Đồ án tính toán và thiết kế kết cấu khung phẳng

Tính toán hệ khung được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương cạnh ngắn của công trình + hệ dầm dọc Khi tỷ số L/B =34.2/12.1 =2.8> 1.5 nội lực chủ yếu gây ra trong khung ngang vì

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU

Cơ sở tính toán:

Quy chuẩn xây dựng Việt Nam

TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế

TCVN 5574-2012: Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép – Tiêu chuẩn

thiết kế Các tiểu chuẩn quy phạm hiện hành có liên quan

Quy trình tính toán thiết kế được thực hiện như sau:

I Mô tả, giới thiệu kết cấu:

Kết cấu chịu lực là hệ khung bê tông cốt thép đổ toàn khối có liên kết cứng tại nút, liên kết giữa cột với móng được xem là ngàm tại mặt móng Hệ khung chịu lực của công trình là một hệ không gian, có thể xem được tạo nên từ những khung phẳng làm việc theo hai phương vuông góc với nhau hoặc đan chéo nhau

Tính toán hệ khung được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương cạnh ngắn của công trình + hệ dầm dọc (Khi tỷ số L/B =34.2/12.1 =2.8> 1.5 nội lực chủ yếu gây ra trong khung ngang vì độ cứng khung ngang nhỏ hơn nhiều lần độ cứng khung dọc Vì thế tách riêng từng khung phẳng để tính nội lực: khung phẳng).Công trình khung bêtông cốt thép toàn khối 3 tầng, 3 nhịp Để đơn giản tính toán, tách khung phẳng trục 9, bỏ qua sự tham gia chịu lực của của hệ giằng móng

và kết cấu tường bao che

Mặt bằng kết cấu dầm sàn được bố trí như trên Hình1

B

A

10 9

8

S1 S1

S3 S3

D2

D3

D4

D5 K8 K9 K10

-Khối lượng riêng: γbt= 2500(daN/m3)

-Cường độ chịu nén tính toán của bê tông: Rb = 115(daN/cm2)

-Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông: Rbt = 9 (daN/cm2)

-Mô dun đàn hồi E= 2.7x105 (daN/cm2)

a Chọn chiều dày của sàn.

Chiều dày sàn được chọn theo công thức:

Chọn chiều dày bản cho ô sàn lớn nhất có kích thước:

Chọn D=1, m= 40÷45

Các ô sàn phòng học đều chọn chiều dày hb = 100(mm) để thuận lợi cho quá trình thi công và tiết kiệm, chọn chiều dày sàn hành lang, mái và sênô hb=80(mm)

b Chọn kích thước tiết diện của dầm

Tiết diện các dầm chủ yếu phụ thuộc vào nhịp dầm và độ lớn tải trọng

Theo kinh nghiệm chọn tiết diện dầm theo công thức:

Nhịp BC: tầng 2,3 và mái

, chọn = 65cm, → =25cm; chọn kích thước

dầm nhịp CD cho tầng 2,3, mái là: 25x30cm2.

b.2 Dầm dọc

Trục A, B, C, D Dầm D1→ D10 tầng 2,3 mái:

chọn =30cm, =20cm

Vậy chọn kích thước dầm dọc tầng 2,3, mái là: 20x30cm2

c Chọn sơ bộ tiết diện cột

8

Hình 2 Diện tích truyền tải của cột thuộc khung trục 9 (K9).

Diện tích cột Ac được xác định theo công thức:

Trong đó:

là hệ số kể đến ảnh hưởng của moomen uốn, độ mảnh của cột, hàm lượng cốt thép, lấy tùy thuộc vào vị trí của cột

Rb = 115 (daN/cm2): là cường độ chịu nén tính toán của bê tông

N là lực dọc trong cột, được xác định theo công thức gần đúng như sau: N=qSxq (kN/m2)

Với chiều dày sàn 90 mm, ít tường, kích thước dầm cột bé:

Sxq là diện tích truyền tải từ sàn lên cột đang xét (xem hình 2).

c.2 Kiểm tra về ổn định đó là việc hạn chế độ mảnh 

, (với , b: chiều rộng tiết diện, H: chiều cao tầng)

c.3 Thực hiện chọn tiết diện cột cho cột trục B tầng 1 của khung trục 9.

