CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH
1.3. Giải pháp kết cấu và giả thuyết tính toán
1.3.1. Tiêu chuẩn kết cấu:
- Tải trọng và tác động – TCVN 2737:1995.
- Kết cấu bê tông cốt thép – TCVN 5574:2012.
- Kết cấu gạch đá – TCVN 5573:1991.
- Nhà cao tầng. Thiết kế kết cấu bê tông toàn khối – TCVN 198:1997.
- Móng cọc – TCVN 10304:2014.
- Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình – TCVN 45-78.
- Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất – TCVN 9386:2012.
1.3.2. Vật liệu sử dụng:
- Vật liệu sử dụng cần có cường độ cao, trọng lượng nhỏ và khả năng chống cháy tốt.
- Nhà cao tầng thường có tải trọng lớn. Nếu sử dụng các loại vật liệu trên tạo điều kiện giảm được đáng kể tải trọng cho công trình, kể cả tải trọng đứng cũng như tải trọng ngang do lực quán tính.
- Vật liệu có tính biến dạng cao: khả năng biến dạng dẻo cao có thể bổ sung cho tính năng chịu lực thấp.
- Vật liệu có tính thoái biến thấp: có tác dụng tốt khi chịu tác dụng của tải trọng lặp (động đất, gió bão).
- Vật liệu có tính liền khối cao: có tác dụng trong trường hợp tải trọng có tính chất lặp lại không bị tách rời các bộ phận công trình.
- Vật liệu có giá thành hợp lý.
Bởi các điều kiện trên nên tại Việt Nam hay các nước khác thì vật liệu BTCT hoặc thép là các vật liệu đang được các nhà thiết kế sử dụng phổ biến trong các kết cấu cao tầng.
1.3.2.1. Bê tông (TCVN 5574:2012):
- Bê tông dùng trong nhà cao tầng có cấp độ bền B25-B60.
- Dựa theo đặc điểm công trình và khả năng chế tạo vật liệu chọn bê tông phần thân, sàn và móng cấp độ bền B30.
B30
Trọng lượng riêng: 𝛾 = 25 𝑘𝑁/𝑚3.
Cường độ chịu nén tính toán:.𝑅𝑏 = 17𝑀𝑃𝑎.
Cường độ chịu kéo tính toán:. 𝑅𝑏𝑡 = 1,2𝑀𝑃𝑎.
Module đàn hồi của vật liệu:. 𝐸𝑏 = 32,5. 103𝑀𝑃𝑎.
1.3.2.2. Cốt thép (TCVN 5574:2012):
- Đối với cốt thép Ф < 10(mm) dùng làm cốt ngang loại AI:
Cường độ chịu nén tính toán: 𝑅𝑠𝑐 = 225𝑀𝑃𝑎.
Cường độ chịu kéo tính toán: 𝑅𝑠 = 225𝑀𝑃𝑎.
Cường độ chịu kéo của cốt thép đai, thép xiên: 𝑅𝑠𝑤 = 175𝑀𝑃𝑎.
Module đàn hồi: 𝐸𝑠 = 2,1. 105𝑀𝑃𝑎.
- Đối với cốt thép Ф ≥ 10(mm) dùng làm cốt ngang loại AII:
Cường độ chịu nén tính toán: 𝑅𝑠𝑐 = 280𝑀𝑃𝑎.
Cường độ chịu kéo tính toán: 𝑅𝑠 = 280𝑀𝑃𝑎.
Cường độ chịu kéo của cốt thép đai, thép xiên: 𝑅𝑠𝑤 = 225𝑀𝑃𝑎.
Module đàn hồi: 𝐸𝑠 = 2,1. 105𝑀𝑃𝑎.
- Đối với cốt thép cột, vách, móng dùng loại AIII:
Cường độ chịu nén tính toán: 𝑅𝑠𝑐 = 365𝑀𝑃𝑎.
Cường độ chịu kéo tính toán: 𝑅𝑠 = 365𝑀𝑃𝑎.
Cường độ chịu kéo của cốt thép đai, thép xiên: 𝑅𝑠𝑤 = 290𝑀𝑃𝑎.
Module đàn hồi: 𝐸𝑠 = 2. 105𝑀𝑃𝑎.
1.3.2.3. Vật liệu khác:
- Gạch lát nền ceramic: 𝛾 = 20 𝑘𝑁/𝑚3. - Đá hoa cương: 𝛾 = 24 𝑘𝑁/𝑚3.
