn nhất)

2 Mmin( ) (mô men âm lớn nhất)

3 Qmax(lực cắt lớn nhất)

Các nội lực cần tổ hợp trong khung không gian

• Với cột cần quan tâm một số cặp nội lực sau

1 M x max,M yvà Ntu (mô men lớn nhất trong mặt phẳng XOZ, mô men trong mặt phẳng YOZ và lực dọc tương ứng)

2 M y max,M xvà Ntu (mô men lớn nhất trong mặt phẳng YOZ, mô men trong

2.2.6 Tính toán tiết diện bê tông cốt thép cho các cấu kiện

Căn cứ vào nội lực lớn nhất đã tổ hợp, trước khi tính toán về bê tông cốt thép cho tất cả các tiết diện cần thiết của cấu kiện khung, cần xem xét kích thước tiết diện đã chọn có hợp lý hay không Đối với cột và dầm có thể căn cứ vào hàm lượng cốt thép

Hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo trong dầm hợp lý nằm trong khoảng (0,6% đến 1,5%) Các điều kiện về hàm lượng hợp lý không phải là bắt buộc, các điều kiện hạn chế khi tính toán cần tuân thủ tuyệt đối

Dầm tính toán như cấu kiện chịu uốn trên tiết diện thẳng góc và nghiêng, ngoài ra cần tính toán giật đứt Cốt dọc dầm tính trên tiết diện chữ nhật hoặc chữ T phụ thuộc thớ căng và cấu tạo dầm - sàn, chịu mômen lớn nhất tại mỗi tiết diện, theo trường hợp cốt đơn hoặc cốt kép

Cột khung phẳng tính như cấu kiện chịu nén lệch tâm Mỗi tầng hoặc mỗi phần cột (với trường hợp cột thay đổi tiết diện) chọn 3 cặp nội lực tính toán cốt thép: (Mmax, Ntư), (Mmin, Ntư) và (Nmax, Mtư) Nên ưu tiên việc sử dụng biểu đồ tương tác để tính toán cốt thép và kiểm tra khả năng chịu lực

2.2.7 Đặc điểm cấu tạo khung bê tông cốt thép toàn khối

Khung gồm từ các thanh và các nút Các thanh là các cấu kiện chịu uốn (dầm, xà ngang) và cấu kiện chịu nén lệch tâm (cột, xà ngang gãy khúc, xà ngang cong), cũng

có khi là cấu kiện chịu kéo lệch tâm (khi khung đóng vai trò là vách cứng của cấu kiện chịu vỏ mỏng không gian) Việc cấu tạo các thanh chịu uốn, chịu nén hoặc kéo lệch tâm đã được giới thiệu trong phần cấu kiện cơ bản

Nút khung bê tông cốt thép cần có những quy định chung (cấu tạo) về hình dáng,

Hình dáng và kích thước của nút khung cũng quyết định sự phân bố ứng suất Nếu thay những góc gãy thành những đường cong thì sự tập trung ứng suất sẽ giảm đi

Hình 2.21: Trạng thái ứng suất tại nút cứng

Cấu tạo các nút khung từ góc 90o thành cung tròn hay đường cong gây khó khăn khi thi công toàn khối nên thực tế hay dùng các nút vát, nách khung

Nguyên tắc neo cốt thép là để đảm bảo cốt thép phát huy hết khả năng chịu lực mà không bị kéo tuột khỏi nút Đối với các nút trung gian phía trong khung cốt thép dọc phía trên dầm nên được kéo liên tục qua nút giao với cột Với nút ngoài hoặc nút góc, nếu kích thước cột không đủ chiều dài neo thì cốt thép dọc được kéo quá điểm giữa nút và được uốn góc 90o Dưới đây là một số nút khung và cấu tạo neo cốt thép:

Hình 2.22: Vị trí các nút cứng

- Cấu tạo của nút ở góc tầng trên cùng (nút A) được thể hiện như hình 3.29 Đặc điểm của nút này là giá trị mômen ở đầu dầm (cột) lớn, việc neo cốt thép chịu kéo của dầm (cột) phải thận trọng vì ở cột không có lực nén truyền từ tầng trên xuống

Hình 2.23: Cấu tạo nút góc khung

Chiều dài neo cốt thép phụ thuộc vào tỷ số

h

e0 (với e0 là tỷ số mômen và lực dọc trong cột, h là chiều cao tiết diện cột) Tỷ số đó càng lớn thể hiện mô men càng lớn thì cốt thép dọc càng cần phải neo sâu Ngoài việc neo cốt thép để chịu mô men uốn ở nút khung và ở góc chúng phải được uốn cong với r 10d, các cốt thép khác cũng phải có chiều dài neo không nhỏ hơn lan (tính theo công thức 189 của TCVN 5574-2012) Cốt dọc phía dưới dầm neo không đủ chiều dài do kích thước cột hạn chế, cần uốn góc 90o

để neo đủ vào nút, chú ý nhất là trường hợp mô men dương xuất hiện đầu dầm