Bài giảng Kết cấu bê tông cốt thép 2: Chương 4 - ThS. Bùi Nam Phương

Bài giảng Kết cấu bê tông cốt thép 2: Chương 4 Khung bê tông cốt thép cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung; Bố trí hệ kết cấu khung; Kích thước các cấu kiện trong khung; Sơ đồ tính khung; Tải trọng tác động lên khung; Phân tích khung và tính thép; Cấu tạo cốt thép. Mời các bạn cùng tham khảo!

Bài giảng kết cấu BTCT 2

Ths Bùi Nam Phương

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

4.1.1 Định nghĩa

Khung là kết cấu chịu lực chính của công trình, bao gồm dầm,

cột hoặc tường chịu lực đối với sàn có sườn; hoặc chỉ có cột và

sàn đối với sàn không sườn

Khung vừa chịu tải trọng đứng do trọng lượng bản thân công

trình, hoạt tải sử dụng; vừa chịu tải trọng ngang do gió, động

đất,… tải trọng của khung sẽ truyền xuống nền đất thông qua

kết cấu móng

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

4.1.2 Phân loại:

Khung toàn khối (Insitu):

• Ưu điểm: độ cứng lớn, chịu

tải trọng động lớn, đa dạng

về kích thước và hình khối,

có thể thi công thủ công với mặt bằng thi công chật hẹp.

4.1.2.1 Theo thi công

• Nhược điểm: thi công phức tạp nhiều công đoạn, thời gian

thi công dài, tốn ván khuôn, chịu ảnh hưởng thời tiết, khó

kiểm soát chất lượng.

LOGO

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Khung lắp ghép (Precast) :

• Ưu điểm: cấu kiện được

chế tạo tại phân xưởng nên kiểm soát được chất lượng, thời gian thi công nhanh,không tốn cây chống, ván khuôn,

• Nhược điểm: liên kết các

nút khung phức tạp, độ cứng khung không cao, cần thiết bị cơ giới cẩu lắp,…

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Khung bán lắp ghép:

• Công trình được chia thành các

cấu kiện nhỏ, đơn giản các cấu

kiện này được chế tạo một

phần tại nhà máy, sau đó được

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Khung – dầm cột: chỉ có dầm

và cột, thích hợp cho côngtrình ít tầng, hệ dầm chính kếthợp với hệ cột tạo thành hệ kếtcấu khung chịu toàn bộ tải

trọng (cả phương đứng và ngang) tác động lên công trình.

Khung – vách lõi cứng: phổ

biến trong kết cấu nhà caotầng, ngoài dầm – cột, còn cóvách cứng hoặc lõi BTCT chịulực có vai trò như cột và chịuthêm tải trọng ngang tác dụnglên công trình

4.1.2.2 Theo kết cấu

This image cannot currently be displayed.

4.1.2 Phân loại:

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Sử dụng cho nền đất yếu, khung có thể chịu các chuyển vị nhỏ

theo cả phương đứng lần ngang tại các khớp chịu lực

4.1.3.2 Khung ba khớp

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Thường sử dụng cho đất nền tốt, cần kiểm tra các ứng suất phát

