Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, thiết kế hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối cho nhà nhiều tầng đòi hỏi quy trình tính toán chuẩn xác từ việc xác định kích thước tiết diện sơ bộ, mô hình hóa sơ đồ kết cấu, xác định các trường hợp tải trọng, phân tích tổ hợp nội lực đến bố trí cốt thép chịu lực cho các cấu kiện dầm và cột.

Bản thuyết minh đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật cho một khung ngang bê tông cốt thép của công trình nhà làm việc 5 tầng dựa trên đề bài số 135.

  • Mục tiêu nghiên cứu và thiết kế:

    1. Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực, vật liệu xây dựng và xác định kích thước hình học sơ bộ của hệ bản sàn, hệ dầm chính, dầm phụ và hệ cột khung.
    2. Xây dựng sơ đồ tính toán khung phẳng và xác định các hệ thống tải trọng tác dụng lên khung phẳng trục 5 (bao gồm tĩnh tải sàn, tĩnh tải tường, trọng lượng bản thân cấu kiện, các trường hợp hoạt tải sử dụng và tải trọng gió).
    3. Phân tích nội lực, thực hiện tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất theo các trạng thái giới hạn.
    4. Tính toán, kiểm tra và bố trí cốt thép dọc, cốt đai, cốt treo gia cường cho dầm; tính toán cốt thép chịu nén lệch tâm phẳng và xây dựng biểu đồ tương tác cho cấu kiện cột.

  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu khung ngang trục 5 của công trình nhà làm việc 5 tầng bằng bê tông cốt thép toàn khối.
    • Phạm vi không gian: Mặt bằng kiến trúc công trình có các nhịp $L_1 = 8\text{ m}$ (phòng họp), $L_2 = 3,2\text{ m}$ (hành lang), $L_3 = 5,8\text{ m}$ (phòng làm việc) và bước gian $B = 4,8\text{ m}$. Chiều cao tầng 1 là $H_1 = 4,5\text{ m}$, chiều cao các tầng điển hình (tầng 2 đến 5) là $H_t = 3,4\text{ m}$.
    • Phạm vi điều kiện tự nhiên: Công trình xây dựng tại khu vực có phân vùng gió I (vùng I.A với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0,55\text{ kN/m}^2$), dạng địa hình C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng các nguyên lý tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn, lý thuyết đàn hồi trong phân tích tải trọng phân bố từ bản sàn vào hệ dầm, và lý thuyết uốn - nén lệch tâm của cấu kiện thanh.

  • Vật liệu sử dụng:

    • Bê tông cấp độ bền B20: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11,9\text{ MPa}$ (trong tính toán cấu kiện dầm/cột sử dụng $R_b = 11,5\text{ MPa}$), cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 0,9\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 27 \times 10^3\text{ MPa}$ (hoặc $27,5 \times 10^3\text{ MPa}$).
    • Thép thanh $\phi \le 12\text{ mm}$: Nhóm thép CB240_T có cường độ tiêu chuẩn và tính toán $R_s = R_{sc} = 210\text{ MPa}$, cường độ tính toán của cốt đai $R_{sw} = 170\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 200 \times 10^3\text{ MPa}$.
    • Thép thanh $\phi > 12\text{ mm}$: Nhóm thép CB300_V có cường độ chịu kéo và chịu nén tính toán $R_s = R_{sc} = 260\text{ MPa}$, $R_{sw} = 210\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 200 \times 10^3\text{ MPa}$.
    • Hệ số chiều cao vùng nén giới hạn $\xi_R = 0,583$ và $\alpha_R = \xi_R(1 - 0,5\xi_R) = 0,413$.