- Vữa lót, vữa trát, lớp chống thấm: 𝛾 = 18 𝑘𝑁/𝑚3. 1.3.3. Hình dạng công trình:
1.3.3.1. Theo phương ngang:
- Nhà cao tầng cần có mặt bằng đơn giản, tốt nhất là lựa chọn các hình có tính chất đối xứng cao. Trong các trường hợp ngược lại công trình cần được phân ra các phần khác nhau để mỗi phần có hình dạng đơn giản.
- Các bộ phận kết cấu chịu lực chính của nhà cao tầng như vách, lõi, khung cần phải được bố trí đối xứng. Trong trường hợp các kết cấu này không thể bố trí đối xứng thì cần phải có các biện pháp chống xoắn cho công trình theo phương đứng.
- Hệ thống kết cấu cần được bố trí làm sao để trong mỗi trường hợp tải trọng sơ đồ làm việc của các bộ phận kết cấu rõ ràng mạch lạc và truyền tải một cách nhanh chóng nhất tới móng công trình.
- Tránh dùng các sơ đồ kết cấu có các cánh mỏng và kết cấu dạng consol theo phương ngang vì các loại kết cấu này rất dễ bị phá hoại dưới tác dụng của động đất và gió bão.
- Hệ thống chịu lực ngang của công trình cần được bố trí theo cả hai phương. Các vách cứng theo phương dọc nhà không nên bố trí ở hai đầu mà nên được được bố trí ở khu vực giữa nhà hoặc cả ở giữa nhà và hai đầu nhà. Khoảng cách giữa các
vách cứng (lõi cứng) cần phải nằm trong giới hạn để có thể xem kết cấu sàn không bị biến dạng trong mặt phẳng của nó khi chịu tải trọng ngang.
- Cụ thể, đối với kết cấu BTCT toàn khối khoảng cách giữa các vách cứng Lv phải thỏa mãn điều kiện
- Đối với kết cấu khung BTCT, độ cứng của kết cấu dầm tại các nhịp khác nhau cần được thiết kế sao cho gần bằng nhau, tránh trường hợp nhịp này quá cứng so với nhịp khác, điều này gây tập trung ứng lực tại các nhịp ngắn, làm cho kết cấu ở các nhịp này bị phá hoại quá sớm.
1.3.3.2. Theo phương đứng:
- Độ cứng của kết cấu theo phương thẳng đứng cần phải được thiết kế đều hoặc thay đổi đều giảm dần lên phía trên.
- Cần tránh sự thay đổi đột ngột độ cứng của hệ kết cấu (như làm việc thông tầng, giảm cột hoặc thiết kế dạng cột hẫng chân cũng như thiết kế dạng sàn giật cấp).
- Trong các trường hợp đặc biệt nói trên người thiết kế cần phải có các biện pháp tích cực làm cứng thân hệ kết cấu để tránh sự phá hoại ở các vùng xung yếu.
- Độ cứng của kết cấu tầng trên không nhỏ hơn 70% độ cứng của kết cấu ở tầng dưới kề nó. Nếu 3 tầng giảm độ cứng liên tục thì tổng mức giảm không quá 50%.
1.3.4. Tải trọng tác động:
1.3.4.1. Tĩnh tải:
- Trọng lượng các lớp hoàn thiện, trọng lượng bản thân kết cấu: các bản, dầm, cột, vách lấy theo TCVN 2737:1995.
1.3.4.2. Hoạt tải:
- Hoạt tải phân bố đều lên sàn theo chức năng sử dụng, được lấy theo TCVN 2737:1995.
1.3.4.3. Tải gió:
- Tải gió của công trình được tính toán bao gồm thành phần tĩnh TCVN 2737:1995 và thành phần động TCVN 229:1999.
1.3.4.4. Tải động đất:
- Tải động đất của công trình được tính toán theo TCVN 9386:2012.
1.3.5. Phương án thiết kế cho phần thân:
- Từ thiết kế kiến trúc và yêu cầu thiết kế chọn phương án thiết kế bê tông cốt thép phần thân bao gồm hệ sàn chịu tải trọng đứng, phân phối tải trọng ngang. Hệ vách lõi được bố trí theo kiến trúc và được lựa chọn sao cho đảm bảo được sự chịu lực và biến dạng của công trình. Hệ cột cũng được bố trí theo kiến trúc.
1.3.6. Phương án thiết kế cho phần móng:
- Với quy mô và tầm quan trọng của công trình đã nêu, lựa chọn thiết kế móng với 1 trong 2 phương án sau:
Móng cọc ép ly tâm bê tông cốt thép.
Móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép.
Nhằm đưa tải trọng công trình vào các lớp đất tốt phía dưới.
1.3.7. Tính toán kết cấu cho nhà cao tầng:
1.3.7.1. Sơ đồ tính:
Trong giai đoạn hiện nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử đã có những thay đổi quan trọng trong cách nhìn nhận phương pháp tính công trình.