sinh do biến dạng bởi nhiệt độ và co ngót

4.1.3.3 Khung siêu tĩnh

Khung nhiều nhịp liên tục: sử

dụng khi cần vượt một nhịp lớn

thay vì dùng nhiều khung đơn

một nhịp khung nhiều nhịp liên

tục thường là siêu tĩnh bậc cao

LOGO

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

hệ kết cấu khung không gian, chịu

toàn bộ tải trọng tác động lên công

trình

4.2.1.1 Cột khung

4.2 BỐ TRÍ HỆ KẾT CẤU KHUNG

Cột thường bố trí thẳng hàng theo từng trục, thuận lợi cho việc

thiết kế và thi công

Mặt bằng công trình nên có

hai hệ trục cột theo 2

phương vuông góc nhau,

tạo độ cứng không gian cho

Bước cột: khoảng cách giữa

các cột nên đều nhau, để có

cột cấy; chúng không phải là

một bộ phận của khung chịu

lực chính

4.2.1.2 Cột phụ

Thường dùng để đỡ các kết

cấu khác trong công trình như

cầu thang, ram dốc, bể nước

hoặc dùng đề giằng tường, giữ

Tiết diện cột phụ thường được chọn theo cấu tạo, nhỏ hơn nhiều

so với cột chính, được bố trí rải rác, đơn lẻ ở các vị trí cần thiết

trong công trình, không liên tục từ móng lên mái

Cột phụ thường không có móng

riêng, mà đặt trực tiếp lên hệ

dầm khung chịu lực

Các cột phụ này thường được

đặt thép chờ và thi công sau khi

tháo cốt pha hệ dầm khung,

tránh để cột phụ thành gối đỡ

cho dầm khung

4.2 BỐ TRÍ HỆ KẾT CẤU KHUNG

4.2.2 Hệ dầm trong khung nhà

Dầm khung hay dầm chính, ngoài chịu tải trọng đứng do sàn và

dầm phụ truyền vào, dầm chính khi kết hợp với cột tạo thành kết

cấu khung, còn tham gia chịu tải trọng ngang (gió, động đất…)

Tiết diện thường nhỏ hơn dầm khung, hd = (1/12 - 1/20)Ld,

thường không đi qua cột mà có các gối đỡ là các dầm chính, có

vai trò:

4.2.2.2 Dầm phụ

• Chia nhỏ ô bản sàn lớn

(L sàn ≥ 6m): làm sườn

tăng độ cứng, giảm chiều

dày, độ võng, rung cho

sàn chịu tải trọng lớn

4.2 BỐ TRÍ HỆ KẾT CẤU KHUNG

• Đỡ tường bao che và các kết

cấu phụ như cầu thang, bể

nước, thiết bị có tải trọng

cấu sàn vững chắc và dễ tính toán (dầm môi bancole, dầm lỗ

gain, giếng trời…)

• Bố trí ở những bậc cấp, những chỗ cao trình sàn thay đổi lớn

(sàn âm, sàn bancole, sàn vệ sinh, …)

±0.0 00 -0 45 0

MẶT ĐỨNG TRỤC A-C

MẶT BẰNG TRỆT (GROUND FLOOR)

W8 -1

D 4

KHO (STORE)

D 3

P.K HÁCH (LIVI NG ROOM)

W3 W1

1 2 3

K HO T P (P A NTRY RO OM )

P.A ÊN

(DINING ROOM)

D 2

BẾP (KITCHEN) W1

D v

P.G IA ĐÌNH (FA MILY ROOM) W1

(TE RRACE)

P NG U Û 1

( BEDROOM 1)

P.N GU Û LỚ N (MA ST ER BE DROOM 1)