  • Phương pháp tính toán và thiết kế:

    • Xác định chiều dày bản sàn theo công thức bán thực nghiệm của PGS. Lê Bá Huế: $$h_s = \frac{k \cdot L_{\text{ngắn}}}{37 + 8\alpha}$$ với $\alpha = L_{\text{ngắn}} / L_{\text{dài}}$, $k = \sqrt[3]{q_0 / 4}$ khi $q_0 \ge 4\text{ kN/m}^2$ và $k = 1$ khi $q_0 < 4\text{ kN/m}^2$.
    • Phân phối tải trọng bản sàn dạng ô cờ hai phương truyền vào dầm dưới dạng tam giác và hình thang.
    • Tính toán tải trọng gió tĩnh tác dụng lên công trình có chiều cao dưới $40\text{ m}$ theo quy chuẩn tải trọng và tác động.
    • Phương pháp giải khung phẳng, tính toán cốt thép cấu kiện chịu uốn theo tiết diện chữ nhật và chữ T, tính toán cốt đai chịu lực cắt theo dải bê tông nghiêng giữa các vết nứt, và tính toán cốt treo tại vị trí dầm phụ đặt lên dầm chính.
    • Phương pháp tính toán cột chịu nén uốn lệch tâm phẳng có xét đến ảnh hưởng của uốn dọc thông qua hệ số $\eta$, kết hợp lập bảng biểu đồ tương tác $(N - M)$ tại 5 điểm đặc trưng của tiết diện.

Thiết kế và triển khai giải pháp kết cấu

Hệ thống kết cấu chịu lực của công trình là hệ khung sườn bê tông cốt thép toàn khối, dầm phụ gối lên dầm chính, dầm chính liên kết cứng với cột tạo thành khung không gian được tách ra tính toán theo sơ đồ khung phẳng trục 5.

  • Thông số kích thước tiết diện kết cấu đã lựa chọn:
    • Bản sàn phòng họp ($L_1/2 \times B = 4,0 \times 4,8\text{ m}$): Chiều dày tính toán $h_{s1} = 12\text{ cm}$.
    • Bản sàn phòng làm việc ($B \times L_3 = 4,8 \times 5,8\text{ m}$): Chiều dày tính toán $h_{s2} = 11\text{ cm}$.
    • Bản sàn hành lang ($L_2 \times B = 3,2 \times 4,8\text{ m}$): Chiều dày tính toán $h_{hl} = 8\text{ cm}$.
    • Bản sàn mái (mái bằng, có lớp bê tông tạo dốc $150\text{ mm}$): Chiều dày tính toán $h_m = 12\text{ cm}$.
    • Dầm nhịp phòng họp (dầm AB, nhịp $8\text{ m}$): Kích thước $b_d \times h_d = 22 \times 60\text{ cm}$; dầm phụ phòng họp kích thước $20 \times 40\text{ cm}$.
    • Dầm nhịp hành lang (dầm BC, nhịp $3,2\text{ m}$): Kích thước $b_d \times h_d = 22 \times 40\text{ cm}$.
    • Dầm nhịp phòng làm việc (dầm CD, nhịp $5,8\text{ m}$): Kích thước $b_d \times h_d = 22 \times 45\text{ cm}$.
    • Dầm dọc nhà (nhịp $4,8\text{ m}$): Kích thước $b_d \times h_d = 20 \times 40\text{ cm}$.
    • Cột biên trục A và trục D: Tầng 1 và 2 kích thước $b_c \times h_c = 30 \times 40\text{ cm}$; tầng 3, 4 và 5 kích thước $25 \times 30\text{ cm}$.
    • Cột giữa trục B và trục C: Tầng 1 và 2 kích thước $b_c \times h_c = 30 \times 50\text{ cm}$; tầng 3, 4 và 5 kích thước $30 \times 35\text{ cm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Lựa chọn giải pháp kết cấu và xác định kích thước sơ bộ

Nội dung phần I trình bày chi tiết việc chọn vật liệu bê tông B20, thép CB240_T, CB300_V; tính toán tải trọng tiêu chuẩn và tính toán của các lớp cấu tạo sàn (gạch ceramic, vữa lót, vữa trát trần M75, gạch lá nem, bê tông tạo dốc). Áp dụng công thức PGS. Lê Bá Huế để tính toán độ dày từng loại sàn. Diện chịu tải và lực dọc sơ bộ được tính toán cho từng vị trí cột để định hình kích thước tiết diện cột nhằm thiên về an toàn và thuận tiện thi công cốp pha.