Độ bền:

Lấy q= 10(kN/m2) → x 57= 570 (kN)

Chọn k=1.2 →

→chọn sơ bộ kích thước tiết diện cột là: 25x30cm2

Kiểm tra độ ổn định tiết diện

→thỏa mãn điều kiện về ổn định.

Bảng 1 Tính toán và chọn sơ bộ tiết diện cột của khung trục 9 (K9)

BẢNG CHỌN TIẾT DIỆN CỘT KHUNG TRỤC 10 Cột

trục Tầng

l (m)

S xq

(m 2 )

q (kN/m 2 ) k

A o

(cm 2 )

b (cm)

h (cm)

A c

(cm 2 ) λ b Kiểm

tra A

-1.95 +0.00 +4.00 +8.00

Hình 3 Sơ đồ tiết diện khung trục 9 (K9).

III Lập sơ đồ tính khung ngang

Tính toán khung ngang được thực hiện theo sơ đồ khung phẳng theo phương cạnh ngắn của công trình

Mô hình hóa kết cấu khung thành các thanh đứng (cột), thanh ngang (dầm), liênkết cứng với nhau tại các nút và liên kết giữa cột với móng là ngàm tại mặt móng.Khung được tính theo sơ đồ đàn hồi, để đơn giản hóa quá trình tính toán ta lấy nhịp tính toán bằng nhịp kiến trúc

Ta có sơ đồ tính như sau:

-1.95 +0.00 +4.00 +8.00 +12.00

Hình 4 Sơ đồ tính khung trục 9 (K9)

IV Xác định các loại tải trọng tác dụng lên khung

1 Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung

a Xác định tải trọng đơn vị trên 1m 2 sàn

Bảng 2 Xác định tải trọng đơn vị trên 1m2 sàn

b.Xác định tải trọng tác dụng trên 1m 2 tường

Bảng 3 Xác định tải trọng tác dụng trên 1m2 tường

b Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung trục 9

DC

Hình 5 Sơ đồ phân bố tĩnh tải sàn tầng 2,3.

-Tải trọng bản thân của kết cấu dầm khung, cột khung để chương trình tính kết cấu tính

-Tĩnh tải tầng 2,3 (xem hình 5)

Bảng 4 Xác định tĩnh tải phân bố và tập trung sàn tầng 2,3 lên dầm khung K9.

TĨNH TẢI PHÂN BỐ (daN/m)

g tg1

Tải trọng từ sàn S1,S1’ truyền vào dưới dạng hình tam giác với tung độ lớn nhất:

gtc =2 x 344 x 3.8/2 = 1267.2 gtt =2 x 392.8x 3.8/2 = 1388.14

g tg2

Tải trọng từ sàn S2 truyền vào dưới dạng tam giác với tung độ lớn nhất:

gtc = 2 x 2.4/2 x 294 = 705.6 gtt = 2 x 2.4/2 x 337.8 = 810.72

g tg3

Tải trọng từ sàn S3 truyền vào dưới dạng tam giác với tung độ lớn nhất:

gtc = 2 x 2.1/2 x 294 = 617.4 gtt = 2 x 2.1/2 x 337.8 = 709.38

TĨNH TẢI TẬP TRUNG (daN)

G A

1.Do trọng lượng bản thân dầm dọc 2030 cm 2 : gtt = 2x1.125000.2(0.3-0.08)3.8/2 459.82.Do trọng lượng sàn S2 truyền vào:

G B '

gtt=2x1.125000.2 (0.3-0.1)3.8/2 2.Do trọng lượng sàn S1 truyền vào

Hình 6 Sơ đồ phân tĩnh tải sàn trên mái

Bảng 5 Xác định tĩnh tải phân bố và tập trung sàn tầng mái lên dầm khung trục 9.