(1st FLOOR) MẶT BẰNG LẦU 1

D 5 D5

D 5

18 19

P HỌC (STUDY ROO M) W1

5 6

90 00

1 00

1 00

600 300 600

100 00

1 000 240 0 600

25 0

90 0 150

MẶT BẰNG TRỆT

TL: 1/75

4 3

2000 3000

3000 2500

2500 4000

1800 100 2300 200 1100 100 1200 100 3800 200

4 3

70 0 100 900

16 00 500 600

18 00

10 0

23 00 100 100

38 00 200

2500 100

120 0 100

LOGO

Chung cư Đinh Tiên Hồng

Ở KH U VỰC CẦU THAN G

420 0 420 0

+ 30 2 00

BẾ P , NHÀ ĂN BẾP , NH À ĂN

BẾP , NH À ĂN

PH ÒNG NGỦ P HÒNG NGỦ

PH ÒNG KH ÁCH PH ÒNG KH ÁCH

PH ÒNG NGU Û PH Ò NG NGỦ

PH ÒNG KH ÁCH

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 A

BẾP , NHA Ø ĂN

PHÒNG NGỦ P HÒNG NGỦ

PHO ØNG NGỦ PHO ØNG NGỦ

P HÒNG K HÁCH P HÒNG K HÁCH

PHO ØNG NGỦ PHÒNG NGỦ

PHO ØNG KHA ÙCH

P HÒNG K HÁCH PHÒNG NGỦ PHÒNG NGỦ

PHÒNG KHÁCH P HÒNG KHÁCH

PHO ØNG NGỦ P HÒNG NGỦ

PHÒNG KHÁCH P HÒNG K HÁCH

PHÒNG NGỦ P HÒNG NGỦ

Chung cư Hịn Rớ 2 – Nha Trang

-A -

A -

MÁY PHA ÙT Đ IỆN

KHO

P HÒNG RÁ C PCCC

CỬA H ÀNG

BẾP+A ÊN CỬA H ÀN G

BẾ P+ĂN

CỬA HA ØNG BẾP+ĂN

CỬA HA ØNG BẾ P+ĂN CƯ ÛA HA ØNG

CỬA HA ØNG

BẾP+ ĂN

BẾP+A ÊN

GEN ĐIE ÄN

CỬA H ÀNG BẾ P+ĂN

KH U VỰC ĐỂ XE

N HÀ BẢO VỆ

PH ÒNG CỘNG ĐO ÀNG

LẦU 1

T RỆT

LẦU 2 LẦU 3 LẦU 4 LẦU 5 LẦU 6 LẦU 7 LẦU 8 LẦU 9

1200 330 00 1 200

36 00

3 600 3600 3600 4200 3600 3600 3600

360 0

LOGO

Đ IỆN GEN R ÁC

P.SINH HOẠ T TH IẾU N HI

THÔ NG TẦNG

T HÔN G TẦNG

TH ÔNG TẦNG

P.KHÁ CH P.KH ÁCH

P.N GỦ 1 P.N G Ủ 2

P.N GỦ 2

P NG Ủ 1

PC CC

A -

A -

B -

4 3 2

4 3 2

1

B -

A -

A -

THÔNG TA ÀNG

P.NG Ủ 2 P.NGU Û 1 P.N GỦ 2

P.NG Ủ 1

P.NG Ủ 2 P.NGU Û 1

B1

P A ÊN P.KHÁC H

P A ÊN BẾP P.KHÁC H

B1 B1

P A ÊN P.KHÁCH

P.N GỦ 2 P.NG Ủ 1

P.N GU Û 2

P A ÊN BẾP P.KHÁCH

NƯ ỚCGEN

R ÁC GEN ĐIỆ N

A B1

B1

P ĂN

P.NG Ủ 3 P.NG Ủ 1

BẾP

P KHÁCH P.NGU Û 2

P ĂN BẾP

P KHÁCH P.N GU Û 1

P.N GỦ 2 P.NGU Û 1 PHÒNG ĂN P.KHÁCH BẾP Sàn n ước

B2

PCCC

P.NG Ủ 2 P.NG Ủ 1

PH ÒNG A ÊN P.KHÁCH BẾP Sàn nư ớc

 Sinh viên tự tìm một hồ sơ

kiến trúc cơng trình dân dụng

(nhà phố, biệt thự, chung cư,

2 Vẽ mặt bằng kết cấu (Mặt

bằng sàn, dầm cho cơng trình)

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KIỆN TRONG KHUNG

4.3.2 Cột khung

Cột nhà công nghiệp thường không thay đổi tiết diện, trừ trường

hợp có dầm cầu trục

Để thuận tiện cho thiết kế và thi công, tiết diện cột trong hệ nhà

nhiều tầng thường được thay đổi từ 3 đến 5 tầng một lần

4.3.2.1 Tiết diện ngang của cột

Chọn tiết diện  xác định TLBT của cấu kiện  Nội lực  Tính cốt thép  kiểm

tra 

Khi thấy chưa đạt thì thay đổi kích thước tiết diện rồi làm lại từ đầu cho đến khi

thỏa mãn yêu cầu.