Vị trí cấu kiện Kích thước ô bản / Diện truyền tải ($S$) Tải trọng tính toán ($q_0$) Tiết diện lựa chọn
Sàn phòng họp $4,0\text{ m} \times 4,8\text{ m}$ $6,029\text{ kN/m}^2$ $h_s = 12\text{ cm}$
Sàn phòng làm việc $4,8\text{ m} \times 5,8\text{ m}$ $3,629\text{ kN/m}^2$ $h_s = 11\text{ cm}$
Sàn hành lang $3,2\text{ m} \times 4,8\text{ m}$ $4,829\text{ kN/m}^2$ $h_s = 8\text{ cm}$
Sàn mái $4,8\text{ m} \times 5,8\text{ m}$ $4,926\text{ kN/m}^2$ $h_s = 12\text{ cm}$
Dầm chính AB / BC / CD Nhịp $8,0\text{ m}$ / $3,2\text{ m}$ / $5,8\text{ m}$ — $22 \times 60\text{ cm}$ / $22 \times 40\text{ cm}$ / $22 \times 45\text{ cm}$
Cột trục A, D (T1-2 / T3-5) $S_A = 19,2\text{ m}^2$ $N_1 = 1152\text{ kN}$ / $691,2\text{ kN}$ $30 \times 40\text{ cm}$ / $25 \times 30\text{ cm}$
Cột trục B, C (T1-2 / T3-5) $S_B = 26,88\text{ m}^2$ $N_1 = 1612,8\text{ kN}$ / $967,68\text{ kN}$ $30 \times 50\text{ cm}$ / $30 \times 35\text{ cm}$

Phần II: Sơ đồ tính toán khung phẳng

Hệ khung được mô hình hóa thành hệ thanh gồm các cột đứng và dầm ngang, với trục tính toán đi qua trọng tâm tiết diện các cấu kiện:

  • Nhịp tính toán của dầm (quy về trục cột tầng 3, 4, 5):
    • Dầm AB: $l_{AB} = 8 + 0,2/2 + 0,2/2 - 0,3/2 - 0,35/2 = 7,875\text{ m}$.
    • Dầm BC: $l_{BC} = 3,2 - 0,2/2 - 0,2/2 + 0,35/2 + 0,35/2 = 3,35\text{ m}$.
    • Dầm CD: $l_{CD} = 5,8 + 0,2/2 + 0,2/2 - 0,3/2 - 0,35/2 = 5,675\text{ m}$.
  • Chiều cao tính toán của cột: Chiều sâu ngàm móng $h_m = 0,5\text{ m}$, khoảng cách cốt $\pm 0,00$ đến mặt đất tự nhiên $Z = 0,5\text{ m}$. Chiều cao cột tầng 1 là $h_{t1} = 4,5 + 0,5 + 0,5 - 0,4/2 = 5,3\text{ m}$. Chiều cao cột các tầng 2, 3, 4, 5 là $h_t = 3,4\text{ m}$.

Phần III: Xác định tải trọng đơn vị

Giá trị tải trọng đơn vị được thiết lập phục vụ cho việc gán tải lên khung ngang trục 5:

  • Tĩnh tải sàn phòng họp: $g_{s1} = 4,529\text{ kN/m}^2$.
  • Tĩnh tải sàn phòng làm việc: $g_{s2} = 4,529\text{ kN/m}^2$ (hoặc $4,254\text{ kN/m}^2$).
  • Tĩnh tải sàn hành lang: $g_{hl} = 3,43\text{ kN/m}^2$.
  • Tĩnh tải sàn mái: $g_m = 7,251\text{ kN/m}^2$.
  • Tĩnh tải tường xây: Tường dày $200\text{ mm}$ có $g_{t200} = 3,3\text{ kN/m}^2$; tường dày $100\text{ mm}$ có $g_{t100} = 1,8\text{ kN/m}^2$.
  • Hoạt tải sử dụng đơn vị: Phòng họp $p_{s1} = 4,8\text{ kN/m}^2$; phòng làm việc $p_{s2} = 2,4\text{ kN/m}^2$; hành lang $p_{hl} = 3,60\text{ kN/m}^2$; sàn mái $p_m = 0,975\text{ kN/m}^2$.