TĨNH TẢI PHÂN BỐ (daN/m)

g t Trọng lượng thành sênô dày 100mm cao 0.5m:

TĨNH TẢI TẬP TRUNG (daN)

G A

1 Trọng lượng bản thân dầm dọc 20x30 cm 2

gtt = 2x1.1 x 2500 x 0.2 x (0.3-0.08) x 3.8/2 459.82.Do trọng lượng sàn S5 truyền vào

2.Do trọng lượng sàn S4 truyền vào

-1.95 +0.00 +4.00 +8.00 +12.00

Hình 7 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng vào khung trục 9(daN, daN/m)-TT

Hình 8

2 Xác định hoạt tải đứng tác dụng vào khung

Hoạt tải được lấy theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động

a Hoạt tải đơn vị

Bảng 6 Hoạt tải đơn vị trên 1m2 sàn

Kí hiệu ô

Tải trọng tiêuchuẩn

n (daN/mptt 2)

Toànphần

Phần dàihạn

S4,S5,S6 BTCT(không sử dụng)Sê nô và mái bằng 75 - 1.3 97.5

b Tính trường hợp hoạt tải 1

Bảng 7 Xác định hoạt tải 1 phân bố và tập trung của sàn tầng 2 lên khung K9

Trường hợp hoạt tải 1 tầng 2(daN/m,daN)

9

8

D C

Hình 10 Sơ đồ hoạt tải 1 tầng 3

Trường hợp hoạt tải 1 tầng 3(daN/m,daN)

Hình 11 Sơ đồ phân hoạt tải tầng mái

Trường hợp hoạt tải 1 tầng mái (daN/m,daN)

-1.95 +0.00 +4.00 +8.00 +12.00

Hình 12 Sơ đồ hoạt tải 1 tác dụng vào khung trục 9(daN, daN/m)-HT1

c Tính trường hợp hoạt tải 2

Hình 13 Sơ đồ phân hoạt tải 2 tầng2

Trường hợp hoạt tải 2 tầng 2(daN/m,daN)

Hình 14 Sơ đồ hoạt tải 2 tầng 3

Trường hợp hoạt tải 2 tầng 3(daN/m,daN)

9

8

Hình 15 Sơ đồ hoạt tải 2 tầng mái

Trường hợp hoạt tải 2 tầng mái (daN/m,daN)

độ lớn nhất:

p = 97.5

-1.95 +0.00 +4.00 +8.00 +12.00

Hình 16 Sơ đồ hoạt tải 2 tác dụng vào khung trục 9 (daN, daN/m)- HT2

3 Xác định hoạt tải gió tác dụng vào khung

-Xác định theo TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động- Tiêu chuẩn thiết kế.-Công trình được xây dựng tại Quảng Bình , thuộc vùng gió IIIA, có áp lực gió đơn vị (Bảng 4-TCVN 2737-1995) là Wo=125daN/m2, thuộc dạng địa hình B.-Vì chiều cao công trình là 12 m <40m nên ta chỉ xét đến tác dụng tĩnh của tải trọng gió

-Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W có độ cao Z so với mốc chuẩn được xác định theo công thức:

W=Wokc

(xác định theo bảng G - 2737-1995) và dạng địa hình (bảng 5- 2737-1995).

Với n là hệ số tin cậy củ tải trọng gió n=1.2

B là phạm vi truyền tải vào khung

Tải trọng gió tác dụng vào khung trục 10

Tầng H(m) Z(m) n k (daN/m)Wo cđ ch B(m) (daN/m)qđ (daN/m)qh

1 4 4.75 1.2 0.87 125 0.8 0.6- 3.8 396.72 -297.54

3 4 12.75 1.2 1.044 125 0.8 0.6- 3.8 476.06 -357.05Bảng 13 Bảng tính toán tải trọng tác dụng của gió lên khung trục 9

-Chú ý: Mốc chuẩn để xác định hệ số k được lấy ở cao trình mặt đất tự nhiên cách mặt đất nền ở cos 0.000 là 0.75m

-Tải trọng tác dụng vào phần sê nô được quy về lực tập trung đặt ở đầu cột Sđ,Sh.-Trị số S tính theo công thức sau:

- Gió thổi từ trái sang:

- Gió thổi từ phải sang:

-1.95 +0.00 +4.00 +8.00 +12.00

Hình 17 Sơ đồ gió trái tác dụng vào khung trục 10(daN, daN/m)-GT.