4.3.1 Dầm khung

Xem Mục 3.2 CHƯƠNG 3 DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP

LOGO

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

k – hệ số xét đến ảnh hưởng của tải trọng ngang (k = 0.8 –

1,4), đối với nhà nhiều tầng có vách cứng k = 0.9 -1

n t– tổng số sàn nằm trên cột

A i– diện tích truyền tải từ sàn vào cột tầng thứ i

q sàn i – tải trọng toàn phần phân bố trên sàn (công trình dân

dụng q sàn i = 8 - 14 KN/m 2 , bao gồm trọng lượng toàn bộ kết cấu dầm sàn, tường, vách ngăng, thiết bị và hoạt tải sử dụng)

b R b – hệ số điều kiện làm việc và cường độ chịu nén tính

toán của bêtông

àn i 1

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

LOGO

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

mặt phẳng uốn chính Cần chú ý kiểm tra độ mảnh của cột theo cả hai

phương.

dọc nhà có 7 cột, Cột chịu moment

theo phương ngang lớn hơn phương

dọccột tiết diện chữ nhật, chiều cao

h c theo phương ngang

H 3 , Phương x gồm 2 đoạn cột là H 1 & H 2 <

H 3cột chữ nhật có chiều cao tiết diện cột

h c theo phương y – là phương mà cột có độ mảnh lớn hơn.

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

4.3.2 Cột khung

4.3.2.2 Chiều cao và chiều dài tính toán của cột

LOGO

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

l o : Chiều dài tính toán của cấu kiện, phụ thuộc vào các trường

hợp tính toán, vào dạng kết cấu, tính chất của các liên kết

H 0 chiều cao cấu kiện

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

LOGO

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

4.3 KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KiỆN TRONG KHUNG

Điều kiện ổn định

Độ mảnh l của cấu kiện được hạn chế như sau

l0 = 120 – độ mảnh giới hạn của cột khung

r - Bán kính quán tính của tiết diện

Đối với tiết diện chữ nhật mà b là cạnh nhỏ của tiết diện

l0b = 31 – độ mảnh giới hạn của cột vuông

43

o o

 Chọn tiết diện cho cột của khung nhà 7 tầng cĩ mặt bằng sàn như hình Biết

chiều cao cột là Hc= 4,2 m, tải trọng tồn phần quy về phân bố trên sàn qsàn i=

12 KN/m 2 Sử dụng bêtơng cĩ cường độ chịu nén tính tốn của bêtơng Rb= 8,5

Mpa – hệ số điều kiện làm việc  b = 0,9

 Đối vối cột ở BIÊN: hệ số liên kết  = 1,5 Hệ

số ảnh hưởng moment k = 1,1.

 Đối vối cột ở GiỮA: hệ số liên kết  = 1,2

Hệ số ảnh hưởng moment

L x 0.95

L x 0.90

L x 1.00

L x 1.05

L x 1.10

L x 0.95

L x 0.90

L x 1.00

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

4.4.1 Phân phối nội lực giữa dầm và cột trong khung

 Khung là hệ kết cấu gồm dầm và cột, trong đó có sử dụng độ cứng của liên

kết giữa dầm và cột để chịu tải trọng tác động khung Ví dụ khảo sát giá trị

moment Mocủa khung 1 tầng, 1 nhịp

(a) Frame - khung: tải trọng

gây ra moment cho dâm lẫn cột, nhờ có độ cứng liên kết giữa dầm và cột.

Moment M 0 được phân phối

hợp lý cho cột, dầm (gối:

âm, nhịp: dương), nên giá trị

không lớn

(b) Simple Girder - dầm đơn:

tải trọng chỉ gây ra moment cho dầm mà không gây ra moment ở cột do liên kết

“gối tựa“ của dầm lên cột.