Khuynh hướng đặc thù hóa và đơn giản hóa các trường hợp riêng lẻ được thay thế bằng khuynh hướng tổng quát hóa. Đồng thời khối lượng tính toán số học không còn là một trở ngại nữa. Các phương pháp mới có thể dùng các sơ đồ tính sát với thực tế hơn, có thể xét tới sự làm việc phức tạp của kết cấu với các mối quan hệ phụ thuộc khác nhau trong không gian. Việc tính toán kết cấu nhà cao tầng nên áp dụng những công nghệ mới để có thể sử dụng mô hình không gian nhằm tăng mức độ chính xác và phản ánh sự làm việc của công trình sát với thực tế.
1.3.7.2. Các giả thiết tính toán nhà cao tầng:
- Sàn là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó (mặt phẳng ngang) và liên kết ngàm với các phần tử cột, vách cứng ở cao trình sàn. Không kể biến dạng cong (ngoài mặt phẳng sàn) lên các phần tử (thực tế không cho phép sàn có biến dạng cong).
- Bỏ qua sự ảnh hưởng độ cứng uốn của sàn tầng này đến các sàn kế tiếp.
- Mọi thành phần hệ chịu lực trên từng tầng đều có chuyển vị ngang như nhau.
- Các cột và vách cứng đều được ngàm ở chân cột và chân vách cứng ngay đài.
- Biến dạng dọc trục của sàn xem như là không đáng kể.
1.3.8. Phương pháp xác định nội lực:
Hiện nay có 3 trường phái tính toán hệ chịu lực nhà nhiều tầng thể hiện theo ba mô hình sau:
1.3.8.1. Mô hình liên tục thuần túy:
Giải trực tiếp phương trình vi phân bậc cao, chủ yếu là dựa vào lý thuyết vỏ, xem toàn bộ hệ chịu lực là hệ chịu lực siêu tĩnh. Khi giải quyết theo mô hình này, không thể giải quyết theo hệ có nhiều ẩn. Đó chính là giới hạn của mô hình này.
1.3.8.2. Mô hình rời rạc – liên tục (phương pháp siêu khối):
Từng hệ chịu lực được xem là rời rạc, nhưng các hệ chịu lực này sẽ liên kết lại với nhau thông qua các liên kết trượt xem là phân bố liên tục theo chiều cao. Khi giải quyết bài toán này ta thường chuyển hệ phương trình vi phân thành hệ phương trình tuyến tính bằng phương pháp sai phân. Từ đó giải các ma trận và tìm nội lực.
1.3.8.3. Mô hình rời rạc (phương pháp phần tử hữu hạn):
Rời rạc hóa toàn bộ hệ chịu lực của nhà nhiều tầng, tại những liên kết xác lập những điều kiện tương thích về lực và chuyển vị. Khi sử dụng mô hình này cùng với sự trợ giúp của máy tính ta có thể giải quyết được tất cả các bài toán. Hiện nay ta có các phần mềm trợ giúp cho việc giải quyết các bài toán kết cấu như: SAFE, SAP, ETABS,…
* Kết luận: Trong các phương pháp kể trên, phương pháp phần tử hữu hạn hiện được sử dụng phổ biến hơn cả do những ưu điểm của nó cũng như sự hỗ trợ đắc lực của một số phần mềm phân tích và tính toán kết cấu SAFE, SAP, ETABS,… dựa trên cơ sở phương pháp tính toán này.
1.3.9. Lựa chọn công cụ tính toán:
1.3.9.1. Phần mềm SAFE:
- Là phần mềm chuyên dùng để phân tích, tính toán nội lực cho sàn và móng.
1.3.9.2. Phần mềm ETABS:
- Dùng để giải phân tích động cho hệ công trình bao gồm các dạng và giá trị dao động, kiểm tra các dạng ứng xử của công trình khi chịu tải trọng động đất.
- Do ETABS là phần mềm phân tích, thiết kế kết cấu chuyên cho nhà cao tầng nên việc nhập và xử lý số liệu đơn giản và nhanh hơn so với các phần mềm khác.
1.3.9.3. Phần mềm Microsoft Office:
- Dùng để xử lý số liệu nội lực từ các phần mềm SAFE, ETABS, SAP, … xuất sang, tổ hợp nội lực và tính toán tải trọng, tính toán cốt thép và trình bày các thuyết minh tính toán.
1.3.10. Tính toán cốt thép:
- Sau khi có được nội lực, tính toán cốt thép theo TCVN 5574:2012.
1.3.11. Bố trí cốt thép:
- Cốt thép sẽ được bố trí theo tính toán và cấu tạo theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, TCVN 9386:2012.