Phần IV: Xác định tĩnh tải tác dụng vào khung

Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang trục 5 bao gồm tải trọng phân bố (tam giác, hình thang, đều) trên dầm và tải trọng tập trung tại các nút khung:

Tầng Cấu kiện Dạng tải trọng Công thức / Nguyên nhân Giá trị tính toán
Tầng 2–5 Dầm AB Phân bố tam giác $g_{tg} = 4,529 \times (4 - 0,22)$ $17,12\text{ kN/m}$
Tầng 2–5 Dầm BC Phân bố tam giác $g_{tg} = 3,43 \times (3,2 - 0,22)$ $10,22\text{ kN/m}$
Tầng 2–5 Dầm CD Tường 200 + sàn $3,3 \times 2,95 \times 1,1 + 4,529 \times (4,8 - 0,22)$ $10,71 + 20,743\text{ kN/m}$
Tầng 2–5 Nút A, B, C, D, E Tập trung Dầm dọc + tường + sàn truyền vào nút $G_A = 75,53\text{ kN}$; $G_B = 91,43\text{ kN}$; $G_C = 92,03\text{ kN}$; $G_D = 76,13\text{ kN}$; $G_E = 56,86\text{ kN}$
Sàn Mái Dầm AB, BC, CD Phân bố Trọng lượng sàn mái truyền dạng tam giác/thang $g_{AB} = 27,41\text{ kN/m}$; $g_{BC} = 21,61\text{ kN/m}$; $g_{CD} = 33,21\text{ kN/m}$
Sàn Mái Nút A, B, C, D, E Tập trung Dầm dọc + tường chắn mái cao $1,5\text{ m}$ + sàn mái $G_A = 61,88\text{ kN}$; $G_B = 81,23\text{ kN}$; $G_C = 82,20\text{ kN}$; $G_D = 62,85\text{ kN}$; $G_E = 84,68\text{ kN}$

Phần V: Xác định hoạt tải tác dụng vào khung

Hoạt tải được chất lên khung theo các trường hợp lệch tầng và lệch nhịp nhằm tìm kiếm nội lực bất lợi nhất:

  • Trường hợp hoạt tải 1:
    • Sàn tầng 2 và tầng 4: Phân bố $p_{AB} = 18,144\text{ kN/m}$, $p_{CD} = 10,992\text{ kN/m}$; tập trung $P_A = P_B = 24,533\text{ kN}$, $P_E = 49,066\text{ kN}$, $P_C = P_D = 12,586\text{ kN}$.
    • Sàn tầng 3 và tầng 5: Phân bố $p_{BC} = 10,728\text{ kN/m}$; tập trung $P_B = P_C = 16,686\text{ kN}$.
    • Sàn mái: Phân bố $p_{AB} = 3,685\text{ kN/m}$, $p_{CD} = 4,465\text{ kN/m}$; tập trung $P_A = P_B = 4,983\text{ kN}$, $P_E = 9,966\text{ kN}$, $P_C = P_D = 5,113\text{ kN}$.
  • Trường hợp hoạt tải 2: Hoán vị đối xứng các vị trí chất tải (chất hoạt tải vào nhịp hành lang tầng 2, 4 và chất hoạt tải vào nhịp phòng họp, phòng làm việc tầng 3, 5).

Phần VI: Xác định tải trọng gió

Áp lực gió tính toán $W_0 = 0,55\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1,2$, bước khung $B = 4,8\text{ m}$, hệ số khí động $C_d = 0,8$ (gió đẩy) và $C_h = 0,6$ (gió hút). Hệ số $k$ theo độ cao được nhóm lại theo từng tầng: tầng 1 dùng $k = 0,55$; tầng 2 và 3 dùng $k = 0,692$; tầng 4 và 5 dùng $k = 0,785$.