Moment M 0 dương rất lớn ở giữa nhịp dầm

LOGO

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

4.4.1 Phân phối nội lực giữa dầm và cột trong khung

Độ lớn của moment tác dụng vào cột phụ thuộc vào trị số Kr là

độ cứng tương đối của dầm đối với cột

 H – chiều cao cột

 L – Nhịp dầm

 I d – moment quán tính tiết diện ngang dầm

 I c – moment quán tính tiết diện ngang cột

Giá trị K r càng lớn thì moment tác dụng vào cột, cũng như

moment âm ở gối dầm càng nhỏ ; trong khi Moment dương ở

L I



4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

Để đạt được sự phân phối moment hợp lý trong kết cấu khung,

nên chọn kích thước cấu kiện bêtông theo bảng sau:

LOGO

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

4.4.2 Các giả thiết đơn giản hoá sơ đồ tính của khung

 Khi cần tính toán nhanh hoặc kiểm tra có thể áp dụng cách tính gần đúng với

độ chính xác tương đối bằng cách: Rời rạc hóa kết cấu, tìm cách làm giảm

bậc siêu tĩnh của khung, áp đặt các “đk biên lý tưởng” bằng các giả thiết đơn

giản hoá  rút gọn được thời gian tính toán.

 Độ cứng:  Dầm khung tính toán như là

dầm liên tục Cột vẫn xem là chịu nén lệch tâm với M cột = (0,1 – 0,2)

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

Nếu K c ≥ 6K d  Dầm tách ra từng nhịp và xem là ngàm vào cột.

Cột là cấu kiện NLT chịu M phân phối theo tỷ lệ độ cứng cho cột

trên và cột dưới tại mặt cắt đó.

Đối với dầm liên tục nhiều nhịp mà chiều dài nhịp chênh lệch

nhau ≤ 20% , xem là DLT đều nhịp  tính nội lực theo bản

tra với nhịp tính toán là trung bình cộng các nhịp hay lấy

bằng nhịp lớn nhất.

Đối với DLT nhiều nhịp đều, có số nhịp ≥ 5 có thể sử dụng

bảng tra cho dầm 5 nhịp với M nhịpgiữa = M nhịpgiữa của dầm 5

nhịp

Cho phép dời tải tập trung sang trái hoặc sang phải 1 đoạn ≤

1/20 nhịp của nó để sơ đồ tính là đối xứng hoặc phản xứng

Trong phạm vi một nhịp nếu số lượng tải tập trung > 5 cho

phép chuyển thành tải phân bố đều

L P

q  

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

Nếu dầm chịu tải tập trung là chủ yếu và số lượng < 5 trong 1

nhịp  cho phép chuyển TLBT dầm thành tải tập trung theo

diện tích truyền tải để dầm chỉ còn tải tập trung mà thôi.

Khi tính dầm gãy khúc nếu độ dốc i ≤ 1/8  có thể xem là

dầm thẳng.

Đối với khung nhiều tầng, nhiều nhịp đối xứng, chịu tải đứng

cho phép giải như khung 3 nhịp để tra bảng cho dễ dàng.

Từ sơ đồ kết cấu, chuyển về sơ đồ tính:

Các cấu kiện dầm và cột được chuyển

thành các phần tử thanh (frame) Trục

phần tử thanh này nằm ở trục trọng tâm

tiết diện ngang của cấu kiện

Các đặc trưng vật liệu,

tiết diện ngang của dầm,

cột được gán cho phần

tử thanh: môđun đàn hồi

vật liệu E, tiết diện ngang

A, moment quán tính I,…

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

Các phần tử này liên kết cứng với

nhau qua các nút (Joint) nếu khung

là bêtông cốt thép đổ toàn khối

Khi cần thiết có thể “giải phóng” bớt

các bậc tự do của liên kết này (giải

phóng moment trong hệ dàn).