-1.95 +0.00 +4.00 +8.00

Hình 18 Sơ đồ gió phải tác dụng vào khung trục 10(daN,daN/m)-GP

IV Xác định nội lực và tổ hợp nội lực

1 Xác định nội lực

Sử dụng chương trình tính toán kết cấu SAP2000 để tính toán nội lực cho khung với sơ đồ phần tử dầm,cột như hình

Chú ý:Vì trọng lượng bản thân của dầm và cột khung chưa tính nên khi khai báo

tải trọng trong chương trình tính toán kết cấu, với trường hợp tĩnh tải phải kể đến trọng lượng bản thân của kết cấu(cột,dầm khung) với hệ số vượt tải n=1.1

2.Tổ hợp nội lực

Tổ hợp nội lực theo TCVN 2737-1995(Điều 2.4)

V Tổ hợp cơ bản 1: Tĩnh tải + 1 trường hợp hoạt tải với hệ số tổ hợp là 1

VI Tổ hợp cơ bản 2: Tĩnh tải + 2 trường hợp hoạt tải trở lên với hệ số tổ hợp

là 0.9 Trên cơ sở đó ta có cấu trúc tổ hợp như sau :

+ Với phần tử dầm: tổ hợp nội lực cho 3 tiết diện (2 tiết diện đầu dầm và 1 tiết diệngiữa dầm)

+ Với phần tử cột: tổ hợp nội lực cho 2 tiết diện ( tiết diện chân cột và tiết diện đầucột)

Tính theo tiết diện chữ nhật bxh=25x30

Gỉa thiết a=50mm,ho=h-a=300-50=250 mm

Tính:

Tính:

Kiểm tra hàm lượng cốt thép:

Tính cốt thép nhịp AB

Tính cốt thép cho gối Avà B (momen âm)

Các đoạn dầm có momen gần bằng nhau nên ta lấy giá trị lớn hơn để tính thép chung cho cả hai bên

Tính theo tiết diện chữ nhật bxh=25x30

Gỉa thiết a=50mm, ho=h-a=300-50=250 mm

Tại gối A và gối B với M= -45.24 kNm

Tính:

Kiểm tra hàm lượng cốt thép:

Tính cốt thép nhịp AB chịu momen dương: M=35 kNm

Tính theo tiết diện chữ T cánh nằm trong vùng nén với =80mm

Gỉa thiết a=40mm

Gía trị vươn của cánh được lấy như sau:

Tính cốt thép cho gối B và C (momen âm)

Đoạn dầm có momen âm gần như nhau nên ta lấy giá trị lớn hơn để tính cốt thép chung cho cả hai bên

Tính theo tiết diện chữ nhật bxh=25x65

Gỉa thiết a=60 mm,

Tại gối A và gối B với M= -167.31 kNm

Tính:

Tính:

Kiểm tra hàm lượng cốt thép:

Tính cốt thép nhịp BC chịu momen dương: M=+122.9kNm

Tính theo tiết diện chữ T cánh nằm trong vùng nén với =100mm

Gỉa thiết a=50mm

Gía trị vươn của cánh được lấy như sau:

Tính cốt thép cho gối C(momen âm)

Tính theo tiết diện chữ nhật bxh=25x30

Gỉa thiết a=50mm,ho=h-a=300-50=250 mm

Tại gối C với M= -46.61kNm

Tính:

Tương tự gối D với momen M= -46.61kNm ta được

Tính cốt thép nhịp CD chịu momen dương M= +36.67kNm

Tính theo tiết diện chữ T cánh nằm trong vùng nén với =80mm

Gỉa thiết a=40mm

Gía trị vươn của cánh được lấy như sau:

 18 (911)

 16

 18 ( 911)

 16

 18 ( 710)

a Tính toán cốt đai cho dầm khung tầng 2:

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn giá trị lực cắt lớn nhất trên từng đoạn dầm như sau:

Với dầm tiết diện D2530 chọn Q=45.95(kN).