Tầng Cao độ $Z$ ($\text{m}$) Hệ số $k$ Áp lực gió đẩy $q_d$ ($\text{kN/m}$) Áp lực gió hút $q_h$ ($\text{kN/m}$)
Tầng 1 $5,3$ $0,550$ $1,394$ $1,045$
Tầng 2 $8,7$ $0,692$ $1,754$ $1,315$
Tầng 3 $12,1$ $0,692$ $1,754$ $1,315$
Tầng 4 $15,5$ $0,785$ $1,989$ $1,492$
Tầng 5 $18,9$ $0,785$ $1,989$ $1,492$

Tải trọng gió tác dụng lên tường thu hồi chắn mái cao $1,5\text{ m}$ quy thành lực tập trung tại đỉnh cột: phía gió đẩy $S_d = 2,984\text{ kN}$, phía gió hút $S_h = 2,238\text{ kN}$.

Phần VII & VIII: Xác định nội lực và tổ hợp nội lực

Nội lực trong khung phẳng được xác định cho các trường hợp tải trọng riêng biệt: Tĩnh tải, Hoạt tải 1, Hoạt tải 2, Gió trái, Gió phải. Tổ hợp nội lực bao gồm tổ hợp cơ bản 1 (Tĩnh tải + 1 Hoạt tải/Gió) và tổ hợp cơ bản 2 (Tĩnh tải + 0,9 $\times$ Tổng các hoạt tải và gió) để rút ra các cặp nội lực nguy hiểm nhất ($M_{\max}$, $M_{\min}$, $N_{\text{tương ứng}}$, $Q_{\max}$).

Phần IX: Tính toán cốt thép dầm

Tính toán cốt thép dọc và cốt đai cho các dầm từ tầng 2 đến tầng mái:

  1. Dầm tầng 2 nhịp AB ($22 \times 60\text{ cm}$):
    • Tiết diện gối ($M = -194,612\text{ kN.m}$): Diện tích thép $A_s = 1621\text{ mm}^2$, chọn $3\Phi 20 + 2\Phi 22$ ($A_{stk} = 1702,8\text{ mm}^2$, $\mu = 1,35%$).
    • Tiết diện nhịp ($M = 183,73\text{ kN.m}$): Diện tích thép $A_s = 1311\text{ mm}^2$, chọn $3\Phi 18 + 2\Phi 20$ ($A_{stk} = 1392\text{ mm}^2$, $\mu = 1,093%$).
  2. Dầm tầng 2 nhịp BC ($22 \times 40\text{ cm}$): Gối chọn $2\Phi 20$ ($A_{stk} = 628\text{ mm}^2$); nhịp chọn $2\Phi 12$ ($A_{stk} = 226\text{ mm}^2$).
  3. Dầm tầng 2 nhịp CD ($22 \times 45\text{ cm}$): Gối chọn $3\Phi 22$ ($A_{stk} = 1140\text{ mm}^2$); nhịp chọn $2\Phi 20$ ($A_{stk} = 628\text{ mm}^2$).
  4. Cốt đai và cốt treo:
    • Dầm $22 \times 60$: Bố trí đai $\Phi 8a200$ trong đoạn $L/4$ đầu dầm, đoạn giữa đặt $\Phi 8a300$. Cốt treo gia cường tại vị trí dầm phụ ($P = 105,922\text{ kN}$) yêu cầu $A_{sw} \ge 457,3\text{ mm}^2$, bố trí $6$ đai $\Phi 8$ (mỗi bên mép dầm phụ 3 đai, khoảng cách $50\text{ mm}$).
    • Dầm $22 \times 40$: Đặt cốt đai $\Phi 6a200$ toàn bộ chiều dài dầm.
    • Dầm $22 \times 45$: Đoạn $L/4$ đặt $\Phi 6a150$, đoạn giữa đặt $\Phi 6a300$.
Tầng Dầm Tiết diện ($b \times h$) Vị trí $M$ ($\text{kN.m}$) $A_s$ tính ($\text{mm}^2$) Thép lựa chọn $A_{stk}$ ($\text{mm}^2$) $\mu$ (%)
Tầng 2 AB $22 \times 60$ Gối A, B / Nhịp $-194,61$ / $183,73$ $1621$ / $1311$ $3\Phi 20 + 2\Phi 22$ / $3\Phi 18 + 2\Phi 20$ $1702,8$ / $1392$ $1,35$ / $1,09$
BC $22 \times 40$ Gối B, C / Nhịp $-48,32$ / $13,32$ $560$ / $142$ $2\Phi 20$ / $2\Phi 12$ $628$ / $226$ $0,70$ / $0,17$
CD $22 \times 45$ Gối C, D / Nhịp $-90,12$ / $59,06$ $993$ / $572$ $3\Phi 22$ / $2\Phi 20$ $1140$ / $628$ $1,12$ / $0,65$
Tầng 3 AB $22 \times 60$ Gối / Nhịp $-185,13$ / $189,10$ $1526$ / $1350$ $5\Phi 20$ / $3\Phi 18 + 2\Phi 20$ $1570$ / $1392$ $1,27$ / $1,12$
BC $22 \times 40$ Gối / Nhịp $-45,50$ / $7,00$ $526$ / $75$ $2\Phi 20$ / $2\Phi 12$ $628$ / $226$ $0,66$ / $0,09$
CD $22 \times 45$ Gối / Nhịp $-86,14$ / $60,13$ $942$ / $583$ $3\Phi 20$ / $2\Phi 20$ $942$ / $628$ $1,07$ / $0,66$
Tầng 4 AB $22 \times 60$ Gối / Nhịp $-170,07$ / $221,21$ $1425$ / $1583$ $3\Phi 20 + 2\Phi 18$ / $5\Phi 20$ $1451$ / $1570$ $1,18$ / $1,32$
BC $22 \times 40$ Gối / Nhịp $-62,20$ / — $743$ / Cấu tạo $3\Phi 20$ / $2\Phi 12$ $943$ / $226$ $0,93$ / —
CD $22 \times 45$ Gối / Nhịp $-84,53$ / $71,57$ $922$ / $694$ $3\Phi 20$ / $2\Phi 22$ $942$ / $760$ $1,04$ / $0,78$
Tầng 5 AB $22 \times 60$ Gối / Nhịp $-166,13$ / $213,37$ $1343$ / $1526$ $3\Phi 20 + 2\Phi 18$ / $5\Phi 20$ $1451$ / $1570$ $1,12$ / $1,27$
BC $22 \times 40$ Gối / Nhịp $-49,11$ / — $572$ / Cấu tạo $2\Phi 20$ / $2\Phi 12$ $628$ / $226$ $0,72$ / —
CD $22 \times 45$ Gối / Nhịp $-82,43$ / $68,33$ $896$ / $660$ $3\Phi 20$ / $2\Phi 22$ $942$ / $760$ $1,02$ / $0,75$
Mái AB $22 \times 60$ Gối / Nhịp $-131,52$ / $221,60$ $1027$ / $1586$ $3\Phi 22$ / $5\Phi 20$ $1140$ / $1570$ $0,85$ / $1,32$
BC $22 \times 40$ Gối / Nhịp $-70,40$ / — $857$ / Cấu tạo $3\Phi 22$ / $2\Phi 12$ $1140$ / $226$ $1,08$ / —
CD $22 \times 45$ Gối / Nhịp $-62,52$ / $71,58$ $656$ / $694$ $2\Phi 22$ / $2\Phi 22$ $760$ / $760$ $0,74$ / $0,78$