(Assign / Frame / Release )

Nếu không thể phân tích khung

cùng với kết cấu móng, một cách

gần đúng xem như sơ đồ tính của

khung có điều kiện liên kết biên là

ngàm tại chân cột vị trí mặt trên

của đài móng

LOGO

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

Không cần thiết đưa các hệ bổ trụ và các kết cấu phụ khác như cầu

thang, bể nước vào trong sơ đồ tính khi phân tích, nhưng phải đảm

bảo tải trọng của hệ kết cấu phụ này vẫn được gán đầy đủ vào

khung

Hệ đà kiềng, giằng móng cần xét đến khi lập sơ đồ tính

Một vài trường hợp có thể bỏ qua hệ đà này khi chúng chỉ liên kết với đài móng,

nhưng vẫn phải truyển tải tập trung do chúng gây ra vào chân cột.

Khi khung có hệ vách, lõi cứng có

thể sử dụng phần tử Shell,

Area,… để mô phỏng Cần đảm

bảo chúng được “liên kết” với các

phần tử frame của dầm cột tại các

nút khung

Cần chú ý sự thay đổi tiết diện

ngang của dầm, vị trí liên kết

giữa dầm chính và dầm phụ, cần

đảm bảo hệ dầm - sàn được

“liên kết” với nhau

Sự thay đổi tiết diện cột theo

chiều cao tầng làm thay đổi nhịp

tính toán của dầm và tạo ra

moment lệch tâm trên các đỉnh

cột

4.4.4 Các phương pháp phân tích khung

 Áp dụng đối với những mặt bằng công

trình có chiều dài lớn hơn 2 lần chiều

rộng (L > 2B)

 Khi này, khung theo phương ngang

được xem là yếu hơn khung dọc nhà

do vậy mỗi khung ngang sẽ được “rời

rạc hoá” và tiến hành phân tích riêng.

Ví dụ: Nhà phố B x L = 4m x 16m thường

khung ngang B = 4m là khung 1 nhịp, trong

khi phương L dọc nhà sẽ có nhiều nhịp

(nhiều cột hơn) Mặt bằng 2B < L và công

trình cũng chỉ có thể bị lật nghiêng theo

phương ngang.

phằng theo phương ngang

4.4.4.1 Khung phẳng

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

LOGO

Khung theo phương dọc được xem là cứng (do nhiều nhịp) nên

chỉ cần phân tích các dầm dọc Dầm dọc nối các khung ngang

lại với nhau theo phương chiều dài công trình

4.4 SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG

LOGO

Áp dụng đối với những công trình mà độ cứng theo 2 phương

xấp xỉ nhau, hoặc khi công trình có mặt bằng hay cấu trúc phức

khung dọc, nhưng kết quả

lại chính xác hơn nhiều so

với việc phân tích khung

phẳng

Khi phân tích khung không gian có thể mô phỏng sàn bằng phần

tử tấm, để bảo đảm tải trọng từ sàn có thể truyền chính xác vào

hệ dầm, cần phải chia nhỏ (mesh) phần tử các tấm sàn này (ít

Tĩnh tải: không biến đổi trong qua trình xây dựng và sử dụng

công trình: trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực và kết cấu

khác: tường bao che, vật liệu ốp lát, …

4.5 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KHUNG

 Trọng lượng bản thân kết cấu BTCT chịu lực (cột, dầm, sàn, vách …)

đã được mô phỏng trong mô hình sẽ do Phần mềm tự động tính toán Cần

đảm bảo các thông tin nhập vào như sau:

 Tiết diện của các cấu kiện (Frame section: C2030, D2040, Area

 Tường bao che: khai báo phân bố đều lên

phần tử dầm (Frame load – g tường KN/m)

 Các lớp cấu tạo sàn (gạch lót, vữa trát tô, …)

: khai báo phân bố đều lên phần tử sàn

(Area load – g cấu tạo sàn KN/m 2 )

4.5 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KHUNG

Hoạt tải: khai báo phân bố đều trên

phần tử sàn (Area load – g cấu tạo sàn