Số liệu đầu vào

-Kiểm tra điều kiện tính toán

=>Cần tính toán cốt thép ngang chịu cắt

-Kiểm tra khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm

Với dầm tiết diện D2565 chọn Q=104.06(kN).

Số liệu đầu vào

-Kiểm tra điều kiện tính toán

D1 D4 D7

b Tính toán cốt đai cho dầm khung tầng 3:

c Tính toán cốt đai cho dầm khung tầng mái:

+Cốt thép nhóm CII có Rs=Rsc=280MPa; Es=21104MPa

+Tra bảng với bê tông B20 cốt thép CII, hệ số điều kiện làm việc =1, ta được

R=0.623;R=0.429

-Tính toán cốt thép cho cột trục B tầng 1 có các cặp nội lực được chọn từ bảng tổ hợp:

Chiều dài M(kNm) N(KN) M dh N dh l 0 (m) b(cm) h(cm)

+Độ lệch tâm ngẫu nhiên:

+Kết cấu thuộc hệ siêu tĩnh:

+Giả thiết a=a’=40mm

+Kiểm tra hàm lượng cốt thép:

=>Ta có Vậy diện tích cốt thép là hợp lý

Tính toán tương tự cho các cặp nội lực còn lại và các cặp nội lực còn lại ta có bảngtính thép của cột như sau:

4.Tính toán cốt thép đai cột

Đường kính cốt đai

=

Khoảng cách của cốt đai s

Trong đoạn nối chồng cốt thép dọc: ⇒chọn s=100mm

Trong đoạn đầu cột cần cấu tạo kháng chấn để đảm bảo độ dẻo kết cấu cục bộ, chiều dài của vùng cấu tạo kháng chấn l (chiều dài tới hạn) có thể được tính toán

và trong đoạn lcr cốt đai được bố trí dày hơn Khoảng cách đai bố trí trong vùng này là s=100mm

Hình 21 Bố trí cốt đai tại đầu cột

5.Tính toán cốt thép treo(tính toán giật đứt)

Tại vị trí dầm dọc gối lên dầm khung (không gối lên cột) xuất hiện lực tập trung dầm dọc tác dụng vào dầm khung gây phá hoại cục bộ cần bố trí cốt thép để chống lại sự phá hoại này

Nội lực tính toán được lấy như sau: tại vị trí giao nhau của dầm dọc và dầm khung của sơ đồ tĩnh tải và hoạt tải ta cộng các giá trị lực tập trung

TẢI TẬP TRUNG TẦNG MÁI

Dầm không bị giật đứt khi thỏa mãn điều kiện sau:

Tính toán cốt thép cho tầng 2,3: Lực giật đứt

Hình 22 Bố trí cốt đai treo dạng đai dầm tầng 2,3.

Tính toán cốt thép cho dầm tầng mái : lực giật đứt

Tính toán cấu tạo các nút khung.

Tính toán cấu tạo nút góc trên cùng Nút góc là nút giao giữa:

hai tiết diện Ở đây cốt thép chịu kéo trên dầm chỉ có 2Ф18 nên chỉ cần cắt tại một

tiết diện, chiều dài đoạn cắt cách mép dưới của dầm một đoạn lan được xác định theo công thức:

Trong đó các hệ số và các giá trị tối thiểu của được cho trong Bảng.Như vậy với bê tông B20, cốt thép nhóm CII và cốt thép chịu kéo nằm trong vùng

bê tông chịu kéo ta tính được chiều dài đoạn neo là:

Cốt thép dưới phía dưới của dầm được neo quá mép cột một đoạn

6 a200 Ø625

2Ø18 22

1919

6

a100

Ø6

2Ø14 18

2Ø18 22