Phần X: Tính toán cốt thép cột

  1. Cột phần tử 1 (Cột trục A tầng 1, $b \times h = 30 \times 40\text{ cm}$):
    • Chiều dài tính toán $l_0 = 0,7 \times 5,3 = 3,71\text{ m}$, độ mảnh $\lambda = 371/40 = 9,275 > 8 \to$ Xét uốn dọc.
    • Cặp 1 ($M = 82,95\text{ kN.m}$, $N = 982,01\text{ kN}$): Lệch tâm bé, $A_s = A'_s = 523\text{ mm}^2$ ($\mu_t = 0,97%$).
    • Cặp 3 ($M = 29,27\text{ kN.m}$, $N = 1162,2\text{ kN}$): $A_s < 0 \to$ Đặt theo cấu tạo $\mu_{\min} = 0,2%$, $A_s = A'_s = 216\text{ mm}^2$.
    • Cặp 4 ($M = 75,87\text{ kN.m}$, $N = 1131,4\text{ kN}$): Cặp nguy hiểm nhất, $A_s = A's = 651\text{ mm}^2$ ($\mu_t = 1,2%$). Bố trí cốt thép đối xứng chọn $3\Phi 18$ mỗi bên ($A{stk} = 763,4\text{ mm}^2$).
  2. Biểu đồ tương tác cột $30 \times 40\text{ cm}$ bố trí $3\Phi 18$ mỗi bên:
Điểm $x$ ($\text{mm}$) $\sigma_s$ ($\text{MPa}$) $N$ ($\text{kN}$) $[Ne]_{gh}$ ($\text{kN.m}$) $e$ ($\text{m}$) $\eta e_0$ ($\text{m}$) $M^* = N \eta e_0$ ($\text{kN.m}$)
Điểm 1 $0$ $260$ $0$ $64,31$ — — $63,91$
Điểm 2 $120$ $260$ $414,00$ $189,34$ $0,457$ $0,295$ $122,13$
Điểm 3 $239,03$ $260$ $724,09$ $264,28$ $0,320$ $0,158$ $132,50$
Điểm 4 $325$ $-132,54$ $1420,92$ $343,39$ $0,241$ $0,079$ $55,41$
Điểm 5 $400$ $-260$ $1776,97$ — — — —
  1. Cột phần tử 6 (Cột trục B tầng 1, $b \times h = 30 \times 50\text{ cm}$):
    • Chiều dài tính toán $l_0 = 3,71\text{ m}$, độ mảnh $\lambda = 371/50 = 7,42 < 8 \to$ Bỏ qua ảnh hưởng uốn dọc.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán kỹ thuật:
    • Xác định đầy đủ kích thước hình học cho khung phẳng 5 tầng: các nhịp tính toán dầm là $7,875\text{ m}$; $3,35\text{ m}$; $5,675\text{ m}$; chiều cao tầng 1 là $5,3\text{ m}$ và các tầng trên là $3,4\text{ m}$.
    • Bố trí cốt thép dọc cho dầm chịu uốn đạt hàm lượng hợp lý $\mu = 0,65% \div 1,35%$, đáp ứng điều kiện $\mu_{\min} \le \mu \le \mu_{\max}$.
    • Tính toán cốt đai chịu cắt thỏa mãn điều kiện cường độ trên tiết diện nghiêng (khả năng chịu cắt $Q_u$ lớn hơn lực cắt tính toán $Q_{\max}$); xử lý triệt để vị trí tập trung ứng suất tại liên kết dầm phụ - dầm chính bằng $6$ đai treo $\Phi 8$ cho lực tập trung $P = 105,922\text{ kN}$.
    • Thiết kế cột trục A tầng 1 chịu nén uốn lệch tâm bé với thép đối xứng $3\Phi 18$ ($A_s = 763,4\text{ mm}^2$), kiểm tra độ an toàn trên toàn bộ đường bao biểu đồ tương tác $(N - M)$.
  • Đóng góp của đồ án:
    • Cung cấp bộ số liệu tính toán chi tiết, nhất quán từ tải trọng đơn vị đến nội lực và diện tích thép thực tế.
    • Ứng dụng quy trình tính toán cấu kiện dầm/cột bê tông cốt thép có đối chiếu đầy đủ các hệ số uốn dọc ($\eta$), chiều cao vùng nén sơ bộ ($x_1$) và vùng nén thực tế ($x$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mô hình tính toán giới hạn ở dạng khung phẳng (khung trục 5), chưa xét đến sự làm việc không gian tổng thể của toàn bộ công trình cũng như hiệu ứng xoắn dưới tác dụng của tải trọng ngang.
    • Tải trọng gió chỉ mới xét thành phần gió tĩnh theo quy chuẩn cho công trình dưới $40\text{ m}$, chưa tính toán thành phần gió động hay tải trọng động đất.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Mở rộng mô hình tính toán sang hệ không gian 3D bằng các phần mềm phần tử hữu hạn chuyên dụng để so sánh sự phân phối lại nội lực giữa khung ngang và khung dọc.
    • Bổ sung tính toán chi tiết cho cấu kiện móng dưới cột (móng đơn hoặc móng cọc) và kiểm tra biến dạng võng, bề rộng khe nứt của hệ dầm sàn theo trạng thái giới hạn thứ hai.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình, Kỹ thuật Công trình Xây dựng dân dụng và công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học Bê tông cốt thép 2 hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Bảng tra và công thức tính toán tĩnh tải, hoạt tải truyền từ bản sàn hai phương (dạng tam giác và hình thang) lên dầm khung.
    • Phương pháp giải tích tính toán cốt thép dầm chữ T khi trục trung hòa đi qua cánh.
    • Trình tự tính toán cột lệch tâm phẳng có xét uốn dọc và các bước thiết lập bảng biểu đồ tương tác $N - M$ cho tiết diện chữ nhật đặt cốt thép đối xứng.

Câu hỏi thường gặp

  • 1. Công thức nào được tác giả sử dụng để xác định sơ bộ chiều dày bản sàn và kết quả cho sàn phòng họp là bao nhiêu?
    Tác giả sử dụng công thức của PGS. Lê Bá Huế: $h_s = \frac{k \cdot L_{\text{ngắn}}}{37 + 8\alpha}$. Với sàn phòng họp có $\alpha = 0,833$, tải trọng $q_0 = 6,029\text{ kN/m}^2 \ge 4\text{ kN/m}^2$ cho hệ số $k = 1,147$, chiều dày tính toán được là $12,6\text{ cm}$ và chọn chiều dày thực tế $h_{s1} = 12\text{ cm}$.

  • 2. Vì sao cột trục A tầng 1 phải xét đến hệ số uốn dọc trong khi cột trục B tầng 1 thì không?
    Cột trục A tầng 1 có tiết diện $30 \times 40\text{ cm}$, chiều dài tính toán $l_0 = 3,71\text{ m}$, độ mảnh $\lambda = 371/40 = 9,275 > 8$ nên bắt buộc phải xét uốn dọc ($\eta = 1,123 \div 1,196$). Trong khi đó, cột trục B có tiết diện $30 \times 50\text{ cm}$, độ mảnh $\lambda = 371/50 = 7,42 < 8$ nên được phép bỏ qua ảnh hưởng của uốn dọc.

  • 3. Giải pháp gia cường chịu lực cắt tại vị trí dầm phụ kê lên dầm chính AB được thực hiện như thế nào?
    Tại vị trí dầm phụ truyền lực tập trung $P = 105,922\text{ kN}$ vào dầm chính AB ($22 \times 60\text{ cm}$), diện tích cốt treo yêu cầu là $A_{sw} \ge 457,3\text{ mm}^2$. Đồ án đã bố trí $6$ đai treo $\Phi 8$ hai nhánh ($a_{sw} = 50,26\text{ mm}^2$), đặt mỗi bên mép dầm phụ $3$ đai với khoảng cách giữa các đai là $50\text{ mm}$.

  • 4. Cốt thép dọc cho dầm AB tầng 2 tại gối và giữa nhịp được lựa chọn với quy cách và hàm lượng bao nhiêu?
    Tại gối A và B ($M = -194,612\text{ kN.m}$), cốt thép được chọn là $3\Phi 20 + 2\Phi 22$ ($A_{stk} = 1702,8\text{ mm}^2$, hàm lượng $\mu = 1,35%$). Tại nhịp AB ($M = 183,73\text{ kN.m}$), cốt thép được chọn là $3\Phi 18 + 2\Phi 20$ ($A_{stk} = 1392\text{ mm}^2$, hàm lượng $\mu = 1,093%$).

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành quy trình thiết kế kỹ thuật khung ngang trục 5 cho công trình nhà làm việc 5 tầng bê tông cốt thép toàn khối thuộc vùng gió I.A và địa hình C. Toàn bộ các bước từ xác định kích thước tiết diện dầm, cột, sàn, thiết lập sơ đồ hình học đến xác định tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió đều được thực hiện theo đúng lý thuyết kết cấu hiện hành. Kết quả tính toán cốt thép dầm, cốt đai, cốt treo và cốt thép cột lệch tâm phẳng kèm biểu đồ tương tác đảm bảo đầy đủ các điều kiện về cường độ và khả năng chịu lực an toàn cho công trình.